四层框架结构设计计算书(毕业设计)

框架结构课程设计任务书
一、设计题目
某商业批发楼
二、工程概况
某商业批发楼为三层全现浇框架结构，建筑面积为1582m2。

三、设计条件
1、地质情况：地基土由素填土，砂砾石，弱风化基岩组成，第一层土为素填土，层厚1.5～1.7m，地基承载力标准值为120KN/m2，第二层为砂砾石，层厚8.5～8.8m，地基承载力标准值为250KN/m2，第三层为弱风化基岩，地基承载力标准值为350KN/m2，场地类别为Ⅱ类，场地地下15.00m深度范围内无可液化土层。

地下水位标高为690m，水质对砼无侵蚀性。

拟建场地地形平缓，地面绝对标高700.00m。

2、抗震设防为：8度、0.2g、第一组。

3、楼面活荷载标准值为3.5KN/m2。

4、基本风压w
0＝0.60KN/m2（地面粗糙度属B类），基本雪压S
＝0.8KN/m2
（n＝50）。

5、材料强度等级为：砼强度等级为C25，纵向钢筋为HRB335级，箍筋为HPB235级。

6、屋面作法：（自上而下）SBS防水层（0.4KN/m2）,30厚细石砼找平（24KN/m3）,陶粒砼找坡（2%、7KN/m3）,125厚加气砼块保温（7KN/m3）,150厚现浇钢筋砼板（25KN/m3）,吊顶或粉底（0.4KN/m2）。

7、楼面作法：（自上而下）水磨石地面（0.65KN/m2），150厚现浇钢筋砼板(25KN/m3)，吊顶或粉底（0.4KN/m2）。

8、门窗作法：均采用铝合金门窗。

9、墙体：外墙为250厚加气砼块，外贴面砖内抹灰；内墙为200厚加气砼块，两侧抹灰。

10、室内外高差450mm，初定基础底面标高为-2m，初估基础高度为1m，底层柱高5.5m。

四、设计内容
1、结构布置及截面尺寸初估；
2、荷载计算；
3、内力及侧移计算；
4、内力组合及内力调整；
5、截面设计。

第二节框架结构课程设计指导书及实例
一、设计资料
规范：《混凝土结构设计规范》 GB 50010－2002 简称《砼设计规范》《建筑结构荷载规范》 GB 50009－2001简称《荷载规范》
《建筑结构抗震设计规范》 GB 50011－2001简称《抗震规范》手册：《静力计算手册》
《砼结构计算手册》
《抗震设计手册》
图集：《建筑抗震构造图集》97G329（一）～（九）
二、结构方案
（一）结构体系
考虑该建筑为商业批发楼，开间进深层高较大，根据《抗震规范》第 6.1.1 条，框架结构体系选择大柱网布置方案。

（二）结构抗震等级
根据《抗震规范》第 6.1.2条，该全现浇框架结构处于8度设防区，总高度12.84m，因此属二级抗震。

（三）楼盖方案
考虑本工程楼面荷载较大，对于防渗、抗震要求较高，为了符合适用、经济、美观的原则和增加结构的整体性及施工方便，采用整体式双向板交梁楼盖。

（四）基础方案
根据工程地质条件，考虑地基有较好的土质，地耐力高，采用柱下独立基础，并按《抗震规范》第6.1.14条设置基础系梁。

三、结构布置及梁柱截面初估
1、结构布置
2、各梁柱截面尺寸初估：
（1）框架梁
根据《抗震规范》第6.3.1条，梁宽不小于200mm，梁高不大于4倍梁宽，梁净跨不小于4倍的梁高，又参考受弯构件连续梁，梁高h=（1/8～1/12）L，梁宽b=（1/2～1/3）h 。

（2）框架柱
根据《抗震规范》第6.3.6条，柱截面宽度b不小于300mm，柱净高与截面高度之比不宜小于4，《抗震规范》第6.3.7条，二级抗震等级框架柱轴压比限值为0.8 。

框架梁，柱截面尺寸板初估。

KL h=（1/8～1/12）L=（825~550）mm
b=（1/2～1/3）h=(412~275)mm
故取梁截面尺寸（300×600）mm
柱KZ N=1.25PkF=1.25×12×6.6×6×4=2376KN
A=N/0.75fc=189700mm2
故柱截面尺寸b×h=600×600mm
板厚 h=(1/40~1/45) ×6000=150~133mm
故取板厚h=150mm
框架梁的计算跨度以柱形心线为准，由于建筑轴线与柱形心线重合，而外墙面与柱外边线齐平，故①轴，⑧轴，A轴，C轴梁及填充墙均为偏心125mm，满足《抗震规范》6.1.5条规定。

四、荷载计算
1、屋面荷载标准值
SBS防水层 =0.40KN/m2
30厚细石砼找平层 24×0.03=0.72KN/m2
陶粒砼并找坡 0.03+(0.03+0.02×7.8)/2×7=0.0.756KN/m2
125厚加气砼块保温 7×0.125=0.875KN/m
150厚现浇钢筋砼板 25×0.15=3.75KN/m2
吊顶 =0.40KN/m2
屋面恒载标准值小计 =6.91KN/m2
屋面活荷载标准值《雪荷》 =0.80KN/m2
2、楼面荷载标准值：
地板砖地面 =0.60KN/m2
150厚现浇砼板 25×0.15=3.75KN/m2
吊顶 =0.40KN/m2
楼面恒载标准值=4.75KN/m2
楼面活载标准值 =4.50KN/m2
3、楼面自重标准值
包括梁侧、柱侧抹灰，有吊顶房间梁不包括抹灰。

例： L1：b×h=0.3×0.6 净长 6m
均布线荷载为25×0.3×0.6=4.5KN/m; 重量为4.5×6 =27KN
Z1：b×h=0.6×0.6 净长4.2m;
均布线荷载25×0.6×0.6＋0.02×4=9.08KN/m;
4、墙体自重标准值
外墙体均采用250厚加气砼块填充，内墙均采用200厚加气砼块填充。

内墙抹灰，外墙贴面转，面荷载为：
250厚加气砼墙： 7×0.25+17×0.02+0.5=2.59KN/m2
200厚加气砼墙： 7×0.2+17×0.02×2=2.28JKN/m2
240厚砖墙砌女儿墙：18×0.24+17×0.02+0.5=5.16KN/m2
五、内力及侧移计算
〈一〉水平地震作用下框架的侧移计算 1、 梁、柱的线刚度
因本例采用现浇楼盖，在计算框架梁的截面惯性矩时，对边框架梁取I=1.5 I 0〈I 0为矩形梁的截面惯性矩〉；对中框架梁取I=2.0I 0，采用C30混凝土，E c =3.00×104N/mm 2
C40混凝土 Ec=3.25×104
N/mm 2 I 0=121bh 3=121×0.3×0.63=5.5×10-3
m 4 I b =2.0I 0=2×5.4×10－3
=10.8×10－3m 4 梁的线刚度为：
K b =E C I b /L=（3.25×104×10.8×10－3）/6.6=5.3×104
KNm 横梁线刚度计算见表7－4。

〈2〉柱的线刚度
柱的线刚度计算见表7-5。

表7-5 柱的线刚度表
2.横向框架柱侧向刚度
横向框架柱侧向刚度计算见表7－6。

3、横向框架自振周期
按顶点位移法计算框架的自振周期
max 017.1∆=αT
式中: 0α—考虑填充墙影响的周期调整系数,取 0.6～0.7,本工程中横墙较少取
0.6 ；
max ∆---框架的顶点位移。

横向框架顶点位移的计算见表7－7。

1 1.70.60.36T =⨯=
4. 横向地震作用
由《抗震规范》5.1.4条查得，在Ⅱ类场地，8度区，结构的特征周期Tg 和地震影响系数max α为：35.0=g T （S ） 16.0max =α
因为 10.36g T T => 所以 112max (/)0.12g T T γαηα==
因为g T T 4.145.01>=，所以 δn=0.顶部附加地震作用为：0==∆EK n n F F δ
eq EK G F 1α==0.12×0.85×32985=2473.5KN
各质点的水平地震作用标准值、楼层地震作用、地震剪力及楼层间位移计算过程见表7－8。

表中： )1(1n EK i
i
i i F H
G H G F δ-=∑ ∑=∆D V U i e /
表7-8 i F 、i Y 和e U ∆的计算
横向框架各层水平地震作用地震剪力分布见图7-6。

5、横向框架抗震变形验算
首层θ
e =Δu
e
/h
i
=0.01/5.8=1/1160≤[θ
e
]=1/550
层间相对位移的限制满足规范要求
同理可进行纵向框架变形验算，在此略
（二）水平地震作用下，横向框架的内力计算
以③轴横向框架为例进行计算。

在水平地震作用下，框架柱剪力及弯矩计算采用D值法，其计算结果见表7－9。

表7-9 水平地震作用③轴框架剪力及弯矩标准值
注：表中 V ik—第I层第K号柱的剪力
y—反弯点高度系数，y=y0+y1+y2+y3，y0、y1、y2、y3均查表求得，y值计算见表7－10。

M下--柱下端弯矩，M下=V ik yh
M上--柱上端弯矩。

M上= V ik（1-y）h
表7-10 y值计算
表 7-11 地震力作用下框架梁端弯矩，剪力及柱轴力
注：轴力拉为－，压为＋。

（三）恒载作用下的内力计算
恒载作用下的内力计算采用弯矩二次分配法，由于框架梁上的分布荷载由矩形（g i‘）和梯形荷载（g i“）两部分组成，根据固端弯距相等的原则，先将梯形荷载化为等效均匀荷载，等效均匀的计算公式见《静力计算手册》。

计算简图见图7-8。

1.框架梁上梯形荷载化为等效均布荷载
q
id
=(1-2α2+α3)q; α=a/L=4/6.6=0.455
四层q3d=g
3’+（1-2×α2+α3）g
3
”=4.06+（1-2×0.4552+0.4553）×
41.7=32.46KN/m
三层q2d=g
2’+（1-2×α2+α3）g
2
”=4.06+（1-2×0.4552+0.4553）×
28.8=23.64KN/m
二层q2d=g
2’+（1-2×α2+α3）g
2
”=4.06+（1-2×0.4552+0.4553）×
28.8=23.64KN/m
一层q1d=g
1’+（1-2×α2+α3）g
1
”=23.64KN/m
2、恒载作用下的杆端弯矩
本工程框架结构对称，荷载对称，故可利用对称性进行计算。

(1)固定端弯矩的计算
M F A3B3=- M F B3A3=-1/12q
3d
L2=-1/12×32.46×6.62=-117.83KNm
M F A2B2=- M F B2A2=-1/12q
2d
L2=1/12×23.64×6.62=-85.81KNm
M F A2B2=- M F B2A2=-1/12q 2d L 2=1/12×23.64×6.62=-85.81KNm M F A1B1=- M F B1A1= M F A2B2=-85.81KNm （2）分配系数：
分配系数计算见表7-12。

（3） 杆端弯矩计算（计算过程见图7-9） （4） 恒载作用下的框架弯矩图
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（如图8a ）按平衡条件计算，而不能按等效分布荷载计算
简支梁：均布荷载下跨中弯距＝qL 2/8=4.06×6.62/8=22.11KNm
梯形荷载下跨中弯距＝qL 2/24（3-4α2）=41.7×6.62(3-4×0.4552)/24=164.22KNm
合计跨中弯距＝164.22＋22.11＝186.33KNm
四层：M AB =-56.5
×0.8=-45.44KNm; M BA =148.5×0.8=-118.8KNm 跨中弯距＝186.33-（45.44+118.8）/2=186.33-82=104.33KNm 同理：二、三层跨中弯距＝71.08KNm; 一层跨中弯距＝73.62KNm
3 、梁端剪力计算
恒载作用下梁端剪力计算过程见表7－13。

表7-13 恒载作用下梁端剪力计算
4、柱轴力计算
柱轴力计算见表7-14。

表7-14 恒载作用下柱轴力计算
（四）活荷载作用下的内力计算 1、活荷载作用下的弯矩计算
因本工程为商业批发楼，活荷载分布比较均匀，所以活荷载不利分布考虑满布法，内力计算可采用弯矩二次分配法，但对梁跨中弯矩乘1.1～1.2的增大系数。

（1）将框架梁上梯形荷载化为等效均匀活荷载
四层： q 3d =（1-2α2+α3）q 3=（1-2×0.4552+0.4553）×4.5=3.06KN/m 一 二 三层: q 1d =q 2d =（1-2α2+α3）q 1=（1-2×0.4552+0.4552）21=14.28KN/m （2） 固端弯矩计算
四层： M F =-121q 3d L 2=-121
×3.06×6.62=-11.1KNm 一 二 三 层：M F =-121q 1d L 2=-121×14.28×6.62=-14.28KNm
（3）杆端弯矩计算
杆端弯矩计算过程见图7-11。

（4）.活荷载作用下的框架梁跨中弯矩计算；
M 4跨中=1.2[-0.8*(5.85+10.98)/2+1/24× 4.51× 6.62×（3-4×0.45452
）]=11.94KNm
M 3跨中=1.2[-0.8*(10.29+16.27)/2+1/24×21× 6.62×（3-4×0.45452）]=86.59KNm
M 2跨中=1.2[-0.8*(10.29+16.27)/2+1/24×21× 6.62×（3-4×0.45452）]=86.59KNm
M 1跨中=1.2[-0.8*(8.9+16.98)/2+1/24×21×6.62×（3-4×0.45452）]=87KNm 注:0.8*为弯距调幅系数。

2、活荷载作用下的梁端剪力计算
活荷载作用下的梁端剪力计算过程见表7－15。

注： 表内剪力按调幅前、后的大者取用。

3、活荷载作用下柱轴力计算
活荷载作用下A 柱轴力计算见表7-16。

六、内力组合及调整
<一>框架梁的内力组合
在恒载和活荷载作用下，跨间M MAX 可近似取跨中的M 代替。

M MAX =81qL 2
-（M 左+M 右）/2
式中 M 左、M 右---梁左右端弯矩。

跨中M 若小于161ql 2，应取M=161ql 2
在竖向荷载与地震力组合时，跨间最大弯矩M GE 采用数解法计算。

如图7－13所示。

M EA ，M EB ---水平地震作用下梁端弯矩；
R A ，R B ---竖向荷载与地震荷载共同作用下的梁端反力。

对R B 作用点取矩，R A =qL/2-1/L （M GB - M GA + M EA + M EB ） x 处截面弯矩为：M=R A x-qx 2/2-M GA + M EA
由dM/dx=0。

可求得跨间M MAX 的位置为x 1=R A /q
将X 1代入任一截面x 处的弯矩表达式，可求得跨间最大弯矩为 M MAX =M GE =R A 2/2q-M GA +M EA =qx 2/2-M GA +M EA 当右震时，公式中M EA 、M EB 反号。

M GE 及x 1的具体数值见表7－17。

GE i
注：①当x 1>L 或x 1<0时，表示最大弯矩发生在支座处，应取x 1=L 或x 1=0，
用M=R A x-qx 2
/2-M GA ±M EA 计算M GE ；
②表中恒载和活荷载的组合，梁端弯距取调幅后的数值； ③表中q 值按1.2（恒＋0.5活）计算。

梁内力组合见表7－18。

（二）框架柱内力组合
框架柱取每层柱顶和柱底两个控制截面，A 柱内力组合见表7－19。

B 柱内力组合见表7－20。

表7-18 框架梁内力组合
（三）内力调整 1、强柱弱梁要求
根据《抗震规范》6.2.2条，梁柱节点处的柱端弯距设计值应符合下式要求：
∑∑=b c c
M M
η
式中
∑c
M ＿节点上下柱端截面顺时针或反时针方向组合的弯距设计值之和，
上下柱端的弯距设计值，可按弹性分析分配；
∑b
M ＿节点左右梁端截面顺时针或反时针方向组合的弯距设计值之和；
c η＿柱端弯距增大系数，一级取1.4；二级取1.2；三级取1.1。

具体计算过程详表7－21。

表7－21梁柱节点处柱端弯距调整计算表
注：表中∑∑=b c c cu cu M M M η' ；∑∑=b c c
cd cd M M M η'，M 使杆端顺时针转动为＋。

2、强剪弱弯的要求
为保证梁柱的延性，梁端及柱端的抗剪能力应大于抗弯能力。

（1）《抗震规范》6.2.4条规定：二级框架梁端截面组合的剪力设计值应按下式调整。

Gb n r b l
b vb V l M M V ++=/)(η
式中：Gb V －梁在重力荷载代表值作用下，按简支梁分析的梁端截面剪力设计值；
l b M 、r b M －分别为梁左右端反时针或顺时针方向组合的弯距设计值；
vb η－梁端剪力增大系数，二级取1.2。

具体计算过程详表7－22。

表7－22
梁端剪力设计值调整计算表
注：2/5.0(2.1n Gb l V 活）恒＋=， M 使杆件顺时针转动为＋。

（2）《抗震规范》6.2.5条规定：二级框架柱的剪力设计值应按下式调整。

n t c b c vc H M M V /)(+=η
式中：t c M 、b c M －分别为柱的上下端顺时针或反时针方向组合的弯距设计值； vc η－柱剪力增大系数，二级取1.2；
n H －柱净高 。

具体计算过程详表7－23。

注：M 使杆件顺时针转动为＋，V 使杆件顺时针转动为＋。

（3）底层柱柱底弯距的调整
根据《抗震规范》6.2.3条二级框架结构的底层，柱下端截面组合的弯距设计值，应乘增大系数1.25。

底层柱纵向钢筋宜按上下端的不利情况配置。

故A 柱 G ＋E ：N ＝1075.2×1.25＝1344KN G －E ：N ＝675×1.25＝843.75KN B 柱 G ＋E ：N ＝1448.4×1.25＝1810.5KN G －E ：N ＝1448.4×1.25＝1810.5KN。