框架结构毕业设计指导书

'框架结构设计指导书（土木工程专业）二○一四年三月14 第一部分结构设计提纲一、首先要编写结构设计提纲俗话说“纲举目张”，实践证明结构设计提纲是指导结构施工图设计的纲领性文件。结构设计提纲是为开展结构施工图设计工作而编写的．因此，一切有关亊项,相关数据，甚至重大问题的决策过程都应该编写进去。内容包括：（一）工程概况1.建设单位和工程项目的名称，或子项目工程的名称．2.建设地点，该地区的地震烈度．3.结构平面划分区段，每个区段的结构类型、层数,主要使用功能、主要生产设备。4.相邻建筑物的情况和影响关系，施工时深基坑的围护措施和其它注意如项。（二）设计依据1．本工程应遵循的主要结构设计规范的名称和代号。2．察报告3．各种结构设计等级的确定抗震设防烈度、设计近震和远震、建筑物抗震重要性的分类、现浇钢筋混凝土结构的抗震等级；混凝土结构的安全等级；防火的建筑物分类和耐火等级；应用其它规范时的相应等级。4.特殊的设计要求．如耐高温、防渗漏、楼面机械派动、结构或构件的变形限制等。（三）荷载取值1.风荷载、雪荷载、楼面荷载和特殊荷载的标准值,必要时说明其分项系数和组合系数。2.地震荷载的调整系数．例如次长周期（=2～3秒）高层建筑的地震荷载调整系数可取1.5～1.8（自振周期越长、系数越大）。（四）上部结构1.结构选型、根据所设计建筑物的情况，选择适合本建筑物的最佳形式。14 1.温度伸缩缝、沉降缝和防震缝的设置和做法。3.材料（框架结构说明填充材料）。4.主要计算参数5.结构计算原则、方法和手段；手算时应说明其依据或出处；电算时应说明软件的编制单位名称、代号和版本。6.主要构件的截面尺寸和控制配筋率。7.主要构造措施和施工要求。（五）地基基础1．地基处理方法,经处理后采用地基土承载力设计值。采用桩基时单桩竖向承载力标准值或设计值。2．沉降观测的布置和要求,沉降计算方法。3．基础选型。4．基础材料。5．主要计算参数。6．基础计算原则方法和手段：手算时应说明依据或出处；电算时应说明软件的编制单位名称、代号和版本。7．主要构件（或部件）的截面尺寸和控制配筋率。8．主要构造措施和特殊施工要求。（六）其它第二部分结构方案确定及结构计算一、结构体系的选择和结构布置（一）结构体系的选择在设计钢筋混凝土多层及高层地筑结构时．可供选择的结构体系有；框架结构；框架——剪力墙结构；剪力墙结构；框支剪力墙结构；筒体结构和巨型结构等．目前，我国采用较多的是前5种．设计中究竟采用哪种结构体系，要经过方案比较确定，这主要要看拟建筑物的高度、用途和施工条件和经济比较等．如果拟建建筑物为宿舍，高度又比较高，那么自然要选择剪力墙结构。因为居住建筑要有足够的隔墙．如拟建建筑物为厂房或实验室，则最好采用框架结构，因为这类建筑要求开间大，多变，布置灵活，竖向构件越少越好．再如拟建建筑为高层办公楼或公寓，当高度不太高时，宜采用框架——14 剪力墙结构；当高度较高宜采用外框架内核芯筒结构；再高时最好采用筒中筒结构，即采用外框架筒和内核芯筒结构．此类结构外框架筒可以开窗以满足采光要求，在内筒中布置楼电梯井,管道竖井及生活间等．而在竖井周围布置大面积房间作为公用房，隔墙可采用轻质的或采用半隔断的，这样布设灵活、自由，（二）结构布置高层框架结构应在纵横两个方向都布置成框架，不得采用横向为框架、纵向为铰接排架的结构体系。高层建筑结构纵横两个方向都承受很大的水平力，都必须做成多次超静定的抗侧力结构。若纵向做成铰接排架结构是不适宜的。因此，高层框架柱宜采用方形截面或近似于方形截面，截面高度与宽度之比不宜大于1.5。高层框架梁、柱轴线宜在一个平面内，尽量避免梁位于柱的一侧。反之，如果梁偏置，则内力计算中必须考虑附加的偏心弯矩，而且节点构造也要考虑偏心的不利影响。框架的填充墙宜放在框架平面内，砌体墙每隔500-600mm应用2φ6水平拉结钢筋与柱子可靠拉结。当层高大于4m时，在半层高处宜加设一道水平钢筋带。如果建筑上必须将填充墙外贴在柱子上，则每层宜设一道圈梁，并沿柱子全高都要与填充墙用水平拉结钢筋可靠拉结。唐山地震中，北京百货大楼顶层角部外贴砖墙倒坍就是构造不当的典型例子，所以外贴砖墙尽量不采用。在全装配框架中，柱接头比较难处理，特别是层数多、荷载大的情况下，柱的主筋直径大、根数多，焊接工作量大，操作困难；节点的后浇混凝土往往不密实，出现孔洞、间隙。所以，装配式框架宜优先采用预制梁板现浇柱的方案，柱用工具式模板现场浇灌，施工时预制梁可以直接支承在柱内或支承在工具式钢模板上，到达指定强度后拆除柱的模板。预制梁宜采用叠合梁，使楼板锚固在粱的叠合部分中，以加强楼板的整体刚度。高层框架梁柱的混凝土强度不宜低于C25级(25MPa)。柱的混凝土强度一般用C30级以上。当层数多、荷载大时，混凝土强度可用至C40级(40MPa)。节点区的混凝土强度应与柱的混凝土强度一致。因此，最好柱的施工缝留在梁上皮标高上，柱与节点区的混凝土同时浇筑。但目前许多工程的施工方法常常是将柱的施工缝留在梁下皮标高上，节点区的混凝土与框架梁一并浇筑。这种情况下如果梁的混凝土强度低于柱混凝土强度太多，节点区的混凝土强度必然也会低于柱子混凝土强度太多，就会形成节点区的薄弱点，对抗震非常不利。所以，如果没有采用专门措施来浇筑节点区混凝土，有可能使节点区的混凝土强度较低，梁、柱混凝土强度相差不应大于5MPa。14 (三)框架柱的截面尺寸框架柱截面宜采用正方形或接近于正方形，在两个主轴方向上，刚度不宜相差太大，矩形柱的边长比不宜超过1:1.5。柱截面尺寸应考虑以下要求：(1)截面高度不宜小于400mm；截面宽度不宜小于350mm；(2)柱净高与截面高度之比宜大于4，在有抗震设计要求时不得小于3；(3)柱承受的水平剪力应符合以下要求：(无地震作用组合)(1)(有地震作用组合)（4）地震作用和重力荷载共同作用下产生的轴压比应满足表1的要求。抗震等级一二三最大轴压比0.70.80.9初估柱子的轴向力(2)式中—分项系数，取为1．25；当柱的净高与截面长边尺寸之比小于4时，轴压比限值应予减小0．05。Ⅳ类场地土的较高建筑物也应从严控制。不作抗震设计时，柱的轴压比可以放宽至不超过1.0。当轴压比不能满足要求时，首先应考虑加大柱的截面面积，其次可以提高混凝土的强度。框架结构的重量约为12—14，所以在初步设计中，估算柱子截面可按下列公式一单位面积重量，取12—14；S一柱的承载楼面面积()；—截面以上楼层数；—一级、二级抗震设计角柱为1.3，其余情况为1.0；—由于水平力使轴力增大的系数：非抗震设计、6度及7度抗震设计：；8度抗震设计：；9度抗震设计。14 按式(1)决定柱截面是否满足抗剪要求时，初步设计阶段，其剪力可按下式估算(3)式中一楼层剪力；—柱截面面积；—楼层全部柱截面面积；一分项系数，风荷载取为1.4；地震作用取为1.3；—柱剪力的增大系数，按表2取值。为估算柱子的偏心受压承载能力，首先估算柱的弯矩的大约数值(4)式中—层高；一柱弯矩增大系数，按表3取值。的数值表2抗震等级底层以上各层一级二级、角柱二级、一般柱三、四级、非抗震1.951.551.451.001.801.451.201.00的数值表3抗震等级底层以上各层一级二级三、四级、非抗震1.501.501.001.351.101.00轴力可按式(2)估算。然后计算偏心距e和混凝土受压区高度x：14 要求偏心距e满足下式条件：（5）式中—在抗震设计时取为0．8；非抗震设计时不考虑。—柱截面宽度、有效高度；一混凝土轴心受压强度设计值；—钢筋强度设计值。柱截面尺寸满足轴压比要求(表1)、抗剪要求(式(1))、偏心受压要求(式(5))后，大体上认为合适，待正式计算时最后确定。按国内工程实践经验，框架柱底层总截面面积与楼面面积之比大约在1.5％-3％范围内较合适。(四)框架梁的截面尺寸(1)基本尺寸要求框架梁的最小截面尺寸为250mm×400mm，一般情况下，梁高可取为跨度L的1／8~1／12。梁的截面高度不宜大于宽度的4倍。由于要求框架梁柱的轴线尽量处于同一平面内，最大偏心e不应大于柱截面边长的L/4，所以当粱边与柱边相齐时，梁宽至少为柱宽的一半。此外，为保证梁有足够的刚度与柱连为整体，使节点区可靠工作，梁宽宜不小于柱宽的一半。(2)抗剪要求梁的截面尺寸应符合抗剪的要求，在估算梁的截面时，梁的剪力可按下式估算：（6）式中—梁由于直接的重力荷载产生的剪力的标准值；—分项系数，取为1.25；—由于地震作用、风力作用使剪力增大的系数，取1.5-2.5；—14 梁的剪力调整系数，一级抗震时取为1.3；二级取为1.05；其余情况下取1.0。梁的剪力应满足以下条件：无地震组合：有地震组合：(7)式中,取为0.85。(3)抗弯要求梁的弯矩可近似按下式估算(8)式中—由直接静力荷载产生的弯矩标准值；—分项系数，取为1.25；—由于地震作用和风力作用使梁端弯矩增大的系数，可取为1.5—3.0；由此可近似估算其配筋是否超筋：有地震组合(9)无地震组合要求如不能满足最大配筋率的限制，宜加大截面高度。受压区混凝土高度可按下式计算：(10)要求受压区高度不超过0.25(一级抗震设计)和0.35(其他情况)，不满足时宜加大截面尺寸，也可以提高混凝土强度等级。(五)、适宜周期和适宜地震作用力14 当然，上述梁、柱截面尺寸的估计方法还是比较粗略的，只用于方案阶段和初步设计阶段初估截面，以便进行详细的结构计算。进行结构分析、截面设计后，如果设计结果符合下列要求时，可以认为设计是可行的：(1)位移不超过限值；(2)梁抗剪符合要求，没有超筋，受压区高度满足要求；(3)柱抗剪满足要求，没有超筋，轴压比符合要求。另一方面，框架设计是否合理也可以由它的综合指标——自振周期和底部地震剪力反映出来。从国内的设计经验来看，框架的基本自振周期在下列范围内认为是较合理的：式中，为框架的层数。相应地，底部剪力系数在表4范围内较为合适。的适宜范围表4烈度场地789Ⅰ0.01~0.020.0.02~0.040.06~0.08Ⅱ015~0.030.03~0.050.08~0.10Ⅲ0.02~0.040.04~0.080.10~0.15Ⅳ0.03~0.050.06~0.120.15~0.20二、框架结构的计算（一）横向水平地震力计算。1.重力荷载代表值的计算计算地震作用时，建筑物的重力荷载代表值，可按表5取用。重力荷载代表值取值表514 项次荷载类别荷载代表值取值1横载(自重等)100%2雪荷载50%3层面、积灰荷栽50%4屋面活荷载不考虑5楼面荷载当按实际情况计算时取100%,当按等效楼面均布活荷载计算时:对藏书库,档案库取80%。6吊车荷载对软钩吊车取桥架自重100%2.框架在水平荷载作用下的计算在进行内力与位移计算时,现浇楼板可作为框架梁的有效翼缘，每侧翼缘的有效宽度为板厚的6倍，然后按T形截面或L形截面计算梁的惯性矩。为简化计算，也允许按下式计算梁的惯性矩：边框架梁中框架梁式中，为矩形部分的惯性矩。当采用装配式楼盖时，视装配式楼盖与梁连接的整体性，取等于或小于上述数值；当板与梁无可靠连接时，不考虑翼缘的作用，惯性矩按矩形部分计算。①D值法的基本原理D值指框架柱的抗推刚度，即柱子产生单位位移所需施加的水平力。柱子的D值越大，产生单位位移时要施加的水平力就越大。所以在同一楼层中，各柱水平位移相等时，楼层水平力就按各柱的D值分配到各柱上，从而直接求得各柱的剪力。柱剪力求得后，框架全部内力便可由平衡条件逐一求出。用D值法进行框架内力计算的步骤如下：(1)将外荷载产生的楼层剪力巧按备柱的D值比例分配，得柱剪力l。(2)求出柱的反弯点高度y，由几及y可得柱端弯矩。(3)由节点平衡条件，节点上下柱端弯矩之和应等于节点左右粱端弯矩之和，由此求得梁端弯矩。（4）将梁左右端弯矩之和除以梁跨，可得梁的剪力。（5）从上到下，逐层叠加左右梁的剪力，得柱的轴力。14 至此，框架全部内力即可求得。这里的关键问题是如何计算柱的抗推刚度D和如何求出柱的反弯点高度y。②柱子的抗推刚度抗推刚度D是使柱子产生单位水平位移所施加的水平力，即（11）式中—施加在柱上的水平力；—柱子的水平位移。由结构力学的位移法计算单柱(柱端有梁)剪力与位移的关系，可得值的计算公式：（12）式中—层高；—柱的线刚度；—与梁柱刚度比有关的系数，参见文献12计算。当同一层中有个别柱子的高度与一般柱高不等时，特殊柱的抗推刚度可按式（13）计算：（13）式中—按计算的参数；—特殊柱的线刚度，③框架柱的反弯点高度框架柱的反弯点高度按（14）式计算（14）式中—标准反弯点高度；（参见文献12）—上、下层梁刚度不等时的修正值；（参见文献12）—上、下层层高不等时的修正值；（参见文献12）④框架内力的计算1．第i层第j柱的柱剪力按式（15）计算：14 （15）式中—由外荷载产生的第i层层剪力；—第j柱的抗推刚度，按式（12）计算。1．柱端弯矩按式（16）计算：（16）式中—柱的剪力；—反弯点高度，由式（14）计算：2．梁端弯矩按式（17）计算：（17）式中—左梁及右梁的梁端弯矩；—上柱及下柱的柱端弯矩；一左梁及右梁的线刚度。4．梁剪力可由梁左端弯矩与右端弯矩之和除以梁跨求得。5．柱轴力可从上到下逐层叠加左右梁的剪力求得。⑤水平位移的计算高层框架的水平位移，可分为两部分：由于框架梁柱弯曲变形产生的位移和由于柱轴向变形产生的位移（18）可由D值法求得。框架第i层的层间位移为（19）式中一第i层层剪力；—第i层所有柱子D值之和：14 框架的顶点位移为若框架顶点作用有水平力P，边柱轴力为土N，产生水平位移，这时外力作功为，它变为边柱的变形能，由内外功相等的条件可得式中，f（x）是表示顶层柱与底层柱刚度比的函数，为底层柱的刚度。三、框架结构在竖向荷载作用下的计算在竖向荷载作用下的框架内力，作为简化计算方法可用分层法。此时，每层框架梁连同上下层框架柱作为基本计算单元，柱的远端按固定端考虑。竖向荷载产生的梁固端弯矩只在本单元内进行弯矩分配，单元之间不传递。分配完毕后梁的端弯矩可直接采用，柱的弯矩取相邻两个单元中同一柱对应弯矩之和。梁端负弯矩求得后，可以考虑梁端由于塑性变形而产生的内力重分布，将梁端弯矩以降低，同时相应加大梁的跨中弯矩。调幅系数对现浇框架取0.8-0.9；对装配式框架取0.7—0.8。将调幅后的梁端弯矩叠加简支梁弯矩即可得到梁的跨中弯矩。为使梁跨中钢筋不至于过少，保证梁跨中截面有足够的安全度，至少取简支梁弯矩的50％。只有竖向荷载作用下的梁端弯矩可以调幅，水平荷载作用下的梁端弯矩是不允许调幅的，因此，必须将竖向荷载作用下产生的梁端弯矩先行调幅，然后再与水平地震作用或风力产生的弯矩叠加。如果先将它们组合在一起以后再乘上调幅系数，则变成水平地震作用和风荷载产生弯矩予以折减，这是不正确的。由于只进行了梁端弯矩调幅，柱端弯矩未变动，所以节点弯矩之和不再为零。因此，节点的平衡校核必须在调幅之前进行；调幅后，节点的内力不再保持平衡。一般情况下，高层框架的活载比恒载小得多，因此高层框架计算中活载可不考虑其不利布置，按全部满布计算。计算得的梁跨中弯矩可乘以系数1.1—1.2以考虑活载不利布置的影响。14 四、截面设计和配筋构造参见《高层建筑结构设计》教材。三、电算部分说明（一）采用程序的名称及版本（二）输人的主要计算参数（三）整体分析（四）构件分析（五）设计总信息及计算结果保存14'