常州市某职业技术学院教学楼建筑与结构设计计算书

摘要 本次毕业设计的目的是对大学四年以来所学的知识进行一次系统的复习和总结， 以检验四年来对专业知识的掌握程度，同时能进一步巩固和系统化所学的知识，为 今后的学习工作打下良好的基础。 本次设计课题为常州市某职业技术学院教学楼建筑及结构设计。该工程的建筑 面积约为 5125 ，共 4 层，层高为 3.9m，结构形式为钢筋混凝土框架结构，抗震2m 要求为 7 度设防。 设计内容包括建筑设计和结构设计，结构设计时取第轴横向框架进行计算。 本论文包括以下内容： 建筑说明；PKPM 建模；一榀框架内力计算、内力组合及截面 设计；基础的计算；现浇板，次梁和楼梯的计算。 该设计具有以下特点：一在考虑建筑，结构要求的同时考虑了施工要求及可行 性；二 针对不同的荷载特点采用不同的计算方法，对所学知识进行了系统全面的复 习；三 框架计算中运用了理论公式计算又运用了当前工程设计中常用的近似计算方 法；四 利用电算对结果进行了校核，使计算结果更加令人信服。 关键词 建筑设计 结构设计 钢筋混凝土框架结构 荷载 内力 截面设计 Abstract This article is to explain a design of a 4-storey-teaching building in XX shool.The building is reinforced concrete frame structure.It is 3.9 meters of every story and the total area is about 6500 square meters.The thesis is written for the whole process of the complete design program,including the following parts:Determination of the structure;The calculation of Load,including dead load,live load,wind load and earthquake load;Interior force calculation and,consititute of the lateral frame and the cross sections design of the components;The structural design of foundation ,stair and slabs;The result of computer calculation;The end words and the references. The thesis is of some own characters:With the consideration of architecture and structure requirements,it also considers the construction requirements and feasibility;It applies different methods of structural calculation,aiming to different loads;It applies theories formulation and practical formulation in the calculation of certain framework;It offers the methods of compututation to check the result. Keywords architectural design structural design reinforced concrete frame structure load interior force cross sections design 目 录 1 绪论 .1 2 建筑设计说明 .2 2.1 建筑物功能与特点 .2 2.2 建筑做法 .5 3 PKPM 设计 8 3.1 确定结构布置及构件的截面尺寸 .8 3.2 输入荷载的计算 11 3.3 PMCAD 参数选取 13 3.4 PKPM 电算流程 .14 3.5 计算结构分析 15 4 一榀框架设计 16 4.1 计算单元的选择： 16 4.2 一榀框架计算简图确定 17 4.3 竖向荷载标准值计算 17 4.4 横向荷载作用下的内力计算 36 4.5 内力组合 49 5 基础设计与计算 67 5.1 柱下独立基础设计 67 5.2 墙下条形基础设计 71 6 零星构件的设计与计算 72 6.1 次梁的设计与计算 72 6.2 楼板的设计与计算 75 6.3 楼梯的设计与计算 76 结束语 .81 致 谢 .82 参 考 文 献 83 附图 1 三层梁柱尺寸 .84 附图 2 楼面荷载 .85 附图 3 楼板面积图 .86 附图 4 梁柱配筋 .87 1 1 绪论 本设计的课题是常州市某职业技术学院教学楼建筑与结构设计，建筑面积 ，结构为 4 层。建筑标高为 ，标准层层高为 ，底层层高为24.53m16.m3.9m ，室内外高差为 。建筑设计等级为三级，根据建筑结构可靠度设计统90.5 一标准 （GB50068-2001） ，使用年限为 50 年，建筑结构安全等级为二级。相关设 计技术参数如下： (1)工程气象条件： 基本风压为 ；基本雪压为20.4kN20.35kN (2)工程地质条件：该场地平整，场地土类型为中硬场地土，建筑场地类别为 类。场地内第一层土为素填土，0.45-0.85m，平均 0.5m，不均质，为不良工程地质 层，第二层为中等压缩性中低强度粉土，分布均匀稳定，地基土承载力特征值 ，可为持力层；地下水位埋深 3.974.03 米，地下水对混凝土无腐蚀190akfP 性，对钢结构有弱腐蚀性。 (3)工程抗震信息：该工程位于抗震设防区，抗震设防烈度为 7，设计基本加 速度为 0.1g，地震分组为第一组。 (4)荷载取值：按建筑结构荷载规范 （GB50009-2001 ）确定。 结构形式：本设计采用框架结构。对于框架结构，其特点有：框架结构是由钢 筋混凝土主梁、次梁和柱形成的框架作为建筑物的骨架，梁和柱之间的连接为刚性 结点。屋盖、楼板上的荷载通过板传递给梁，由梁传递到柱，由柱传递到基础。框 架结构的墙体全部为自承重墙，只起分隔和围护作用，砖墙的重量通过梁、板传给 柱。有时填充墙的刚度大于竖向柱的刚度，对结构抗震极为不利，所以宜采用焦渣 砖作填充墙，减少结构的自重和荷载，减弱隔墙的刚度。框架结构的特点是不受楼 板跨度的限制，能为建筑提供灵活的使用空间。框架结构中梁柱构件截面较小，因 此框架结构的承载力和刚度都较低，它的受力特点类似于竖向悬臂剪切梁，楼层越 高，水平位移越慢，高层框架在纵横两个方向都承受很大的水平力，这时现浇楼面 也作为梁共同工作的，装配整体式楼面的作用则不考虑。为了增强结构的抗震能力， 设计时遵循以下原则：“ 强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件” 。框架结构构成：屋 盖与楼板、框架梁、框架柱、柱下独立基础。 2 2 建筑设计说明 建筑设计是一项以人为本的设计工作，设计中应以实用为基础，充分考虑功能 上的实用要求，包括功能分区、人体尺度、家具尺度、空间设计、流线组织等，满 足人们居住、生活、工作、学习等不同需要，真正做到合理、舒适、可行 1。建筑 物的设计和建造直接受到自然环境条件的影响和制约，这也是决定建筑设计的一个 重要方面，关系到建筑物的平面布置、形体组合、立面造型等。 2.1 建筑物功能与特点 建筑功能是指建筑的使用要求。不同的建筑有各自不同的使用要求。随着社会 的发展和人类物质文化生活水平的不断提高，建筑的功能要求也在日益复杂化。满 足建筑物的功能要求，为人们的工作和生活创造良好的环境，是建筑设计的首要任 务。例如本设计的是学校教学楼，首先要考虑满足教学活动的需要，教室设置应分 班合理，采光通风良好，同时还要合理安排教师备课、办公、储藏和厕所等行政管 理和辅助用房。 2.1.1 建筑平面设计 建筑平面设计主要应考虑建筑物所处的环境及其功能要求，同时又要兼顾结构 平面布置的规则和合理；此外，考虑到抗震设计的一些要求，建筑物应力求规则 2。 因此，本次设计在平面上采用“凹”字形、内廊,外廊相结合式的平面布置。具体布 置见建筑平面图 2.1。对该平面设计作如下说明：本设计柱网上采用 6.3m8.1m 和 8.1m8.4m。走廊采用了内廊外廊相结合式结构布置。内廊宽 3.3m，外廊宽 3.6m 以满足人流要求。同时设有两部楼梯，兼做消防楼梯。其平面图详见建施图-02。 3 图 2.1 建筑平面图 2.1.2 立面设计 结合平面设计中框架柱的布置，立面上主要采用竖向划分，外观上显得大方、 挺拔、气派；同时，考虑到框架结构的优点，柱间全开窗不用墙，使窗与柱形成了 有节奏的虚实对比，显得明快、活泼，同时也得到了良好的采光效果。大门设于正 中间，使整个建筑物显得美观大方。大门设有左右两扇门，使整个大门显得大气； 雨蓬的运用，和大门的设置一同起到了突出主要入口功能，起到了吸引人流导向的 作用，具体见图 2.2。 图 2.2 建筑立面图 2.1.3 剖面设计 该建筑为教学楼，对采光、层高要满足一定的要求。通过剖面设计来确定建筑 物各部分的高度，建筑层数，如图 2.3。一般的剖面设计包括：确定房间的剖面形 4 状、尺寸及比例关系；确定房屋的层数和各部分的标高；解决天然采光、自然通风 等建筑构造方案；进行房间竖向空间的组合，研究建筑空间的利用。 图 2.3 建筑剖面图 2.1.4 屋面 屋顶采用现浇混凝土结构平屋顶，屋顶设计为不上人屋顶，檐口采用 1.2m 高 女儿墙。其排水方式采用有组织排水：采用保温层找坡，坡度取 2%，设计为内排 水，雨水经由天沟、雨水口、雨水管等排水装置引导至地面管沟。如图 2.4。防水 构造：采用不上人屋面，刚性、柔性防水综合使用。保温构造：采用 30 厚的绿豆 砂保温。 图 2.4 屋面平面图 2.1.5 防火 根据使用性质、重要程度及火灾危险性等方面综合考虑，本设计的学校教学楼 可采用三级耐火等级。防火等级为二级，根据GB 50045-95DE的规定，按建筑 的使用功能、建筑规模、满足安全疏散距离房门至外部出口或封闭楼梯间最大距离 小于 ，房间设前后两个门，满足防火要求；室内消火栓设在走廊两侧,每层两侧m35 5 及中间设 3 个消火栓，最大间距 ,满足间距 的要求 3。m2550 6 2.2 建筑做法 工程做法是建筑工程中十分重要的内容之一，它详细介绍了建筑中主要构件的 做法，具体包括屋面做法，楼面做法，内外墙做法，散水做法等 4。一般建筑工程 对地面及墙面都要进行装饰，装饰面多用抹灰砂浆，而且是分层抹上去。底层（也 叫找平层）中层（也叫结合层）表层（也叫装饰层） ，结合层就是承下启下的作用， 连接底层与面层的作用，一般施工对结合层砂浆要求比较粘稠。 (1)屋面、楼面做法 屋顶是房屋最上部起覆盖作用的外部围护结构，其主要作用是用以抵御自然界 的风霜雨雪、日晒、气温变化和其他外界的不利因素，以使屋顶覆盖下的空间有一 个良好的使用环境。本设计中采用柔性防水，具体做法如下： (a)砖墩浆砌架空隔热 35mm 厚钢筋混凝土板 (b)20mm 厚水泥砂浆抹面 (c)一毡二油上铺小石子（约厚 15mm） (d)高分子卷材（4mm ） (e)20mm 厚 1:3 水泥砂浆找平压光 (f)30mm 厚绿豆砂保温层 (g)120mm 厚现浇钢筋混凝土 (h)V 型轻钢龙骨吊顶 因为教学楼中的机房、语音室里面机器比较多，对温度、灰尘等要求严格，所 以设计中楼面选用了双层橡胶软木地板，顶棚采用了 V 型轻钢龙骨吊顶，具体做法 如下： (a)双层橡胶软木地板 (b)20mm 厚 1:3 水泥砂浆找平压光 (c)120 厚现浇钢筋混凝土楼板 (d)V 型轻钢龙骨吊顶 教学楼中其它的用房如教室、教师休息室、值班室、实验室等采用了铺地面砖， 卫生间、开水房做法同教室但是考虑到对防水的特殊要求多了一道 20 厚素混凝土 刚性防水层，具体做法如下： (a)10 厚陶瓷地砖楼面，水泥砂浆擦缝 (b)20 厚 1:2 水泥砂浆结合层 7 (c)20 厚 1:3 水泥砂浆找平层 (d)120 厚现浇钢筋混凝土楼板 (e)20 厚石灰砂浆抹底 (2)内、外墙面做法 本设计中的内墙主要起分隔作用，从环保和经济的角度考虑，选用了新型建材 焦渣砖，卫生间、开水房的内墙考虑防水要求，多了一道防水砂浆防潮层。具体做 法如下： 纸筋（麻刀）灰墙面 (a)20 厚石灰砂浆抹底 (b)2 厚纸筋（麻刀）灰抹面 (c)加气混凝土界面处理剂一道 (d)刷内墙涂料 外墙主要抵御自然界风、雨、雪等的袭击，防止太阳辐射和噪声的干扰等，具 体做法如下： (a)20 厚石灰砂浆抹底 (b)刷聚合物水泥浆一道 (c)建筑涂料两遍 (3)为防水雨水对建筑物墙基的侵蚀，在外墙做散水，以便将地面的雨水排至远 处，具体做法如下： 混凝土散水 (a)20 厚 1:2 水泥砂浆压实赶光 (b)80 厚 C10 混凝土 (c)素土夯实向外坡 4% (4)门窗 门窗属于房屋建筑中的围护及分隔构件，不承重。其中门的主要功能是提供交 通出入及分隔联系建筑空间，带玻璃或亮子的门也可以起到通风采光的作用； 窗的主要功能是采光通风及观望。另外，门窗对建筑物的外观及室内装修造型影 响也很大，它们的大小比例尺度位置数量材质形状组合是决定建筑视 觉效果的非常重要的因素之一。本设计中门选用标准图集中的木门，窗选用铝合金 窗。详见门窗表 2.1。 表 2.1 门窗表 8 洞口尺寸 编号 宽高 樘数 备注 C1 18002100 24 铝合金窗 C2 25003500 6 铝合金窗 C3 30003500 8 铝合金窗 C4 57003500 52 铝合金窗 C5 75003500 40 铝合金窗 M1 9002100 16 单开木门 M2 20002700 68 双开木门 M3 30003650 8 卷帘门 M4 27003000 2 双开木门 M5 36003000 1 双开玻璃门 9 3 PKPM 设计 PMCAD 软件采用人机交互方式引导用户逐层布置楼面，再输入层高就建立起 一套描述建筑整体结构的数据。 PMCAD 是整个结构 CAD 的核心，是剪力墙、楼梯施工图、高层空间三维分 析和各类基础 CAD 的必备接口软件。 3.1 确定结构布置及构件的截面尺寸 结构体系确定后，应当密切结合建筑设计进行结构总体布置，使建筑物具有良 好的造型和合理的传力路线。结构体系受力性能与技术经济指标能否做到先进合理， 与结构总体布置密切相关。 建筑结构的总体布置，是指其对高度、平面、立面和体型等的选择，除应考虑 到建筑使用功能、建筑美学要求外，在结构上应满足强度、刚度和稳定性要求。地 震区的建筑，在结构设计时，还应保证建筑物具有良好的抗震性能。结构总体布置 原则，包括：控制高宽比、减少平面和竖向布置的不规则性、变形缝的设置。框架 结构体系布置：结构平面形状和立面体型宜简单、规则，各部分刚度均匀对称，减 少结构产生扭转的可能性；控制结构高宽比，以减少水平荷载下的侧移。 3.1.1 结构布置 多层框架结构主要承受竖向荷载。柱网布置时既要满足生产工艺和建筑平面的 布置要求，又要考虑到结构在竖向荷载作用下内力分布均匀合理，使构件材料强度 均能充分利用，施工方便 5。所以根据建筑方案的设计要求，采用内廊外廊相结 合的方式，对称布置，确定结构平面布置，如图 3.1 所示。 10 图 3.1 结构平面布置图 3.1.2 确定梁柱板截面尺寸 (1)确定梁的截面尺寸 框架梁截面尺寸：框架梁的截面尺寸应该根据承受竖向荷载的大小、梁的跨度、 框架的间距、是否考虑抗震设防要求以及选用的混凝土材料强度等诸多因素综合考 虑确定。 一般情况下，框架梁的截面尺寸可参考受弯构件按下式估算：梁高 ，其中 为梁的跨度。梁宽 。在抗震结构中，梁截面宽度不1()28hll 1()32bh 宜小于 200mm，梁截面的高宽比不宜大于 4，梁净跨与截面高度之比不宜小于 4。 具体计算如下： 主梁的尺寸： KL1： 11()()80675m10228hl 60m ()()332bh 25 06 KL2： 11()()30275m418hl 45m 11 11()()450m2532bh 50m KL3： 11()()840710528hl 60 ()()62m33bh 25m 0 次梁的尺寸： KL4： 11()()8045m6782hl 450m ()()1232bh 2 504 (2)柱截面尺寸 框架柱截面尺寸：框架柱的截面形式通常大多为方形、矩形。柱截面的宽与高 一般取层高的 1/151/20，同时满足 hl0/25、bl 0/30， 为柱计算长度。多层房屋中，ol 框架柱截面的宽度和高度不宜小于 300mm；高层建筑中，框架柱截面的高度不宜小 于 400mm，宽度不宜小于 350mm。柱截面高度与宽度之比为 12。柱净高与截面 高度之比宜大于 4。 在计算中，还应注意框架柱的截面尺寸应符合规范对剪压比(V C/fcbchc)、剪跨比 、轴压比 限值的要求，如不满足应随时调整截面尺寸，(/)cMVh(/)Ncfbh 保证柱的延性。抗震设计中柱截面尺寸主要受柱轴压比限值的控制，如以 表示柱 轴压比的限值，则柱截面尺寸可用如下经验公式粗略确定； ，23(0.1)cGnFAafw 其中 G = n = 4 F = 214kNm5.924Nmc0.9w1 A柱截面面积 ； n验算截面以上楼层层数； 12 F验算柱的负荷面积，可根据柱网尺寸确定 ；2m 砼轴心抗压强度设计值；cf 框架柱最大轴比限值，一级框架取 0.7，二级框架取 0.8，三级框架取w 0.9； 地震及中、边柱的相关调整系数，7 度中间柱取 1，边柱取 1.1； G结构单位面积的重量（竖向荷载） ，根据经验估算钢筋砼高层建筑约为 12-18 2kN/m 取 60bh (3)楼板尺寸 /453/7ml 取 in12060hh 梁柱截面尺寸详见附图 1。 3.2 输入荷载的计算 荷载输入分为恒荷载输入和活荷载输入两个部分，其中恒荷载输入包括梁间荷 载输入和楼面、屋顶恒荷载输入，活荷载输入则包括楼面活荷载和屋顶活荷载 6。 梁间荷载计算的是墙体荷载，需要把墙面抹灰和门窗的荷载考虑在内。 (1)屋面、楼面荷载计算 屋面荷载计算： 砖墩浆砌架空隔热 35mm 厚钢筋混凝土板 2250.3.875/kNm 20mm 厚水泥砂浆抹面 2204/kNm 一毡二油上铺小石子（约厚 15mm） 20.3/k 高分子卷材（4mm） 2.5/Nm 20mm 厚 1:3 水泥砂浆找平压光 204/k 30mm 厚绿豆砂保温层 2309/kNm 120mm 厚现浇钢筋混凝土 251 V 型轻钢龙骨吊顶 2./ 13 合计： 26.18/kNm 恒载标准值： 2./kg 活载标准值： 20.5/kqNm 楼面荷载计算 四层楼面： 双层橡胶软木地板面层 21.4/kNm 20mm 厚 1:3 水泥砂浆找平压光 2204/kNm 120mm 厚现浇钢筋混凝土 25.13/ V 型轻钢龙骨吊顶 20.5/kNm 合计： 25.0/kNm 恒载标准值： 2./kg 活载标准值： 2.0/kqNm 三层楼面： 双层橡胶软木地板面层 21.4/kNm 20mm 厚 1:3 水泥砂浆找平压光 2204/kNm 120mm 厚现浇钢筋混凝土 2250.13/k 20mm 厚水泥砂浆抹灰 74Nm 合计： 25.14/kNm 恒载标准值： 2./kg 14 活载标准值： 2.0/kqNm 二层楼面： 陶瓷地砖（约 10mm） 20./k 20mm 厚 1:2 水泥砂浆结合层 24/Nm 20mm 厚 1:3 水泥砂浆找平层 220/k 120mm 厚现浇钢筋混凝土 25.13/Nm 20mm 厚水泥砂浆抹灰 2170.2.34/kNm 合计： 24.36/k 恒载标准值： 2./kgNm 活载标准值： 2.0/kq （2）梁间荷载计算 对于梁间荷载的计算，应考虑计算跨度内所有的自重，包括墙、装饰层、门、 窗，对于有门窗洞口的墙体，近似的按均布考虑，以第四层的的 F 轴线的梁 间荷载为例，具体布置见图 3.2： 15 图 3.2 梁间荷载布置图 玻璃钢窗自重： 0.45182.35.10kN 墙自重： 2.0.68(.406)3.182.345.792kN 求得梁间线荷载： 45.792.1036.5/8qkm 具体荷载布置见附录中构建荷载布置附图 2。 3.3 PMCAD 参数选取 本设计中板厚为 120mm，梁、板、柱都采用现浇所以都用 C30 混凝土，具体 参数见图 3.3。 图 3.3 标准层信息 本设计中根据所在地区抗震设防烈度为 7 度，房屋高度小于 30 米，确定框架 16 结构的抗震等级为三级，详见图 3.4。 图 3.4 地震信息 本设计所在地区属于 B 类，基本风压是 0.40kN/m2，详见图 3.5。 图 3.5 风荷载信息 3.4 PKPM 电算流程 用电算程序做房屋结构设计，通常要经历三个步骤：建模、计算和绘制施工图。 具体建模步骤见下述流程图 3.6。 17 轴 线 输 入网 格 生 成构 件 定 义荷 载 定 义楼 层 组 装 保 存 文 件设 计 参 数楼 层 定 义1PM交 互 式 数 据 输 入 柱 定 义梁 定 义墙 定 义洞 口 定 义构 件 清 理荷 载 定 义荷 载 输 入删 除 荷 载 节 点 对 齐轴 线 命 名 网 点 编 辑清 理 网 点偏 心 对 齐本 层 修 改布 置 墙布 置 主 梁布 置 柱本 层 信 息换 标 准 层输 入 纵 向 、 横 向 、 斜 向 轴 线 及 圆 弧确 定 标 准 层 、 荷 载 层 的 层 数 、 层 高 及 各 楼 层 的 归 属确 定 总 信 息 、 材 料 信 息 、 地 震 信 息 、 风 信 息 及 绘 图 参 数 等承 重 墙 或 剪 力 墙墙 洞 ， 不 是 楼 面 开 洞输 入 第 一 荷 载 标 准 层 的 荷 载 信 息插 入 一 个 新 的 荷 载 标 准 层删 除 一 个 荷 载 标 准 层 2、 次 梁 输 入 拷 贝 前 层改 墙 材 料修 改 板 厚次 梁 布 置设 悬 挑 板 可 以 修 改 任 何 一 块 楼 板 的 厚 度在 主 梁 之 间 布 置 次 梁可 以 设 置 阳 台 、 雨 篷 、 檐 口 等 悬 挑 板可 以 修 改 任 何 一 片 墙 的 材 料在 第 2-n标 准 层 输 入 前 层 信 息3、 输 入 荷 载 信 息 按 层 号 输 入 、 修 改 各 自 然 层 （ 甚 至 每 个 房 间 ） 的 荷 载 信 息4、 平 面 荷 载 显 示 校 核 次 梁 荷 载梁 墙 荷 载楼 面 荷 载节 点 荷 载竖 向 荷 载 显 示 、 校 核 已 输 入 的 各 层 各 类 荷 载 ， 最 终 确 认 或 修 改 并 向 下 传 导5、 TA 转 入 结 构 分 析 计 算6、 形 成 PK文 件 可 以 形 成 框 架 、 连 续 梁 .等 的 PK数 据7、 画 结 构 平 面 图 按 层 号 绘 制 各 层 结 构 平 面 图 图 3.6 PKPM 建模流程图 3.5 计算结构分析 从梁的配筋率图上可以看出梁的配筋率基本在 0.71.3 之间，结果比较合理。 从柱的轴压比图上可以看出柱的轴压比基本在 0.9 以下，结果比较合理。板的配筋 按照构造配筋，满足设计要求和规范要求。由 TAT 得出梁的配筋率图和柱的轴压 比图详见附图 3，附图 4。梁板柱的计算结果详见结施图 04-06。 18 4 一榀框架设计 框架结构是空间整体体系，pkpm 中的 TAT 模块是按空间杆系结构进行计算， 手算时为了简化，选取一榀框架进行平面分析，包括计算单元的选择，确定计算简 图，荷载计算，内力分析，内力组合，配筋计算，构造要求。 在一榀框架的设计中，为了方便常忽略结构纵向和横向之间的空间联系，忽略 个构件的抗扭作用，将横向框架和纵向框架分别按平面框架进行分析计算。通常， 横向框架的间距和荷载都相同，因此取出有代表性的一榀中间横向框架作为计算单 元。中列柱纵向框架的计算单元宽度可各取为两侧跨度的一半，楼面分布荷载一般 可按角平分线传至两侧相应的梁上，对图 4.1 所示的梯形竖向分布荷载往往可简化 成均布竖向荷载，水平荷载则简化成节点集中力。 图 4.1 横向框架、纵向框架的荷载从属面积 4.1 计算单元的选择： 根据以上原则选取轴线处的横向框架为计算单元，在轴轴和轴轴 各取一半作为计算单元，其宽度为 6.3m。详见图 4.2 中阴影部分所示。 图 4.2 计算单元 19 4.2 一榀框架计算简图确定 取一榀框架进行计算，此计算说明书所取框架为轴框架。 根据地质资料，确定基础顶面离室外地面为 ，由此求得底层柱高为450m 。在 3.1 中已确定好的构件截面尺寸，计算出各梁柱构件的线刚度后列于图4.90m 4.15 中。其中在计算框架梁截面惯性矩 时应考虑到现浇楼板的影响 5。在框架梁I 两端节点附近，梁承受负弯矩，顶部的楼板受拉，楼板对梁的截面弯曲刚度影响较 小 7；而在框架梁的跨中，梁承受正弯矩，楼板处于受压区形成 形截面梁，楼板T 对梁的截面弯曲刚度影响较大，设计中对边跨梁取 ，中跨梁取oI5.1 （ 为不考虑楼板翼缘作用的梁截面惯性矩） 8。所选取的横向框架见图oI2 4.3。 图 4.3 横向框架计算简图 4.3 竖向荷载标准值计算 竖向荷载分为竖向恒荷载和竖向活荷载两种类型。建筑结构的竖向恒荷载包括 结构的自重和附加在结构上的恒荷载（如构件自重、门窗自重、设备重力等） 。竖 向活荷载标准值根据建筑结构荷载规范查得。 框架结构在竖向荷载作用下的内力计算可近似地采用弯矩分配法，梁上分布荷 20 载由矩形和梯形两部分组成，在求解固端弯矩时可直接根据梁上实际荷载计算，也 可以根据固端弯矩相等的原则，先将梯形分布荷载及三角形分布荷载，转化为等效 均布荷载，接着将所有节点的弯矩进行分配给上、下楼层柱，再传递到柱的远端， 很显然，叠加框架内各节点弯矩并不一定能达到平衡。 必须注意，在求出结构的梁端支座弯矩后，如欲求梁跨中弯矩，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，而不能按等效分布荷载计算。 框架梁在实际分布荷载作用下按简支梁计算跨中弯矩。 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，以备内力组合 时用。 4.3.1 恒荷载作用下的内力计算 楼面，屋面的恒载计算数值在 3.2 以给出详细过程,在这里给出个四层计算详细 过程。直接传给该框架的屋面荷载如图中竖向阴影部分所示。楼板按 45塑性铰将 板得面荷载分别传递给相临的梁，所以作用在梁上的梯形或三角形为板传递过来的， 而矩形则是梁本身的自重。由于纵向框架梁的中心线与柱子的中心线不重合，因此 在框架节点上还作用有集中力矩，以四层为例，具体见图 4.4。 图 4.4 计算单元及荷载传递图 恒荷载作用下各层框架梁上的荷载分布如下图 4.5 所示： 21 图 4.5 各层梁上作用的恒荷载 (1)梁恒荷载计算 边跨梁自重： 0.2563.75/kNm 梁侧粉刷： (.1)0.2.3/ 合计： 4.08/kN 中跨梁自重： .252.81/km 梁侧粉刷： (0.4)0.7.2/N 合计： 3./kN 次梁自重： 0.2542.81/km 梁侧粉刷： (.)0.7.2/N 合计： 3.0/kN (2)四层恒载计算： 次梁恒载计算：次梁上作用着楼面传过来的梯形荷载和自重矩形荷载，详见 图 4.6。 26.18350.219.47/qkNm 22 13.0/qkNm 图 4.6 次梁计算简图 求支座反力：将梁视为简支梁，求出支座反力。 (4.9581).47053.810.57.9F kN 框架梁恒载计算：板传过来的两个三角形，自重矩形和次梁传过来的集中力， 详见图 4.7。 26.18350.973/qkNm47.9Fk 图 4.7 框架梁计算简图 求支座反力：将梁视为简支梁，求出支座反力。 1(0.539.728.5637.9)0.58.F kN 框架梁恒载计算：板传过来的两个三角形和梯形，自重矩形和次梁传过来的 集中力，详见图 4.8。 36.180.512/qkNm297/kN14.5F 图 4.8 框架梁计算简图 求支座反力：将梁视为简支梁，求出支座反力。 2(0.5319.724.086375.9(6.3)10.25).89.7F kN 框架梁恒载计算：板传过来的梯形，自重矩形和两边的框架梁传过来的集中 力，由于纵向框架梁的中心线与柱子的中心线不重合，因此在框架节点上还作用有 23 集中力矩，因为计算单元左右对称所以荷载都乘以 2，详见图 4.9。219.47/qkNm08.35.017e1282MFkNm.9.3.4 图 4.9 框架梁计算简图 框架梁恒载计算：楼面传过来的三角形和自重矩形，详见图 4.10。2104/qkNm3/ 图 4.10 框架梁计算简图 一到三层计算方法同四层，计算结果如下图 4.11 所示。 24 图 4.11 恒荷载作用下结构计算简图 (3)荷载等效： 将梯形或三角形分布荷载按固端弯矩等效的原则转化成均布荷载，转化原理见 图 4.12： 图 4.12 竖向荷载等效 梯形荷载折算公式： 231()epp 其中： ； 为梯形分布荷载的最大值。012l 三角形荷载折算公式： 58ep 其中： 为三角形分布荷载的最大值。p 以四层 CD 跨为例计算：1350.19482234.(0.)19.472./ep kNm 四层中跨： 53.0.178/8e kNm 其它层荷载等效同理，等效后具体数值见图 4.13： 25 图 4.13 恒载作用下荷载等效图 (4)杆的固端弯矩 的计算 由以上所求均布荷载，可按下式求各杆固端弯矩 9： 两端固支： 其中 与 意义见下图 4.14： 2,1ABqlmABm 图 4.14 固端弯矩计算 由此，可计算各个杆件固端弯矩，标绘于计算简图 4.17 上。 (5)分配系数 梁线刚度计算： 3122OCbhiIEl 边跨梁线刚度： 330.56.10()8Ci Em 中跨梁线刚度： 331.24.5CiE 柱线刚度计算： 312OCbhiIl 26 二到四层柱线刚度： 3310.62.710()29C CiEEm 底层柱线刚度： 334i 为了计算方便采用相对线刚度，设边跨梁线刚度为 1 来计算，详见图 4.15。 图 4.15 相对线刚度 单位： 310CEm 由图 4.15 知梁、柱的相对线刚度，弯矩分配系数按下式计算。 iii左 梁梁 左 右 梁左 梁 上 柱 下 柱 iii右 梁梁 右 右 梁左 梁 上 柱 下 柱 iii上 柱柱 上 右 梁左 梁 上 柱 下 柱 iii下 柱柱 下 右 梁左 梁 上 柱 下 柱 0.1柱 下柱 上梁 右梁 左 经计算后弯矩分配系数见图 4.17 所示。 27 (6)弯矩分配法求杆端弯矩（左右对称取一半）详见图 4.16。 图 4.16 弯矩分配 (7)跨中弯矩的计算 四层边跨梁跨中弯矩计算：计算时候把弯矩分配后的弯矩作用在梁两端，再将 荷载布置上，先求出支座反力，近似的认为最大弯矩出现在跨中，在跨中处用截面 法求出跨中弯矩 10，详见图 4.17、图 4.18。219.47/qkNm081.5M27k 28 图 4.17 边跨梁计算简图 求支座反力： 0CM2 218.75.1(4958.)1.47058.17.5408.15DR3kN0yF(4.9581).4705.81.378.96c kNM中 221.57108.750.1579.4(.4)39480.89605M中.kNm中 图 4.18 梁跨中计算简图 四层中跨梁跨中弯矩计算：计算原理同边跨。 20.4/qkNm13.7M 求支座反力： (0.532.403.)521.83DER kN中 2. .23.47. . .30.564M 中08MkNm中 同理，可计算出其他梁的跨中弯矩，结果见表 4.1： 表 4.1 恒荷载作用下的跨中弯矩和梁端剪力 层号 CD 跨中弯矩 CRDDE 跨中弯矩 ER 4 71.95 kNm78.96 k81.13 kN-0.83 km21.83 kN 3 85.65 109.12 10.21.9 18.75 2 86.89 109.98 111.17 1.79 18.99 1 84.03 k101.64 k103.45k-2.12 k16.87k 29 恒荷载作用下的弯矩图 4.19 如下所示： 图 4.19 恒荷载作用下的弯矩图 注： 1.结构荷载为左右对称，左侧数值为梁端弯矩，右侧数值为柱端弯矩。 2.附加弯矩已经加在柱端。 (8)梁端、柱的杆端剪力 上面在求解跨中弯矩时候计算得出的支座反力就是梁中的剪力，已经列在表 4.1 中。 已知柱的两端弯矩，且柱高范围内无其他横向力。可以根据以下公式计算柱的 杆端剪力 ，结果见表 4.2。nbcMVl 30 表 4.2 恒载作用下轴线处柱端剪力 固端弯矩（ ）kNm杆端剪力（ ）kN 柱类型 层号 柱高 （m ） 上 下 上 下 4 3.9 80.75 67.98 -38.14 -38.14 3 3.9 63.35 65.2 -32.96 -32.96 2 3.9 65.76 77.59 -36.76 -36.76 C 轴柱 1 4.9 38.72 19.36 -11.85 -11.85 4 3.9 -62.67 -52.97 29.65 29.65 3 3.9 -52.14 -52.66 26.87 26.87 2 3.9 -52.87 -60.1 28.97 28.97 D 轴柱 1 4.9 -31.84 -15.92 9.75 9.75 恒荷载作用下的剪力图 4.20 如下所示： 图 4.20 恒荷载作用下的剪力图 (9)轴力计算 根据配筋计算需要，只需求出柱的轴力即可，而不需求出梁轴力。以第四层框 架柱边柱（C 柱）的柱轴力为例： 31 柱自重： 0.63.925.1kN 作法： 48 合计： .1. 底层柱： 0.6.925036941k 四层柱顶轴力：上部结构传来的集中力和梁端剪力： 178.960238.9PkN 柱底轴力：加上柱自重： 237.4 三层柱顶轴力：再加上上部结构传来的集中力和梁端剪力： 37.4109.2510.36PkN 柱底轴力：加上柱自重： 45.684 二层柱顶轴力：再加上上部结构传来的集中力和梁端剪力： 5.109.3.78.PkN 柱底轴力：加上柱自重： 678.2. 一层柱顶轴力：再加上上部结构传来的集中力和梁端剪力： 7.01.643.81042.PkN 柱底轴力：加上柱自重： 82.9. 其他层梁端剪力和柱轴力见下表 4.3： 表 4.3 恒载作用下柱中轴力 梁端剪力（kN） 柱中轴力（kN） 柱类型 层号 柱顶集中 力（kN） 左梁 右梁 柱顶 柱底 4 160 78.96 0 238.96 277.24 3 124 109.12 0 510.36 548.64 2 130.18 109.98 0 788.8 827.08 C 柱 1 113.48 101.64 0 1042.2 1090.3 4 179.58 81.13 21.83 282.54 320.82 3 199.78 110.2 18.75 649.55 687.83 2 202.04 111.17 18.99 1020.03 1058.31 D 柱 1 184.16 103.45 16.87 1362.79 1410.89 32 恒荷载作用下的轴力图 4.21 如下所示： 图 4.21 恒荷载作用下的轴力图 4.3.2 活荷载作用下的内力计算 本设计中计算活荷载时候根据建筑荷载规范查得：不上人屋面的活荷载标 准值为 、楼面为 、走廊为 等；在这里给出个四层计20.5/kNm2.0/kNm2.5/kNm 算过程。计算方法同恒荷载，但不考虑结构自重 11。 (1)四层活载计算： 次梁活载计算：荷载布置见图 4.22。 13.0/qkNm 求支座反力： (4.958)1.70.5.14FkN 图 4.22 次梁计算简图 框架梁活载计算：荷载布置见图 4.23。10.57.9/qkNm4Fk 求支座反力： 1(0.5.796325.14)0.381kN 图 4.23 框架梁计算简图 33 框架梁活载计算：荷载布置见图 4.24。10.79/qkNm253.0825/k.4F 求支座反力： 23.81(6.)0825.5.73kN 图 4.24 框架梁计算简图 框架梁活载计算：荷载布置见图 4.25。1.57/qkNm0e12.153.8MFkNm72.01 图 4.25 框架梁计算简图 框架梁活载计算：荷载布置见图 4.26。10.531.6/qkNm 图 4.26 框架梁计算简图 一到三层计算方法同四层，计算结果见表 4.4： 表 4.4 横向框架活载汇总表 边跨梁活荷载 中跨梁活荷 载 楼 层 1 (/)qkNm12()Fk2()FkNem1()Mk2()kNm1(/)qk 四 层 1.575 7.62 11.5 0.175 1.33 2.01 1.65 34 三 层 6.3 30.48 49.66 0.175 5.33 8.69 8.25 续表 4.4 横向框架活载汇总表 边跨梁活荷载 中跨梁活荷 载 楼 层 1 (/)qkNm12()Fk2()FkNem1()Mk2()kNm1(/)qk 二 层 6.3 30.48 49.66 0.175 5.33 8.69 8.25 一 层 6.3 30.48 49.66 0.175 5.33 8.69 8.25 (2)荷载等效 计算原理及方法同恒荷载，下面举四层为例说明。 四层边跨： 1350.194823().571.46/ep kNm 四层中跨： 51.60/8ekNm 其它层荷载等效同理，计算结果详见表 4.5： 表 4.5 横向框架活载的等效均布荷载 楼层 四层 三层 二层 一层 边跨 ep(/)kNm1.46 5.86 5.86 5.86 中跨 1.03 5.16 5.16 5.16 杆的固端弯矩的计算,分配系数（计算原理同恒载） 。 (3)弯矩二次分配（左右对称取一半）：计算结果见图 4.27。 35 图 4.27 弯矩分配 (4)跨中弯矩的计算 方法同恒荷载作用下的跨中弯矩计算结果见表 4.6。 表 4.6 活荷载作用下的跨中弯矩和梁端剪力 层号 CD 跨中弯矩 RC RD DE 跨中弯矩 RE 4 3.96kNm5.08k5.2 kN0.41 km1.36 kN 3 18.5 20.31 20.8 1.6 6.81 2 17.55 20.34 20.77 1.93 6.81 1 18.45k20.24k20.87 k1.23 k6.81 k 活荷载作用下的弯矩图 4.28 如下所示： 36 图 4.28 活荷载作用下的弯矩图 注： 1.结构荷载为左右对称，左侧数值为梁端弯矩，右侧数值为柱端弯矩。 2.附加弯矩已经加在柱端。 (5)梁端、柱的杆端剪力 梁端剪力计算方法与恒荷载的相同数据见上表 4.6。 柱的杆端剪力方法同恒荷载作用下的计算，具体数值见表 4.7。 表 4.7 活载作用下轴线处柱端剪力 固端弯矩 杆端剪力 柱类型 层号 柱高（m） 上 下 上 下 4 3.9 6.74 11.92 -4.78 -4.78 3 3.9 12.33 12.4 -6.34 -6.34 2 3.9 12.92 15.86 -7.38 -7.38 C 轴柱 1 4.9 8.15 4.08 -2.5 -2.5 4 3.9 -5.11 -7.63 3.27 3.27 3 3.9 -9.56 -8.78 4.7 4.7 2 3.9 -9.04 -10.71 5.06 5.06 D 轴柱 1 4.9 -5.87 -2.94 1.8 1.8 37 活荷载作用下的剪力图如图 4.29 所示： 图 4.29 活荷载作用下的剪力图 (6)轴力计算 计算方法同恒荷载，不考虑柱子的自重，柱轴力沿每层柱高保持不变 12，详见 表 4.8。 表 4.8 活载作用下柱中轴力 梁端剪力（ ）kN柱中轴力（ ）kN 柱类型 层号 柱顶集中 力（ ）kN左梁 右梁 柱顶 柱底 4 7.62 5.08 0 12.7 12.7 3 30.48 20.31 0 63.49 63.49 2 30.48 20.34 0 114.31 114.31 C 柱 1 30.48 20.24 0 165.03 165.03 4 11.5 5.2 1.36 18.06 18.06 3 49.66 20.8 6.81 95.33 95.33 2 49.66 20.77 6.81 172.57 172.57 D 柱 1 49.66 20.87 6.81 249.91 249.91 38 活荷载作用下的轴力图如下图 4.30 所示： 图 4.30 活荷载作用下柱的轴力图 4.4 横向荷载作用下的内力计算 横向荷载包括水平风荷载和水平地震作用。在抗震设防区，多高层建筑还要考 虑地震作用，一般情况下应允许在结构两个主轴方向分别考虑水平地震作用计算； 89 度设防时，多高层建筑中大跨度和长悬臂结构应考虑竖向地震作用 13；9 度设 防区应计算竖向地震作用。 4.4.1 横向风荷载作用下框架结构内力和侧移计算 在水平风荷载作用下，其荷载一般都可化为受节点水平集中力的作用。各杆的 弯矩图都是直线，每个立柱一般都有一个反弯点。当然各柱的反弯点未必相同。各 柱的上下端既有水平位移，又有角位移。内力计算采用 D 值法。 (1)风荷载标准值计算 基本风压为 0.4 ，由荷载规范查得 =0.8（迎风面）和 =-0.5（背2/kNmss 风面） 。 作用在屋面梁和楼面梁节点处的集中荷载标准值： 2/0BhwPjizsw 其中基本风压： ；2/40.ko 风压高度变化系数，地面粗糙度为 B 类；z 风荷载体型系数，对于矩形平面 1.3；s s 39 为风振系数，因房屋高度小于 ，所以 风振系数取 1.0；z30mz 下层层高；ih 上层层高，对顶层为女儿墙高度的 2 倍；j B 迎风面的宽度， 。6.3B 将风荷载换算成作用于框架每层节点上的集中荷载，计算过程如表 4.9 所示。 表 4.9 横向风荷载计算 层次 zs)(mzz)/(2mkNo)(2A)(kNPw 顶层 1.0 1.3 15.6 1.15 0.4 19.85 11.87 3 层 1.0 1.3 11.7 1.05 0.4 24.57 13.42 2 层 1.0 1.3 7.8 1.0 0.4 24.57 12.78 底层 1.0 1.3 3.9 1.0 0.4 24.57 12.78 风荷载下的位移计算 (2)风荷载计算简图见图 4.31。 图 4.31 风荷载作用下结构计算简图 抗侧刚度的计算：柱的抗侧刚度就是柱抵抗侧向位移的能力，以下为求解过程。 梁、柱线刚度 在恒荷载计算时候以给出详见图 4.15。 及 的值Kc 40 对于一般层有 ，ciK2431Kc2 对于底层有 ，ci15.0 经计算， 和 结果见表 4.10。 表 4.10 各柱 值和 值Kc A 轴/C 轴柱 B 轴/D 轴柱 楼层 Kc c 4 层 0.4 0.17 0.816 0.29 3 层 0.4 0.17 0.816 0.29 2 层 0.4 0.17 0.816 0.29 1 层 0.51 0.4 1.03 0.5 抗侧刚度 ，经计算，其结果见表 4.11。21jcjhiD 表 4.11 框架柱 D 值（ ）mkN/j C 轴 D 轴 jD 4 层 31.460319.0360.18 3 层 2 层 3. 3. 3. 1 层 124016580594610 (3)风荷载所引起的侧向位移 由弯曲和剪切变形产生的位移 MV 4 层： 331.870.1960MV m 3 层： 33254 2 层： 338.70.61601MV