《混凝土结构设计》doc版.doc

摘 要结构是建筑物的一个重要组成部分，承担着建筑物在施工和使用过程中可能出现的各种情况，如建筑物所受的各种荷载、风荷载和地震作用等。合理的结构设计是建筑物安全、适用、耐久的重要保证。首先根据建筑设计、工艺使用要求、材料供应情况以及场地地质条件等确定结构布置方案，然后选取一榀典型框架进行设计计算。在明确计算简图的前提下，进一步确定框架承受的荷载，包括恒载、屋（楼）面活载、风荷载和地震荷载。采用D值法计算风荷载和地震荷载作用下的内力，采用分层法计算竖向荷载作用下的内力，通过内力组合，选取最不利的内力作为计算依据，对梁、柱等构件进行配筋计算，并对结构在风荷载和地震荷载作用下进行侧移验算。为进一步验证手算结果的精确度，采用PKPM2010行业软件进行机算，并对计算结果进行对比分析。关键词：结构设计 框架结构 结构方案 内力组合Abstract The structure is an important part of the building, are responsible for building the variety of situations that may arise in the construction and use of the process, such as buildings suffered various loads, wind loads and seismic role.Reasonable structural design of the building safe and suitable, durable guarantee.First of all, according to the architectural design, process requirements, material availability and site geological conditions determine the structural layout programs, and then select a typical specimens framework for design and calculation.The explicit calculation diagram under the premise, to further define the framework to withstand the loads, including dead loads, live loads house (floor) surface wind and seismic loads.D value method to calculate wind loads and seismic loads of internal forces, the internal forces stratification under vertical loads, select the most unfavorable combination of internal forces, internal forces as the basis for calculating reinforcement beams, columns and other components calculated, and the structure under wind loads and seismic loads for Drift checking.The accuracy of the results to further verify the hand count, with PKPM2010 industry the software machine operator, and the results were analyzed.Keywords: Structural design Frame structure Structure of the program Internal forces portfolio目 录1 、设计任务11.1 设计条件11.2 任务要求12、工程概况22.1 结构平面柱网尺寸22.2 设计说明23、 结构设计43.1 框架计算简图及梁柱截面尺寸43.1.1 计算单元选取43.1.2 荷载计算43.1.3初估梁柱截面尺寸73.1.4梁柱线刚度及柱抗侧移刚度73.2 框架内力计算83.2.1 恒载和内力计算83.2.2 恒载作用内力计算93.2.3 活荷载作用内力计算153.2.4 风荷载作用下框架的内力及侧移计算233.2.5 水平地震作用计算283.2.6 重力荷载代表值作用下结构内力计算363.3 荷载组合和内力组合413.3.1 横梁内力组合413.3.2柱内力组合443.4 框架梁柱配筋513.4.1 梁配筋513.4.2 柱配筋534、 PKPM564.1PKPM模型：附图如下564.2结构设计信息564.3 周期、地震力与振型684.4 结构位移754.5 对比分析845、 参考文献856、 致谢86某多层混凝土单身公寓楼1 、设计任务该工程为五层单身公寓楼，主体为现浇钢筋混凝土框架结构，建筑物共5层，底层层高3.75m，标准层层高3.3m，女儿墙高0.6m，总高度16.5m，室内外高差0.450m。1.1 设计条件抗震设防烈度7度，地震分组为第一组，II类场地土；基本风压0=0.45KN/m2，雪荷载标准值s0=0.15KN/m2；楼面均布活荷载标准值3.5KN/m2，屋面为不上人屋面活荷载标准值取0.5KN/m2，混凝土采用C25，=11.9N/mm2，=1.27N/mm2，弹性模量=2.8104N/mm2，等效矩形应力图形系数1=1.0，1=0.8,混凝土采用C20，=9.6N/mm2，=1.10N/mm2，弹性模量=2.55104N/mm2；箍筋HPB235级钢筋=210N/mm2，HRB335级钢筋，=300N/mm2，b=0.55；进行框架结构设计。1.2 任务要求 （1）绘制结构施工图。（2）手算结构计算书一份。（3）机算结构计算书一份。2、工程概况该工程为某浇现钢筋混凝土框架结构五层单身公寓楼。2.1 结构平面柱网尺寸图1 结构平面柱网尺寸2.2 设计说2.2.1房间各部分高度1) 层高和净高：底层层高3.75m；标准层层高3.3mm；女儿墙高0.6m2) 室内外高差：0.45m2.2.2 屋面构造说明（从上到下）1) 面层：屋面防水、保温、隔热层2) 现浇楼面层：120mm厚2.2.3 楼面构造说明（从上到下）1) 面层：水磨石面层2) 现浇楼面层：120mm厚2.2.4 墙体说明采用粉煤灰空心砌块外墙370mm厚墙体层，内墙240厚墙体层。2.2.5 女儿墙240mm厚，高0.6m3、 结构设计框架布置对称，建议取其中一品框架作为计算单元进行计算。3.1 框架计算简图及梁柱截面尺寸图3-1 结构轴线尺寸3.1.1 计算单元选取框架布置对称，现取其中一品框架作为计算单元，该单元与其他框架受力完全相同，如图1阴影部分，单元宽度3.60m,计算简图如图3-1所示。3.1.2 荷载计算3.1.2.1 恒荷载标注值1) 屋面荷载屋面防水、保温、隔热 2.91KN/m2现浇楼板 250.12=3KN/m2合计 5.91KN/m22) 楼面荷载结构层：120mm厚现浇楼板 0.1225=3KN/m2抹灰层：10mm厚混合砂浆 0.0117=0.17KN/m2找平层：10mm厚细石混凝土 0.0124=0.24 KN/m2合计 3.41KN/m23) 框架梁自重主梁截面高度按跨度的1/121/8估算，宽度按高度的1/31/2估算，故：取h=（1/121/8）l=475mm713mm 初选h=500mmb=（1/31/2）h=167mm250mm 初选b=250mm 250.50.25=3.125KN/m24) 梁顶线荷载屋面梁 5.913.6+3.125=21.28KN/m2楼面梁 23.413.6+3.125=12.28KN/m23.1.2.2 竖向活荷载标准值1) 屋面活载雪荷载 0.15KN/m2屋面均布活荷载（上人屋面，考虑维护荷载） 0.5KN/m2屋面梁活载 0.53.6=1.8KN/m22) 楼面活载根据设计任务，楼面活荷载标注值取 2KN/m2楼面梁活荷载 23.6=7.2KN/m23.1.2.3 风荷载标准值基本风压为0.45KN/m2，风荷载体型系数迎风面为0.8，被风面为-0.5，综合为=0.8（-0.5）=1.3，风压高度系数按B类地区，如表3-1，房屋高度为17.1m，小于30m，取z=1.0。表3-1 风压高度系数表 离地高度/m5101520111.141.25作用于各楼层处的集中风压荷载标准值=zsz0Bh，z按內差法取值，计算结果如下。5层：z5=（1.25-1.14）（16.95-15）/（20-15）+1.14=1.183Fw5k=1.01.31.1830.453.6（3.3/2）=4.71KN4层：z4=（1.14-1）（13.65-10）/（15-10）+1=1.102Fw4k=1.01.31.1020.453.63.3=7.66KN3层：z3=（1.14-1）（10.35-10）/（15-10）+1=1.01Fw3k=1.01.31.010.453.63.3=7.02KN2层：z2=1Fw2k=1.01.310.453.63.3=6.95KN1层：z1=1 Fw1k=1.01.310.453.6（3.3+3.3+0.45）/2=7.42KN3.1.3初估梁柱截面尺寸(1) 梁截面尺寸 bh=250mm500mm(2) 柱截面尺寸 bn=500mm500mm3.1.4梁柱线刚度及柱抗侧移刚度梁、柱截面惯性矩（），线刚度（）及D值计算如下。表3-2 梁柱线刚度及柱D值计算表项目柱梁一层柱二三四五层柱边柱內柱外柱內柱边跨中跨截面尺寸500500500500500700500700250500250500惯性矩5.211095.211095.211095.211092.601092.60109跨度375037503300330057003000线刚度3.891053.891054.421054.421051.281052.431050.330.950.150.420.340.490.070.171128616265340982805510223378注：底层，其它层；底层，其它层；图3-2 梁柱线相对刚度3.2 框架内力计算3.2.1 恒载和内力计算梁顶线荷载设计值屋面梁 1.221.28=25.54m2楼面梁 1.212.28=14.74m2图3-3 恒荷载计算简图3.2.2 恒载作用内力计算恒荷载为对称荷载，利用结构的对称性，取半榀框架进行计算，计算简图如图3-3。对于两端固定的梁图3-4（a），在均布荷载作用下的杆端弯矩为=-1/12ql2，=1/12ql2，对于一端固定一端为定向支座的梁图3-4（b），在均布荷载作用下的杆端弯矩为=-1/3ql2，=1/6ql2，采用分层计算法计算前，对二层以上各柱线刚度乘以0.9系数。（b) 两端固定梁（a） 有定向支座梁图3-4 梁端弯矩（a）（b）3.2.2.1顶层计算单元 图3-5 恒荷载顶层计算单元3.2.2.2中间层计算单元图3-6 恒荷载中间层计算单元3.2.2.3底层计算单元 图3-7 恒荷载底层计算单元3.2.2.4恒荷载作用下的内力图将计算单元各层的弯矩图叠加，得出最后的弯矩图，并对节点不平衡弯矩再分配一次，轴点不平衡弯矩分配计算表如表3-3，则恒荷载作用下的弯矩图如图3-8；根据弯矩与剪力的关系，算出各杆剪力；根据剪力与轴力的平衡，算出各柱轴力，如表3-4，剪力图如图3-9。1) 弯矩计算表3-3 恒荷载不平衡弯矩二次分配表楼层支座AB杆件号上下右左上下右五层分配系数0.7570.2430.1970.6140.189杆端弯矩52.98-52.9875.89-5.16-20.75不平衡弯矩5.7-0.35弯矩分配-4.3-1.40.080.20.08分配结果54.38-54.3875.97-5.31-19.95四层分配系数0.4310.4310.1390.1230.380.380.117杆端弯矩17.217.2-34.4142.32-1.05-1.05-11.38不平衡弯矩17.665.7-1.71-0.35弯矩分配-10.07-10.07-3.250.250.790.790.24分配结果24.7912.83-37.6642.57-1.98-0.61-11.14三层分配系数0.4310.4310.1390.1230.380.380.117杆端弯矩17.217.2-34.4142.32-1.05-1.05-11.38不平衡弯矩5.75.7-0.35-0.35弯矩分配-4.91-4.91-1.580.090.270.270.07分配结果17.9917.99-35.9842.41-1.13-1.13-11.31二层分配系数0.4310.4310.1390.1230.380.380.117杆端弯矩17.217.2-34.4142.32-1.05-1.05-11.38不平衡弯矩5.79.1-0.35-0.58弯矩分配-6.38-6.38-2.060.110.350.350.12分配结果16.5219.92-36.4742.43-1.05-1.23-11.26一层分配系数0.4550.40.1450.1220.40.3540.124杆端弯矩18.216-34.1142.46-1.16-1.03-11.42不平衡弯矩9.1-0.58弯矩分配-4.14-3.64-1.320.070.230.210.07分配结果23.612.36-32.7942.53-1.51-0.82-11.352) 轴力计算女儿墙自重 3.60.24190.6=15.2KN主梁自重 250.250.55.7=45KN外墙自重3.3m 100.37(3.6-0.5)（3.3-0.5）=32.12KN内墙自重3.3m 100.24(3.6-0.5)（3.3-0.5）=20.83KN柱自重3.3m 250.50.53.3=20.63KN柱自重3.75m 250.50.53.75=23.44KN屋面板自重 5.913.65.7/2=60.64KN楼面板自重 3.413.65.7/2=34.99KN表3-4 梁柱轴力计算表楼层总剪力柱轴力AB跨BC跨AB跨BC跨AB跨BC跨边柱A中柱BA=BB=CA=-BB=CABB=CN顶N底N顶N底595.895.8-4.13091.6799.9395.8326.98388.86520.11581.99464.0464.04-1.13062.9165.1764.04646.97708.85929.58991.46364.0464.04-1.13062.6465.4464.04966.691028.571339.321401.2264.0464.04-1.13062.6465.4464.041286.411348.291749.061810.94164.0464.04-1.71062.3365.7564.041605.821692.32159.112245.59注：=+，=+图3-8 恒载作用下的框架弯矩图图3-9 恒载作用下的框架剪力图3.2.3 活荷载作用内力计算屋面梁活荷载设计值 1.35.30=6.89KN/m楼面梁活荷载设计值 1.311.93=15.51KN/m将活荷载分跨布置在AB、BC、CD跨，用分层法计算，由于活荷载分布在AB、BC跨时对称，所以只需计算活荷载布置于AB、BC跨即可。3.2.3.1活荷载作用于AB跨图3-10 活荷载作用于AB跨计算简图1) 顶层计算单元图3-11 活荷载作用于AB跨顶层计算单元2) 中间层计算单元图3-12 活荷载作用于AB跨中间层计算单元3) 底层计算单元图3-13 活荷载作用于AB跨底层计算单元 将AB跨上各计算单元的各层弯矩图进行叠加，最后得出弯矩图，并对节点不平衡弯矩再分配一次，计算过程同表3-3，得到AB跨的弯矩图，见下图3-14.图3-14 活荷载作用于AB跨剪力表表3-5 AB跨梁端引起的剪力楼层活荷载/KN剪力计算剪力值56.89MB=0-8VA5-6.89881/2+35.88-34.62=0-27.40MA=0-8VB5+6.89881/2+35.88-34.62=027.72415.51MB=0-8VA4-15.51881/2+80.83-79.96=0-61.93MA=0-8VB4+15.51881/2+80.83-79.96=062.15315.51MB=0-8VA3-15.51881/2+81.09-80.20=0-61.93MA=0-8VB3+15.51881/2+81.09-80.20=062.15215.51MB=0-8VA2-15.51881/2+81.21-80.36=0-61.93MA=0-8VB2+15.51881/2+81.21-80.36=062.15115.51MB=0-8VA1-15.51881/2+79.69-78.00=0-61.83MA=0-8VB1+12.99881/2+79.69-78.00=062.25图3-15 活荷载作用于AB跨框架剪力图3.2.3.2活荷载作用于BC跨时的框架内力此时荷载对称，取一半框架进行计算，其弯矩图和轴力图见下图：图3-16 活荷载作用于BC跨计算简图1) 顶层计算单元图3-17 活荷载作用于BC跨顶层计算单元2) 中间层计算单元图3-18 活荷载作用于BC跨中间层计算单元3) 底层计算单元图3-19 活荷载作用于BC跨底层计算单元将BC跨上各计算单元的各层弯矩图进行叠加，最后得出弯矩图，并对节点不平衡弯矩再分配一次，计算过程同表3-3，得到BC跨的弯矩图，见下图3-20.图3-20 活荷载作用于BC跨框架弯矩图 图3-21 活荷载作用于BC跨框架剪力图3.2.4 风荷载作用下框架的内力及侧移计算3.2.4.1 风荷载设计值3.2.4.2 用D值法计算框架弯矩利用D值法计算各柱的剪力，根据各柱剪力值和反弯点高度，求出柱端弯矩，根据节点平衡求出梁端弯矩，根据弯矩与剪力的关系计算梁的剪力。图3-22 左风荷载下的梁柱相对线刚度1) 计算各层柱D值及各柱剪力表3-6 各层柱D值及各柱剪力V计算表层剪力五层 =6.26四层 =18.10三层 =29.00二层 =38.74一层 =50.19柱编号A5A4B5B4A4A3B4B3A3A2B3B2A2A1B2B1A1A0B1B00.2290.4570.2290.4570.2290.4570.2290.4570.3200.640=K/(2+K)0.1030.1860.1030.1860.1030.1860.1030.1860.3530.4321149220752114922075211492207521149220752144251765364488644886448864488641561.122.023.235.825.179.336.9012.4711.2813.812)反弯点高度yh，计算结果见下表3-7：表3-7 各层柱反弯点高度表项目柱号Ky0Iy12y23y3五层A5A40.2290.0451.00001.000.198B5B40.4570.2301.00001.001.012四层A4A30.2290.2151.001.001.000.946B4B30.4570.331.001.001.001.452三层A3A20.2290.401.001.001.001.76B3B20.4570.451.001.001.001.76二层A2A10.2290.5351.001.000.720.052.574B2B10.4570.501.001.000.7202.2一层A1A00.3200.7900.720004.86B1B00.6400.7000.720004.305其中：2为上层层高与本层层高之比，上层较高时为正。3为本层层高与下层层高之比。2) 水平荷载弯矩 M左+M右=LV=Mc1+Mc2Mb1=ib1(Mc1+Mc2)/(ib1+ib2)Mb2=ib2(Mc1+Mc2)/(ib1+ib2)其中：Mc1.Mc2节点上下柱端弯矩Mb1 .Mb2节点左右梁端弯矩图3-23 左风作用下弯矩3.2.4.3 风荷载作用下的侧移验算取刚度折减系数c=0.85，求出框架的实际侧移刚度，风荷载采用荷载标准值。多层框架主要产生剪切型变形，忽略弯曲变形。由公式和算出框架的层间相对侧移和绝对侧移，计算见表3-8。表3-8 层间相对侧移和顶点侧移表位置 层间 顶点相对值限制54.474.47644880.0691.5761/636781/55048.4612.93644880.2011.5071/2189037.7820.71644880.3211.3061/1370726.9627.67644880.4290.9851/1025618.1835.85641560.800.5561/11061由上表可知，风荷载作用下的框架最大层间位移角为1/11061，远小于1/550，满足规范要求。3.2.4.4 风荷载作用下框架结构的内力计算 该框架布置均匀对称，取一榀框架的半榀进行计算，则另半榀框架的内力是计算半榀的相反值。表3-9 梁端剪力及轴力计算层次边 跨中 跨柱 轴 力LL边柱N中柱N54.713.4281.023.423.4280.86-1.020.16411.389.6082.629.609.6082.40-3.640.38316.7116.5484.1616.5416.5484.14-7.800.40221.7021.9385.4521.9321.9385.48-13.250.37129.2925.1086.8025.1025.1086.28-20.050.89其中：柱轴力中德负号表示拉力，正号表示压力； M单位KN/m，V单位KN，N单位KN，L单位m。图3-24 左风作用下剪力及柱轴力3.2.5 水平地震作用计算本工程抗震设防烈度7度，地震分组为第一组，II类场地土，地震加速度6为0.10g，特征周期值=0.35s。3.2.5.1 结构重力荷载代表值计算各层重力荷载代表值取全部楼面恒载、一般活载（雪载）、上下各半层的建筑结构重力计算。1) 五层重力荷载代表值活荷载 雪载 0.152.6524=9.54KN 9.54KN恒荷载 柱自重（4根4.4m） 40.750.7525(4.4/2)=123.75KN 梁自重 2250.30.752.65=29.81KN 250.30.7524=135KN 板自重 5.412.6524=344.08KN 墙自重（240厚） 22.4（4.4/2-0.75）(2.65-0.75)=13.22KN G5=恒+0.5活=650.64KN2) 四层重力荷载代表值活荷载 4.52.6524=286.2KN恒荷载 柱自重 40.750.75254.4=247.5KN 梁自重 2250.30.752.65=29.81KN 250.30.7524=135KN 板自重 2.912.6524=185.08KN 墙自重 22.4(4.4-0.75)(2.65-0.7)=33.29KN G4=恒+0.5活=773.78KN3) 三层重力荷载代表值活荷载 4.52.6524=286.2KN恒荷载 柱自重 40.750.75254.4=247.5KN 梁自重 2250.30.752.65=29.81KN 250.30.7524=135KN 板自重 2.912.6524=185.08KN 墙自重 22.4(4.4-0.75)(2.65-0.7)=33.29KN G4=恒+0.5活=773.78 KN4) 二层重力荷载代表值活荷载 4.52.6524=286.2KN恒荷载 柱自重 40.750.75254.4=247.5KN 梁自重 2250.30.752.65=29.81KN 250.30.7524=135KN 板自重 2.912.6524=185.08KN 墙自重 22.4(4.4-0.75)(2.65-0.7)=33.29KN G4=恒+0.5活=773.78KN5) 一层重力荷载代表值活荷载 4.52.6524=286.2KN恒荷载 柱自重 40.750.7525(4.4+6.15)/2=296.72KN 梁自重 2250.30.752.65=29.81KN 250.30.7524=135.00KN 板自重 2.912.6524=185.08KN 墙自重 22.4（6.15+4.4）/2-0.75(2.65-0.75)=41.27KN G1=恒+0.5活=830.98KN 3.2.5.2 水平地震作用计算1) 结构自振周期采用假象顶点位移法，本框架结构无内部填充墙体，取0=0.7框架假象顶点位移计算见下表3-10。表3-10 框架假想顶点位移计算表层号i5650.64650.64647100.0100.1714773.781424.42647100.0220.1613773.782198.20647100.0340.1392773.782971.98647100.0460.1051830.983802.96637500.0590.0592) 地震影响系数7度抗震设防，地震分组为第一组，二类场地地震加速度为0.10g则有：ma=0.08，=0.35s取结构阻尼比 =0.05则 3) 水平地震作用力及框架侧移验算由于T11=0.4921.4Tg=0.49，应考虑顶部附加水平地震作用，顶部附加水平地震作用系数为：结构总水平地震作用标准值为可得各层水平地震作用标准值为：=830.986.15190.40（1-0.1094）/55267.26=15.68KN=773.7810.55190.40（1-0.1094）/55267.26=25.05KN=773.7814.95190.40（1-0.1094）/55267.26=35.49KN=773.7819.35190.40（1-0.1094）/55267.26=45.94KN=650.6423.75190.40（1-0.1094）/55267.26=47.41KN=47.41+20.83=68.24 （KN）水平地震作用下框架层间侧移计算见表3-11：表3-11 水平地震作用下框架层间侧移计算表位置 相对值限制568.2468.24647101.0551/41711/550445.94114.18647101.7641/2494335.49149.67647102.3131/1902225.05174.72647102.7001/1630115.68190.40637502.9421/2090相对最大值1/1630远小于1/550，满足侧移要求，不需要截面调整。4) 水平地震作用下框架内力计算以图1中轴线横向框架内力计算为例，说明计算方法，其余框架内力计算从略。取地震作用分项系数1.3，计算过程通风荷载内力计算。图3-25 水平地震作用下的梁柱相对线刚度地震荷载设计值：=68.241.3=88.71（KN）=114.181.3=148.43（KN）=149.671.3=194.57（KN）=174.721.3=227.14（KN）=190.41.3=247.52（KN）计算各层柱D值及各柱剪力V，计算见表3-12：表3-12 各层柱D值及各柱剪力V计算表层剪力五层 四层 三层 二层 一层 柱编号A5A4B5B4A4A3B4B3A3A2B3B2A2A1B2B1A1A0B1B0K=ib/2ic0.2290.4570.2290.4570.2290.4570.2290.4570.320.32=K/(2+K)0.1030.1860.1030.1860.1030.1860.1030.1860.3530.432=12ic/h2j11492207521149220752114922075211492207521442517653644886448864488644886415615.8128.5526.4547.7634.6762.6140.4873.0955.5768.00计算各层柱反弯点高度，计算见表3-13:表3-13 各层柱反弯点高度表项目柱号Ky0Iy12y23y3M下M上五层A5A40.2290.131.00001.000.57215.819.0460.52B5B40.4570.281.00001.001.23228.5535.1790.45四层A4A30.2290.281.001.001.001.23226.4532.5983.79B4B30.4570.381.001.001.001.67247.7679.85130.29三层A3A20.2290.4151.001.001.001.82634.6763.3189.24B3B20.4570.451.001.001.001.9862.61123.97151.52二层A2A10.2290.5851.001.000.720.052.79440.48113.1065.01B2B10.4570.521.001.000.7202.28873.09167.23154.37一层A1A00.3200.840-0.720005.16655.57287.0754.68B1B00.6400.700-0.720004.30568.00292.74125.46注：y0,y1,y2,y3由内插法查表可得；单位为m，单位KN，M下M上单位为KN.m所以横向框架在水平地震荷载作用下的弯矩图见下图3-26：图3-26 水平地震作用下弯矩图水平地震作用下框架梁端剪力及轴力计算，见下表：表3-14 梁端剪力及轴力计算层次边 跨中 跨柱 轴 力LL边柱N中柱N560.5245.23813.2245.2345.23811.31-13.221.91492.8382.73821.9582.7382.73820.68-35.173.1831