高层结构设计

课程设计说明书
课程名称：高层建筑结构
设计题目: 现浇钢筋混凝土框架结构办公楼设计
院系：建筑与土木工程学院
学生姓名：
学号：
专业班级：15级土木工程
指导教师：
2018年12月23 日
课程设计任务书
附加资料：
一、基本条件：
某大学行政办公楼，建筑面积约4500m2，无地下室，地上6层，采用柱下独立基础，钢筋混凝土框架结构，平面体型为矩形，开间尺寸和房间进深依据具体情况而定。

如图所示，图中所绘柱网尺寸只是其中一种，每个学生按照各自学号选择计算所用的柱网尺寸。

首层层高3.9m，其余层高为3.3m。

二、其它资料
1、用地概貌：本建筑物所在的场地为中软场地土，地势平坦；无液化土，为抗
震一般地段。

2、建筑场地土类别：Ⅱ类。

3、抗震设防烈度：抗震设防烈度为八度，设防类别为丙类，设计地震分组为第
一组，设计基本地震加速度值为0.20g。

4、基本雪压：0.3kN/m2；
5、基本风压：0.4kN/m2，地面粗糙度类别：B类；
6、基础顶到室外地面距1.2米。

各层恒载，活载标准值如下（计算地震作用时，重力荷载代表值只计算下表所示恒载及活载，不需计算内外墙重）：
三、设计内容及成果要求
1、确定梁、柱截面尺寸及框架计算简图
2、荷载计算与侧移计算
3、荷载作用下的内力分析
4、荷载组合与内力组合
5、选取一榀框架梁、柱截面配筋计算，写出计算书1份，并统一格式A4打印和封面。

6、绘制框架结构模板配筋配筋图（手工绘制2＃图1～2张）
四、设计时间：2周
目录
第一章建筑设计说明部分 (1)
1.1设计资料 (1)
1.2其他资料 (1)
第二章计算简图 (1)
2.1结构布置及结构计算简图的确定 (1)
2.1.1 结构平面布置 (1)
2.1.2确定梁柱截面尺寸 (2)
2.1.3 计算简图确定 (3)
2.2 荷载计算 (3)
2.2.1重力荷载计算（不需要计算内外墙重） (3)
2.2.2框架梁重量 (3)
2.2.3框架柱重量 (4)
2.2.4楼板恒载和活载 (4)
第三章框架结构侧移刚度计算 (5)
3.1横梁线刚度i b计算 (5)
3.2柱线刚度i c计算 (5)
3.3横向侧移刚度计算 (6)
第四章风荷载计算 (6)
4.1 风荷载标准值计算 (6)
4.1.1设计资料 (6)
4.1.2荷载计算 (6)
4.1.3 集中荷载计算 (6)
4.2风荷载下的横向框架内力计算（反弯点法） (8)
4.2.1各柱剪力按刚度分配法计算公式为： (8)
4.2.2各层柱柱端弯矩计算 (8)
4.2.3水平风荷载作用下楼层层间位移验算 (9)
4.3 风荷载框架内力计算 (9)
4.3.1 风荷载弯矩计算 (9)
4.3.2 风荷载剪力计算 (12)
4.3.3 柱轴力计算 (13)
第五章地震荷载计算 (15)
5.1水平地震作用及楼层地震剪力计算 (15)
5.1.1结构等效总重力荷载代表值G eq15
5.1.2横向自振周期计算 (15)
5.1.3地震作用计算 (16)
5.1.4 地震作用标准值F Ek16
5.2多遇水平地震作用下的位移验算 (17)
5.3水平地震作用下框架内力计算 (17)
5.3.1框架柱端剪力及弯矩计算（边柱） (17)
5.3.2 各层柱端弯矩及剪力（中柱） (18)
5.3.3 梁端弯矩，剪力及柱轴力计算 (18)
第六章竖向荷载作用下框架结构内力分析 (19)
6.1计算单元的选择 (19)
6.2 荷载计算 (19)
6.2.1 恒载作用下柱的内力计算 (19)
6.2.2 活载作用下柱的内力计算 (20)
6.2.3 恒载作用下梁的内力计算： (21)
6.2.4 活载作用下梁内里计算 (21)
6.3 竖向荷载作用下框架内力分析 (22)
6.3.1分配系数的计算 (22)
6.3.2恒载作用下的内力计算 (22)
6.3.3活载作用下的内力计算 (24)
6.4 梁端剪力和柱轴力计算 (25)
6.4.1 恒载作用下 (25)
6.4.2 活载作用下 (26)
第七章内力组合 (29)
7.1 框架梁的内力组合 (29)
7.1.1组合原则 (29)
7.1.2 跨间最大弯矩的计算 (30)
7.2 框架柱的内力组合 (30)
7.2.1 横向框架A柱弯矩和轴力组合 (31)
7.2.2 横向框架B柱弯矩和轴力组合 (32)
第一章建筑设计说明部分
1.1设计资料
基本条件：
某大学行政办公楼，建筑面积约4500m2，无地下室，地上6层，采用柱下独立基础，钢筋混凝土框架结构，平面体型为矩形，开间尺寸3900mm，房间进深AB=CD=6000mm，BC=2700mm。

首层层高3.9m，其余层高为3.3m。

1.2其他资料
1、用地概貌：本建筑物所在的场地为中软场地土，地势平坦；无液化土，为
抗震一般地段。

2、建筑场地土类别：Ⅱ类。

3、抗震设防烈度：抗震设防烈度为八度，设防类别为丙类，设计地震分组为
第一组，设计基本地震加速度值为0.20g。

4、基本雪压：0.3kN/m2；
5、基本风压：0.4kN/m2，地面粗糙度类别：B类；
6、基础顶到室外地面距1.2米。

各层恒载，活载标准值如下（计算地震作用时，重力荷载代表值只计算下表所示恒载及活载，不需计算内外墙重）：
第二章计算简图
2.1结构布置及结构计算简图的确定
2.1.1 结构平面布置
如图2.1所示。

选择KL-5作为计算单元
图2.1 结构平面布置图
2.1.2确定梁柱截面尺寸
楼板厚度h=3600/40=97mm，取h=120mm。

AB,CD梁的跨度L=6000mm，可取其跨度进行计算.取L=6000mm， h=(1/10～1/18)L=333mm～600mm，取h=500mm。

b=500×( 1/2～1/3)=167～250mm，取b=200mm。

满足b>200mm
故AB,CD框架梁初选截面尺寸为：b×h=200mm×500mm。

BC跨取200mm×400mm。

纵向连系梁：L=3600mm,故次要框架梁初选截面尺寸为：b×h=200mm×400mm 。

框架柱：本框架结构的抗震等级为二级，查《建筑抗震设计规范》可知，框架柱的轴压比限值μN=0.75，f c为混凝土轴心抗压强度设计值，采用C30混凝土，查得f c=14.3N/mm2。

柱组合的轴压力设计值：N=βnAG E,( G E=14KN/m2)。

柱截面尺寸Ac≥N/μN f c。

边柱：N=βnAG E=1.3×6×13.5×14=1474.2kN。

Ac≥N/μN f c=1474.2×103/（0.75×14.3）=137454.55mm2
取截面尺寸500mm×500mm
中柱：取截面尺寸500mm×500mm
梁截面尺寸
2.1.3 计算简图确定
图2.1.3计算简图2.2 荷载计算
2.2.1重力荷载计算（不需要计算内外墙重）
2.2.2框架梁重量
2.2.3框架柱重量
2.2.4楼板恒载和活载
面积： A=(3.9-0.2)×(6.0-0.2) ×24+(3.9-0.2)×（2.4-0.2）×12=612.72m2恒载：612.72×3.5=2144.52kN
活载：612.72×2.0=1225.44kN
（1）一层重力荷载代表值：
G1=G
恒+0.5G
活
=（390+156）×1.05+374.4×1.05+1267.5×1.05+0.5×（2144.52+1255.44） =3982.275kN
(2)二～五层重力荷载代表值
G2−5=G
恒+0.5G
活
=（390+156）×1.05+374.4×1.05+686.4×1.05+0.5×（2144.52+1225.44） =3372.12kN
（3）第六层重力荷载代表值
恒载：4×612.72=2450.88kN
活载：2×612.72=1225.44kN
G1=G
恒+0.5G
活
=（390+156）×1.05+374.4×1.05+686.4×1.05+0.5×（2450.88+1225.44） =3525.3kN
集中于各楼层标高处的重力荷载代表值G i的计算结果如图2.2
图
2.2各质点重力荷载代表值
第三章框架结构侧移刚度计算
3.1横梁线刚度i b计算
3.2柱线刚度i c计算
3.3横向侧移刚度计算
∑D 1/∑D 2=25814.59/15493.11>0.7，故该框架为规则框架。

第四章 风荷载计算
4.1 风荷载标准值计算 4.1.1设计资料
基本风压：
2
0.40/kN m ο
ω
=，地面粗糙度类别为B 类。

房屋高度H=20.4m <30m 且H/B=20.4/14.7=1.388<1.5，所以不考虑风振系数。

4.1.2荷载计算
风荷载近似按阶梯形分布，首先应将其简化为作用在框架节点上的节点荷载。

作用在屋面梁和楼面梁节点处的集中风荷载标准值：
0k z s z ωβμμω=
例如第一层风荷载标准值：1ω =0.8×1×0.4=0.32，计算结果见下表
沿房屋高度风荷载标准值（KN/m ）
4.1.3 集中荷载计算
为简化计算，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
见下表，Z 为框架节点至室外地面的高度，A 为一榀框架每层节点的受风面积，计算公式：0k z s z ωβμμω=A 。

层次 z β s μ
0w
Z μ
k z s z ωβμμω=
A(m 2) P K (kN)=
A ×k ω 6 1.0 0.8 0.40 1.39 0.45 5.94 2.67 5 1.0 0.8 0.40 1.23 0.39 11.88 4.63 4 1.0 0.8 0.40 1.13 0.36 11.88 4.28 3 1.0 0.8 0.40 1.00 0.32 11.88 4.27 2 1.0 0.8 0.40 1.00 0.32 11.88 4.27 1
1.0
0.8
0.40 1.00
0.32
13.50
4.32
故风荷载下的计算简图为：
风荷载计算简图
4.2风荷载下的横向框架内力计算（反弯点法） 4.2.1各柱剪力按刚度分配法计算公式为：
1
ij
ij pi s
ij
j D V V D
==
∑
式中，pi V ——为该平面框架i 层总剪力； ij V ——为i 层第j 根柱分配到的剪力； ij D ——为i 层第j 根柱的抗侧刚度； 1s
ij j D =∑——为i 层s 根柱的抗侧刚度之和。

4.2.2各层柱柱端弯矩计算
第6层： V=2.67kN
边柱剪力：65862.26
2.67 1.0101549
3.11V kN =
⨯=
中柱剪力：69630.85
2.67 1.6601549
3.11
V kN =⨯=
第5层： V=4.63+2.67=7.3kN
边柱剪力：55862.26
7.3 2.76215493.11V kN =
⨯=
中柱剪力：59630.85
7.3 4.53815493.11
V kN =⨯=
第4层： V=4.78+7.3=12.08kN
边柱剪力：45862.26
12.08 4.57115493.11V kN =
⨯=
中柱剪力：49630.85
12.087.50915493.11
V kN =⨯=
第3层： V=4.27+12.08=16.35kN
边柱剪力：35862.26
16.35 6.18615493.11
V kN =
⨯=
中柱剪力：39630.85
16.3510.16415493.11
V kN =
⨯=
第2层： V=4.27+16.35=20.62kN
边柱剪力：25862.26
20.627.80215493.11V kN =
⨯=
中柱剪力：29630.85
20.6212.81815493.11V kN
=⨯=
第1层： V=4.32+20.62=24.94kN
边柱剪力：15862.26
24.949.43715493.11V kN =
⨯=
中柱剪力：19630.85
24.9415.50315493.11
V kN =⨯=
4.2.3水平风荷载作用下楼层层间位移验算
表4.2.3
最大层间弹性位移角e θ=1/17284＜1/550，满足规范要求。

4.3 风荷载框架内力计算 4.3.1 风荷载弯矩计算
近似取上部各层柱子的反弯点在柱子中点，因为底层柱的底端为固定端，底层反弯点设在1
23
h 处。

根据各柱分配到的剪力及反弯点位置yh 计算第i 层第j 个柱端弯矩
上端弯矩： M t ij =V ij h （1-y ） 下端弯矩： M b ij = V ij hy
各柱柱端弯距见下表：（单位：KN·m）表4.3.1
下9.44×2.6=24.54 15.50×2.6=40.30
当计算出了框架在水平力作用下的柱端弯矩值后，求梁端弯矩时，由柱端弯矩，并根据节点平衡来求。

对于边跨梁端弯矩：M
bi =M t
ij
+M b
j
i,1+
对于中跨，由于梁的端弯矩与梁底线刚度成正比，因此，
M l
bi =（M t
ij
+M b
j
i,1+
）
r
b
l
b
l
b
i
i
i
+
M r
bi
=（M t
ij
+M b
j
i,1+
）
r
b
l
b
r
b
i
i
i
+
t
ij
M
l
b
i r
b
i
l
bi
M r
bi
M
b
i+1j
M
，
层次
AB跨BC跨
左端右端左端右端
6 1.6
7 2.740.5 1.37
⨯= 1.37 2.74
5 1.67+4.55
=6.22
(2.747.49)0.5 5.12
+⨯= 5.12 5.12
4 4.55+7.54
=12.09
(7.4912.39)0.59.94
+⨯=9.94 9.94
3 7.54+10.21
=17.75
(12.3916.76)0.514.58
+⨯=14.58 14.58
2 10.21+12.87
=23.08
(16.7621.15)0.518.96
+⨯=18.96 18.96
左风荷载弯矩图如下：
图4.3.1 左风荷载弯矩图（单位：KN·m）4.3.2 风荷载剪力计算
左风荷载剪力图如下：
图4.3.2 左风荷载剪力图（单位：KN）4.3.3 柱轴力计算
柱的轴力以受压为负，受拉为正。

表4.3.3
左风荷载轴力图如下：
图4.3.3 左风荷载轴力图（单位：KN）
注：右风荷载作用下的内力与左风荷载下的内力大小相等方向相反
第五章地震荷载计算
5.1水平地震作用及楼层地震剪力计算
本结构高度不超过40m，质量和刚度沿高度分布比较均匀，变形以剪切变形为主，故可用底部剪力法计算水平地震作用。

5.1.1结构等效总重力荷载代表值G eq
G eq=0.75∑G i
=0.75×（3982.275+3372.12×4+3525.3）
=15747.04kN
5.1.2横向自振周期计算
则自振周期为：T1=1.7α0√∆
α为考虑结构非承重砖墙影响的折减系数，对于框架取0.6；∆为框其中
架顶点假想水平位移，计算简表5.1.2。

表5.1.2
则自振周期为: T1=1.7α0√∆=1.7×0.6×√4.579=2.18(s)
5.1.3地震作用计算
查表得二类场地，第一组的特征周期值为T g=0.35s，7度多遇地震时αmax=0.16。

α1=（T g/T1）0.9αmax
=（0.35/2.18）0.9
×0.16
=0.03
5.1.4 地震作用标准值F Ek
F Ek=α1
G eq
=0.03×15747.04
=472.41kN
因1.4T g=1.4×0.35=0.49s<T1=2.18s，所以应考虑顶部附加水平地震作用，顶部附加地震作用系数：
δn=0.08T1+0.07=0.08×2.18+0.07=0.244
∆F6=0.244×472.41=115.27kN
各质点横向水平地震作用按下式计算：F i=G i H i F Ek（1-δn）/∑G k H k
地震作用下各楼层水平地震层间剪力V i为：V i=∑F k（i=1，2,3…）
计算过程见表5.1.3
表5.1.3
5.2多遇水平地震作用下的位移验算
水平地震作用下框架结构的层间位移∆μi和顶点位移μi分别按下式计算：
∆μi=V i/∑D ijμi=∑（∆μ）
k
各层的层间弹性位移角θe=∆μi/ℎi，根据《建筑抗震设计规范》，考虑砖填充墙抗侧力作用的框架，层间弹性位移角限值[θe]<1/550。

计算过程见表5.2.
表5.2
由此可见，最大层间弹性位移角发生在第二层，1/562<1/550，满足要求。

5.3水平地震作用下框架内力计算
5.3.1框架柱端剪力及弯矩计算（边柱）
V ij=D ij V ij/∑D ij M ij b=V ij×yh M ij u=V ij（1-y）h
计算过程见表5.3.1
表5.3.1
5.3.2 各层柱端弯矩及剪力（中柱） 计算过程见表5.3.2 表5.3.2
5.3.3 梁端弯矩，剪力及柱轴力计算
M b l =i b l （M i+1，j b +M ij u ）/（i b l +i b r ） M b r =i b r （M i+1，j b +M ij u ）/（i b l +i b r
） V b =（M b l +M b r ）/L N i =∑（V b l −V b r ）k
计算过程见表5.3.3 表5.3.3
第六章竖向荷载作用下框架结构内力分析
6.1计算单元的选择
取KL-5进行计算，由于楼面荷载均匀分布，所以取两轴线中线之间的长度为计算宽度。

计算简图如下：
6.2.1荷载分布 6.1 计算简图
6.2 荷载计算
6.2.1 恒载作用下柱的内力计算
恒载作用下框架梁上荷载分布如图6.2.1。

第6层：q1，q1’分别为AB跨和BC跨横梁自重，为均布荷载。

q1=0.25×0.5×25=3.13 KN/m q1’=0.25×0.4×25=2.5 KN/m q2和q2’分别为AB跨屋面板和BC跨屋面板传给横梁的荷载，AB跨为梯形荷载，BC跨为三角形荷载。

q2=4×3.6=14.4 KN/m q2’=4×2.8=10.8 KN/m
P1, M1, P2，M2分别为通过纵梁传给柱的板自重，纵梁自重所产生的集中荷
载与集中力矩。

P1=4×1.82/2×2+0.25×0.4×25×3.6=21.96 KN
P2=[1.82/2×2+(0.45+1.8) ×1.35/2] ×4+0.25×0.4×25×3.6=28.04 KN 集中力矩：M1=P1e1=21.96×（0.6-0.25）/2=3.84 KN·m
M2=P2e2=28.04×（0.6-0.25）/2=4.91 KN·m
第1-5层：
q1=0.25×0.5×25=3.13 KN/m q1’=0.25×0.4×25=2.5 KN/m q2=3.5×3.6=12.6 KN/m q2’=3.5×2.7=9.45 KN/m
P1=3.5×1.82/2×2+0.25×0.4×25×3.6=20.34 KN
P2=[1.82/2×2+(0.45+1.8) ×1.35/2] ×3.5+0.25×0.4×25×3.6=25.66 KN 集中力矩：M1=P1e1=20.34×（0.6-0.25）/2=3.56 KN·m
M2=P2e2=25.66×（0.6-0.25）/2=4.49 KN·m
6.2.2 活载作用下柱的内力计算
第6层：q1=2×3.6=7.2 KN/m q1’=2×2.7=5.4 KN/m
P1=[1.82/2×2+（5.7+2.1）×1.8/2]×2=20.52 KN
P2=[1.82/2×2+(5.7+2.1) ×1.8/2+(0.45+1.8) ×1.35/2×2] ×2=26.60 KN 集中力矩：M1=P1e1=20.52×（0.6-0.25）/2=3.60 KN·m
M2=P2e2=26.60×（0.6-0.25）/2=4.66 KN·m
第1-5层：q2=2×3.6=7.2 KN/m q2’=2×2.7=5.4 KN/m
P1=[1.82/2×2+（5.7+2.1）×1.8/2]×2=20.52 KN
P2=[1.82/2×2+(5.7+2.1) ×1.8/2+(0.45+1.8) ×1.35/2×2] ×2=26.60 KN 集中力矩：M1=P1e1=20.52×（0.6-0.25）/2=3.60 KN·m
M2=P2e2=26.60×（0.6-0.25）/2=4.66 KN·m
恒载作用下计算结果汇总表:
活载作用下计算结果汇总表：
6.2.3 恒载作用下梁的内力计算：
框架梁上的恒载包括框架梁自重和楼板自重，框架梁自重为均匀荷载，AB 跨和CD跨的楼板自重传到框架梁上为梯形，BC跨的楼板自重传到框架梁上为三角形荷载，在这些荷载作用下，框架梁的固端弯矩等效于荷载与梯形，三角形荷载的叠加。

第6层：α=a/2=1.8/3.6=0.5
-M AB=q1l22/12+q2l12(1-2α2+α3)
=3.13×3.62/12+14.4×3.62×（1-2×0.52+0.53）
=120.02 KN·m
-M BC=q1l22/12+5q2l22/96
=2.5×2.72/12+5×10.8×2.72/96
=5.62 KN·m
第1-5层：-M AB=q1l22/12+q2l12(1-2α2+α3)
=3.13×3.62/12+12.6×3.62×（1-2×0.52+0.53）
=105.44 KN·m
-M BC=q1l22/12+5q2l22/96
=2.5×2.72/12+5×9.45×2.72/96
=5.11 KN·m
6.2.4 活载作用下梁内里计算
AB跨和CD跨的楼板上的活载传到框架梁上为梯形，BC跨的楼板上活载传到框架梁上为三角形，在活载作用下框架梁的固端弯矩为:
第6层：-M AB=q2l12(1-2α2+α3)
=7.2×3.62×（1-2×0.52+0.53）
=58.32 KN·m
-M BC=5q2’l22/96
=5×5.4×2.72/96
=2.05 KN·m
第1-5层：-M AB=q2l12(1-2α2+α3)
=7.2×3.62×（1-2×0.52+0.53）
=58.32 KN·m
-M BC=5q2’l22/96
=5×5.4×2.72/96
=2.05 KN·m
6.3 竖向荷载作用下框架内力分析
6.3.1分配系数的计算
以第六层为例
S A=（2.74+9.8）×1010=12.54×1010
S B=（2.74+9.8+2.88）×1010=15.42×1010
A=9.8/12.54=0.78
μ
下柱
A=2.74/12.54=0.22
μ
右梁
B=9.8/15.42=0.64
μ
下柱
B=2.88/15.42=0.18
μ
右梁
B=2.74/15.42=0.18
μ
左梁
6.3.2恒载作用下的内力计算
上柱下柱左梁左梁上柱下柱右梁
6.3.3活载作用下的内力计算
6.4 梁端剪力和柱轴力计算 6.4.1 恒载作用下
以第6层为例，第6层荷载引起的剪力 V A =V B =(3.13×5.7+14.4×3.9)/2=37 KN V B =V C =(2.50×2.7+10.8×1.35)/2=10.67 KN 弯矩引起的剪力很小，忽略不计。

A 柱：N 顶=21.96+37=58.96 KN 柱重：0.6×0.6×3.3×25=29.7 KN N 底=N 顶+29.7=88.66 KN
B 柱：N 顶=28.04+37+10.67=75.71 KN N 底=N 顶+29.7=105.41 KN 表6.4.1 恒载作用下梁端剪力及轴力
6.4.2 活载作用下
以第6层为例，第6层荷载引起的剪力
V A=V B=7.2×3.9/2=14.04 KN
V B=V C=5.4×1.2/2=3.24 KN
A柱：N
底=N
顶
=20.52+14.04=34.56 KN
B柱：N
底=N
顶
=26.6+14.04+3.24=37.8 KN
表6.4.2 活载作用下梁端剪力及轴力
弯矩图如下：
图6.4.1 恒载作用下弯矩图
图6.4.2 活载作用下弯矩图
第七章内力组合
7.1 框架梁的内力组合
7.1.1组合原则
1. 考虑3中内力组合，即 1.2S GK+1.4S QK,1.35S GE+1.0S QK及1.2S GE+1.3S EK ,考虑到钢筋混凝土结构具有塑性内力重分布的性质，在竖向荷载下可以适当降低梁端弯矩进行调幅（调幅系数取0.8），以减少弯矩钢筋的拥挤现象。

ηvb为梁端剪力增大系数，三级取1.1.
表7.1.1 梁的内力组合和梁端剪力调整
7.1.2 跨间最大弯矩的计算
7.2 框架柱的内力组合
取每层柱顶和柱底两个控制截面，组合结果见表7.2.1和7.2.2。

表7.2.1
表7.2.2
33。