毕业设计框架结构办公楼设计.doc

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1、 河北石家庄保险公司框架结构办公楼设计（1） 摘要：本设计为了初步掌握结构设计的基本流程及基础方法，通过手算一榀，确定构件的截面尺寸，计算竖向荷载、水平地震作用下结构的内力和位移，确定结构内力图。最后用PKPM结构设计软件进行整个结构的柱、梁、板的配筋，并绘制施工图等。关键词：结构设计,混凝土结构,框架结构,抗震设计目 录引言1第1章 绪论2第2章 建筑设计32.1 建筑说明32.2 其他说明32.2.1 门窗使用32.2.2 地质条件32.2.3 活荷载3第3章 结构设计43.1 柱网与层高的确定43.2 框架结构承重方案的选择43.3 截面尺寸的初步确定63.3.1 梁截面尺寸估算63.3

2、.2柱截面尺寸估算63.4 梁柱线刚度的计算7第4章 荷载计算84.1恒荷载计算84.1.1屋面框架梁线荷载标准值84.1.2楼面框架梁线荷载标准值94.1.3屋面框架节点集中荷载标准值104.1.4楼面框架节点集中荷载标准值104.1.5恒荷载作用下的结构计算简图114.2 楼面活荷载计算12第5章 横向水平地震荷载作用下框架结构的内力和侧移计算135.1 横向自振周期的计算135.1.1 楼层重力荷载代表值的计算135.1.2 值法计算145.1.3 结构自振周期的计算165.2 水平地震作用及楼层地震剪力的计算175.2.1 结构等效总重力荷载代表值175.2.2 结构总的水平地震作用标

3、准值175.3 水平地震作用下的位移验算185.4 水平地震作用下框架内力计算205.4.1 框架柱端剪力及弯矩205.4.2 梁端弯矩、剪力及柱轴力计算21第6章 竖向重力荷载作用下框架结构的内力计算236.1 恒荷载作用下的内力计算236.1.1 恒载作用下的梁端和柱端弯矩的计算236.1.2 恒载作用下的梁端剪力和柱轴力的计算296.2 楼面活荷载作用下的内力计算31第7章 内力组合35第8章 截面设计388.1 框架梁截面设计388.1.1 梁的最不利内力388.1.2 梁正截面受弯承载力计算398.2 框架柱截面设计408.2.1 柱截面尺寸验算408.2.2 柱正截面承载力计算41

4、8.2.3 柱斜截面受剪承载力计算42第9章 板的内力计算及配筋43结论43致谢44参考文献45附录46引言毕业设计是学生离校前的一个综合学习阶段,是深化、拓宽、综合教学的重要过程,是对大学期间所学专业知识的全面总结。本次设计题目为河北石家庄保险公司框架结构办公楼设计（1）。在设计过程中，用到了结构力学、混凝土结构设计原理、建筑结构抗震设计的相关知识，并翻阅建筑结构抗震规范、混凝土结构设计规范、建筑结构荷载规范等。设计过程中使得基本理论、专业知识和基本技能得到综合运用。在毕业设计最后阶段，主要是设计手稿输入电脑及整理工作，在此期间得到老师的审批和指正，在此表示衷心的感谢。进行毕业设计的这段时间

5、里，在指导老师的帮助下，经过资料查阅、设计计算、论文撰写等，加深了对新规范、规程、手册等相关内容的理解。巩固了专业知识、提高了综合分析问题、解决问题的能力。熟练掌握了AutoCAD、PKPM等软件，最终达到了毕业设计的目的与要求。框架结构设计的计算工作量很大，在计算过程中，取其中一榀进行手算，其他部分均以一些计算软件（如PKPM08）。由于自己水平有限，难免有不妥和疏忽之处，敬请各位老师批评指正。第1章 绪论毕业设计是教育培养目标实现的重要阶段，是毕业前综合学习阶段,是深化、拓宽、综合教学的重要过程,是对大学期间所学专业知识的全面考核。本次毕业设计题目为河北石家庄保险公司框架结构办公楼设计（1

6、）。在设计前期，准备各项资料，如结构力学、混凝土结构设计原理、建筑结构抗震设计、房屋建筑学等教材，并借阅了抗震规范、混凝土规范、荷载规范等规范。在设计中期，我通过以掌握的基本理论、专业知识和专业技能进行建筑、结构设计。在设计后期，主要进行设计手稿的电脑输入，运用PKPM结构设计软件进行柱梁板的配筋计算，并绘制施工图。在此期间，得到老师的指导和审批，使我圆满完成了任务，在此表示衷心的感谢。毕业设计这段时间，在指导老师的帮助下，经过资料查阅、设计计算、论文撰写等，加深了对新规范、规程、手册等的理解。巩固了专业知识、提高了综合分析问题、解决问题的能力。在进行内力组合的计算时，进一步学习了Excel.

7、在绘图过程中熟练掌握了AutoCAD，最终达到了毕业设计的目的与要求。此次设计中，水平地震作用下的内力计算，是在确定框架布局之后，进行了层间荷载代表值的计算,接着利用顶点位移法求出结构自振周期，进而用底部剪力法计算水平地震荷载作用下的剪力大小，求出在水平荷载作用下的结构内力（弯矩、剪力、轴力）。竖向荷载（恒载及活荷载）作用下的结构内力计算，进行内力组合，找出最不利的内力组合值进行配筋计算。框架结构设计的计算工作量很大，故取一榀框架进行详细计算，并借助PKPM结构设计软件进行施工图的绘制。由于自己水平有限，若有不妥和疏忽之处，敬请各位老师批评指正。第2章 建筑设计2.1 建筑说明建筑地点：河北省

8、石家庄市建筑类型：六层办公楼，框架结构建筑介绍：建筑面积约4698平方米，楼盖及屋盖均采用现浇钢筋混凝土框架结构，楼板厚度取100mm，填充墙采用混凝土空心小砌块。设计标高：室内设计标高，室内外高差450mm。墙身做法：墙身为190厚混凝土空心小砌块填充墙，用M5砂浆砌筑。内粉刷为20厚抹面刮大白两道，外墙粉刷为20厚1:3水泥砂浆打底，陶瓷锦砖贴面。楼面做法：楼板顶面为20厚水泥砂浆打底，水磨石地面10mm面层，楼板底面同屋面板底面做法一样。屋面做法：现浇板下为15mm厚纸筋面石灰抹底涂料两度，现浇钢筋混凝土楼板120厚，铺膨胀珍珠岩保温层，1:2水泥砂浆找平层，厚20mm，然后是SBS改性

9、沥青防水层，30m厚细石混凝土保护层。其他说明，详见施工图总说明。2.2 其他说明2.2.1 门窗使用首层大门采用不锈钢玻璃门，其它为木门，门洞尺寸为1.0m2.1m等，窗均为铝合金框玻璃窗，多数洞口尺寸为2.1m1.8m，其他见施工图总说明。2.2.2 地质条件建筑场地开阔，地形平整，经地质勘察部门确定，此建筑场地为二类，设防烈度为8度，地面粗糙度属于B类。2.2.3 活荷载屋面活荷载2.0，办公室及卫生间楼面活荷载2.0，走廊楼面活荷载2.5，其他活荷载如雪荷载在取值时详见建筑结构荷载规范GB 50009-2001。第3章 结构设计3.1 柱网与层高的确定本办公楼采用柱距2.4m的内廊式小

10、柱网，边跨为6.3m，中间跨为2.4m，首层层高取4.5m，标准层层高取3.3m，柱网如下图3-1所示：图3-1柱网布置图3.2 框架结构承重方案的选择竖向荷载的传力途径：楼板的均布活载和恒载经次梁间接或直接传至主梁，再由主梁传至框架柱，最后传至基础到地基。根据以上楼盖的平面布置及竖向荷载的传力途径，（见图3-2），本办公楼框架的承重方案为横向框架承重方案，这可使横向框架梁的截面高度大，增加框架的横向侧移刚度。各承力面积的计算如下：A1=0.5(7.8+7.8)0.56.3=24.57 m2A2=0.5(7.8+6.6)0.56.3=22.68 m2A3=0.56.60.56.3=10.40

11、m2 A4=0.5(6.3+2.4)0.56.6=14.36 m2A5=0.5(7.8+6.6)0.5(6.3+2.4)=31.32 m2A6=0.5(7.8+7.8)0.5(6.3+2.4)=33.93 m2该方案中，需近似的按横方向的平面框架计算，计算空间结构简图如图3-3。图3-2 框架结构承重方案计算简图图3-3 横向框架组成的空间结构3.3 截面尺寸的初步确定3.3.1 梁截面尺寸估算梁截面尺寸：，且h300mm，且b200mm，框架梁最大跨度为6300，取550，,取300;其他框架梁的选取亦根据此方法进行初步估算。3.3.2柱截面尺寸估算柱截面可根据轴压比极限值确定N=FgE n

12、 AC 式中：考虑地震作用后柱轴压力增大系数，中柱1.25，边柱1.3。F按简支状态计算柱的负载面积.-折算在单位建筑面积上的荷载代表值,近似取12-15n验算层截面以上楼层层数.-轴压比极限值. -混凝土轴心抗压强度设计值.本设计中,框架按二级抗震等级,=0.8,取=14. 所有柱、梁采用强度等级为30的混凝土,其=14.3/2 。根据竖向荷载的传力途径（图3-2），初步选择承力面积较大的柱子,计算如下：KZ-1: A1=0.5(7.8+7.8)0.56.3=24.57 m2 N1=FgEn=1.324.57146=2683.044（KN）AC=234532（mm2），a=484 mm 取5

13、00mm500mmKZ-2: 计算同KZ-1, 取500mm500mm；KZ-3；计算同KZ-1, 取400mm400mmKZ-4: 计算同KZ-1, 取400mm400mm；KZ-5； 计算同KZ-1, 取550mm550mmKZ-6: 计算同KZ-1, 取600mm600mm综上，柱截面尺寸均取500mm500mm 构件截面尺寸的初步确定如下表（表3-1）所示 构件截面尺寸 表3-1构件类型类型截面尺寸柱子KZ500mm500mm横向框架梁AB,CD跨550mm300mmBC跨400mm300mm纵向框架梁沿A,D轴650mm400mm沿B,C轴650mm400mm楼层面板厚100mm混凝

14、土等级C303.4 梁柱线刚度的计算计算各梁柱构件的线刚度经计算后列于图3-4，其中在求梁截面惯性矩时考虑到了现浇楼板的作用，取(为不考虑楼板翼缘作用的梁截面惯性矩)。计算过程如下：1） AB、CD跨梁：2) BC跨梁：3) 底层柱：4) 标准层柱： 注：图中数字为线刚度，单位：图3-4 构件计算简图及线刚度第4章 荷载计算此结构设计时，取其中一榀为例进行手算设计、荷载统计、内力计算、内力组合等，其他部分用PKPM结构设计软件电算，并进行配筋等。4.1恒荷载计算4.1.1屋面框架梁线荷载标准值屋面恒荷载：30mm厚细石混凝土保护层 SBS改性沥青防水层 20厚1；2水泥砂浆找平层 100140

15、mm厚（2%找坡）膨胀珍珠岩保温层120厚钢筋混凝土板 15mm厚纸筋石灰抹底 合计 边跨（AB,CD跨）框架梁自重： 梁侧粉刷 小计 中跨BC框架梁自重： 梁侧粉刷 小计 所以，作用在顶层框架梁线荷载为：，4.1.2楼面框架梁线荷载标准值楼面恒荷载：水磨石地面10mm面层 20mm水泥砂浆打底 100厚钢筋混凝土板 15mm厚纸筋石灰抹底 合计 边跨框架梁及梁侧粉刷 边跨填充墙自重： 20厚1：3水泥砂浆抹面刮大白两道 190厚混凝土空心小砌块 20厚1：3水泥砂浆抹面 小计 中跨框架梁及梁侧粉刷 所以，作用在中间层框架梁上的线荷载为：，4.1.3屋面框架节点集中荷载标准值边柱连系梁自重 粉

16、刷 600mm高女儿墙自重： 20厚1：3水泥砂浆抹面 100厚现浇混凝土板 20厚1：3水泥砂浆抹面 连系梁传来屋面自重 顶层边节点集中荷载 中柱连系梁自重 粉刷 连系梁传来屋面自重 顶层中节点集中荷载 4.1.4楼面框架节点集中荷载标准值边柱连系梁自重 粉刷 钢窗自重 墙体重 框架柱自重 粉刷 连系梁传来屋面自重 中间层边节点集中荷载中柱连系梁自重 粉刷 内纵墙重 门重 框架柱自重 粉刷 连系梁传来楼屋面自重 中间层中节点集中荷载 4.1.5恒荷载作用下的结构计算简图恒荷载作用下的结构计算简图如图4-1所示图4-1 恒荷载作用下的结构计算简图4.2 楼面活荷载计算楼面活荷载作用下的结构计算

17、简图如图4-2所示。图中各荷载值计算如下：图4-2 楼面活荷载作用下的结构计算简图第5章 横向水平地震荷载作用下框架结构的内力和侧移计算5.1 横向自振周期的计算横向自振周期的计算采用结构顶点的假想位移法。5.1.1 楼层重力荷载代表值的计算1）顶层：屋面恒荷载 框架横梁： 框架纵梁： 边柱： 中柱： 外墙： 内墙： 窗： 门： 女儿墙： 因此 2） 底层：楼面恒荷载： 框架横梁： 框架纵梁： 边柱： 中柱： 外墙： 内墙： 窗： 门： 因此 3）标准层：标准层重力荷载计算与顶层相比少女儿墙重力荷载和屋面附加荷载，因此 集中于各楼层标高处的重力荷载代表值G i的计算结果如下图5-1所示图5-1

18、 重力荷载代表值G i的计算结果5.1.2 值法计算（）值是柱上下端产生单位相对位移所需施加的水平力，计算公式为对于高度小于50m的且高宽比小于4的建筑物，仅考虑梁柱弯曲变形引起柱侧移刚度，忽略柱的轴向变形。K和 值计算表 表5-1楼层简图K一般层底层计算过程如下：1）标准层： 2）底层： 值计算如下（略去10-4EC）：各层总值计算：5.1.3 结构自振周期的计算计算各层重力荷载：，,结构总重力荷载代表值：自震周期 T1（s）,可按顶点位移法计算，公式如下：注：假想把集中在各层楼面处的重力荷载代表值作为水平荷载而算得的结构顶点位移，；结构基本自振周期考虑非承重砖墙影响的折减系数，取0.6。按

19、以下公式计算：注：为第i层的层间侧移刚度；为第i层的层间侧移；为第k层的层间侧移。假想顶点位移计算过程及结果列于下表5-2： 结构顶点的假想侧移计算 表5-2层次楼层重力荷载假想楼层剪力楼层值（104/m）假想层间位移假想楼间位移61137.991137.9926.1544.3590.0558712008.9926.1547.6885.748712879.9926.15411.0178.0238713750.9926.15414.3467.0128714621.9926.15417.6752.6711007.55629.4916.08635.0035.00因此，5.2 水平地震作用及楼层地震剪

20、力的计算本结构高度不超过40m，质量和刚度沿高度分布比较均匀，变形以剪切型为主，故可用底部剪力法计算水平地震作用。5.2.1 结构等效总重力荷载代表值根据计算结构等效总重力荷载代表值，其中为结构总重力荷载代表值，为各层重力荷载代表值之和。而重力代表值是指100%的恒荷载、50%-80%的楼面活荷载和50%的雪荷载之和。经计算得：所以，5.2.2 结构总的水平地震作用标准值根据地质资料本地区为设防烈度为8度，类场地，设计地震分组为第一组，查表知：近震特征周期值，0.1=0.306=0.306s，所以可不考虑顶部附加水平地震作用，=0；地震作用下各楼层水平地震层间剪力Vi为 Vi=Fk（i=1，2

21、，n） 计算过程如下表：各质点横向水平地震作用及楼层地震剪力计算表 表5-3层次层高Hi（m）Gi（KNGiHi（KNm）GiHi/GjHjFi（KN）Vi（KN）6211137.9923897.790.328286.01286.01517.787115416.70.212184.86470.87414.487112542.40.172149.98620.85311.18719668.10.133115.97736.8227.88716793.80.09381.09817.9114.51007.54533.750.06254.07871.9872852.54各质点水平地震作用及楼层地震剪力沿房

22、屋高度的分布见下图5-2，5-3： 注：具体数值见上表图5-2水平地震作用 图5-3楼层地震剪力5.3 水平地震作用下的位移验算根据水平地震作用下结构计算简图（图5-4），计算水平地震作用下框架结构的层间位移，分别按下列公式计算：顶层位移各层的层间弹性位移角，根据抗震规范，考虑砖填充墙抗侧力作用的框架，层间弹性位移角限值 1/550，计算过程见表5-4。 图5-4水平地震作用下结构计算简图 横向水平地震作用下的位移验算 表5-4层次楼层值（）（mm）（mm）6286.0126.1541.0933001/30285470.8726.1541.8033001/18334620.8526.1542.

23、3733001/13923736.8226.1542.8233001/11702817.9126.1543.1333001/10541871.9816.0863.3345001/1351由此可见，最大层间弹性位移角发生在第六层，1/10541/550，满足规范要求。5.4 水平地震作用下框架内力计算5.4.1 框架柱端剪力及弯矩框架柱端剪力及弯矩分别按下列公式计算 （混凝土结构中册附录10）注：框架柱的标准反弯点高度比； 为上下层梁线刚度变化时反弯点高度比的修正值； 、为上下层层高变化时反弯点高度比的修正值。 为框架柱的反弯点高度比。各层框架柱端弯矩及剪力计算过程如下表5-5，5-6：各层柱端

24、弯矩及剪力计算（边柱） 表5-5层次楼层值（）边 柱（）63.3286.0126.1545.13056.100.8371.155120.3364.8053.3470.8726.1545.13092.360.8371.386176.78128.0143.3620.8526.1545.130121.780.8371.485221.03180.8433.3736.8226.1545.130144.520.8371.485262.30214.6123.3817.9126.1545.130160.430.8371.65264.71264.7114.5871.9816.0863.58171.040.141

25、2.88277.08492.60各层柱端弯矩及剪力计算（中柱） 表5-6层次楼层值（） 中 柱（）63.3286.0126.1547.94786.911.6821.254177.82108.9953.3470.8726.1547.947143.081.6821.485472.16212.4743.3620.8526.1547.947188.651.6821.584323.72298.8233.3736.8226.1547.947223.891.6821.65369.42369.4223.3817.9126.1547.947248.531.6821.65410.07410.0714.5871.9

26、816.0864.463241.932.2942.79413.70674.985.4.2 梁端弯矩、剪力及柱轴力计算梁端弯矩、剪力及柱轴力分别按以下公式计算： 式中 、为节点处左、右的梁端弯矩；、为节点处上、下端弯矩；、为节点左、右梁的线刚度。 具体计算过程及结果见下表5-7：梁端弯矩、剪力及柱轴力的计算 表5-7层次边跨梁（AB跨）中跨梁（BC跨）柱轴力边柱N中柱N6120.3388.44 6.30 33.14 89.38 89.38 2.40 74.48 -33.14 -41.34 5241.58 289.04 6.30 84.23 292.11 292.11 2.40 243.43 -1

27、17.37 -200.544349.04 266.68 6.30 97.73 269.51 269.51 2.40 224.59-215.10 -327.403443.14 332.36 6.30 123.10 335.88 335.88 2.40 279.90-338.20 -484.202479.32 387.69 6.30 137.62 391.80 391.80 2.40 326.50-475.82 -673.081541.79 409.71 6.30 151,03 414.06 414.06 2.40 345.05-626.85 -867.10图5-5 水平地震作用横向框架弯矩图图5

28、-6 水平地震作用横向框架剪力、轴力图第6章 竖向重力荷载作用下框架结构的内力计算6.1 恒荷载作用下的内力计算6.1.1 恒载作用下的梁端和柱端弯矩的计算恒载（竖向荷载）作用下的内力计算采用分层法，由恒荷载作用下计算简图取出中间任一层开口框架单元进行分析，结构计算简图如图6-1所示。除底层以外柱的线刚度取框架柱实际线刚度的0.9倍，图中梁上分布荷载为三角形分布荷载，在求固端弯矩时可根据图示荷载计算，也可根据固端弯矩相等的原则，先将三角形分布荷载，化为等效均布荷载，等效均布荷载的计算公式如图6-2所示。图6-1 分层法计算简图图6-2 荷载的等效把三角形荷载化为等效均布荷载 1）顶层： 2)

29、标准层， 梁端、柱端弯矩采用弯矩二次分配法计算，由于结构和荷载均对称，故计算时可利用结构对称性取二分之一结构进行计算，计算过程及结果如下：1） 顶层：固端弯矩 分配系数 计算过程如下图6-3所示：图6-3 顶层弯矩分配法计算过程2）标准层：固端弯矩 分配系数 计算过程如下图6-4所示：图6-4 标准层弯矩分配法计算过程3） 底层：固端弯矩 分配系数 计算过程如下图6-5所示：图6-5 底层弯矩分配法计算过程将各层分层法求得的弯矩图叠加，可得整个框架结构在恒荷载作用下的弯矩图（图6-6）。由于分层法计算的误差，叠加后框架内各节点弯矩并不一定能达到平衡，为提高精度，可将节点不平衡弯矩根据各节点正负

30、弯矩之差，按刚度进行再分配、修正，修正后的竖向荷载作用下整个结构弯矩图（图6-7），并进而求框架各梁柱的剪力和轴力（图6-8）。图6-6 恒载作用下的弯矩图图6-7 恒载作用下经调幅并算至柱边截面的弯矩图图6-8 恒载作用下经调幅并算至柱边截面的梁端剪力图、柱轴力图6.1.2 恒载作用下的梁端剪力和柱轴力的计算本设计以顶层的梁端剪力和柱轴力计算为例：荷载引起的剪力：顶层边跨（AB跨） 顶层中跨（BC跨） 弯矩引起的剪力：顶层边跨（AB跨） 顶层中跨（BC跨）所以，顶层边跨（AB跨），顶层中跨（BC跨） 柱：柱：计算结果及过程如表6-1所示。 荷载作用下梁端剪力及柱轴力（KN） 表6-1层次梁端

31、剪力柱轴力AB跨BC跨A(边)柱B(中)柱6110.24114.4134.57260.34327.515106.98109.0325.12531.43664.484106.27107.8124.09801.81999.203106.27107.8124.091072.191333.922106.34107.8924.211342.641668.841104.99105.9322.851611.742000.44在求得图所示结构的梁端支座弯矩后，如欲求两跨中弯矩，则需根据求得的支座弯矩和各跨的实际荷载分布按平衡条件计算，框架梁在实际分布荷载（如图6-9）作用下按简支梁计算的跨中弯矩计算过程如下：

32、顶层：同理可求得标准层及底层各跨中弯矩分别为：，考虑梁端弯矩调幅，并将梁端节点弯矩换算至梁端柱边弯矩值，根据梁端控制截面弯矩及剪力图（图6-10）进行如下计算：式中 为梁端柱边界面的剪力和弯矩；为内力计算得到的梁端柱轴线截面的剪力和弯矩；为作用在梁上的竖向分布恒荷载和活荷载。所以，进行弯矩调幅及由梁端节点弯矩换算至梁端柱边弯矩之后的弯矩图如图6-7，图6-8所示。图6-10 梁端控制截面弯矩及剪力图6-9 梁在实际分布荷载作用下按简支梁计算的跨中弯矩6.2 楼面活荷载作用下的内力计算 活荷载作用下的内力计算也采用分层法，考虑到活荷载分布的最不利组合，各层楼面活荷载布置可能有如下图所示的几种组合形式。同样采用弯矩分配法计算，考虑弯矩调幅，并将梁端梁端节点弯矩换算至梁端柱边弯矩。在各种组合之前，首先把三角形荷载转换为等效均布荷载，由结构力学知识等，同恒荷载作用下的内力计算一样，画各种组合下的弯矩图（图6-10，图6-11，图6-12）。顶层：(a) 图（b）图（c）图图6-10 楼面活荷载不同组合作用下的顶层梁柱弯矩图标准层：（a）图（b）图（c）图图6-10 楼面活荷载不同组合作用下的标准层梁柱弯矩图底层：（a）图（b）图（c