许昌市某小学教学楼建筑设计计算书

'┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊1.建筑设计1.1设计依据1国家现行结构设计规范、规程。2国家行业标准及地方结构设计规范、规程。3华北水利水电学院土木与交通学院2006年土木工程专业设计任务书。1.2工程概况该工程是许昌市某小学教学楼，交通方便，各种材料供应及时。要求建筑面积2000㎡，建筑层数四层。建筑场地平坦，无障碍物，地下无古代建筑物。地质情况良好，地基土以粘性土为主，承载力特征值为200KN/㎡，该区抗震设防烈度为7度近震。基本风压0.40KN/㎡，基本雪压0.40KN/㎡。使用功能是普通教室，兼顾必要的辅助用房，要求能容纳1500人上课。1.3拟定方案1.教学楼平面形状选择根据建筑结构利于抗震、传力明确、便于施工等要求，该教学楼平面应该规则，对称，刚度均匀。常见形状有L形，凹形，工字形，一字形等。如果设计成一字形，虽然结构简单，但是长度太大，需要设沉降缝，凹形，工字形构造复杂需要采取加强措施或其它构造做法，就会增加成本，提高施工难度，延缓工期，增大不安全系数。因此选用L形教学楼。2.内廊式与外廊式的选择教学楼单层建筑面积500㎡左右，考虑到是小学教学楼，小学生比较爱打闹，需要较大的活动空间，再一方面，小学生正处于生长发育阶段，需要经常晒晒太阳，因此设成外廊式。外廊是单边置房，该结构是现在多数小学教学楼常用形式。外廊式与内廊式相比，采光较好，缺点是高宽比大，横向刚度小。3.砌体结构与框架结构第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊砌体结构是较经济的，但整体性不如框架结构，砌体结构容易产生不均匀沉降，产生裂缝，墙体高厚比限制严格，可以做到六层住宅楼，但因墙体开洞，做大开间教室，将明显降低抗震性能，四到五层教学楼还不多见。框架结构整体性好，施工速度快，空间组合方便，门窗尺寸较大，非常适合教学楼。4.基础形式框架结构常见基础形式有，柱下独立基础，条形基础，筏形基础，箱形基础，桩基础等。本教学楼建筑地基条件较好，并且荷载不是非常大，采用独基。5.剖面设计主要分析教学楼部分的应有高度、建筑层数、建筑空间的组合利用，以及建筑剖面中的结构、构造关系等。室内净高考虑：使用性质（满足视听）、采光通风、结构类型（墙体稳定及梁板厚度）、室内空间比例（精神舒适要求）。确定层高。层高不宜过高，太高将会增加建筑物重量，提高抗震要求，增加防火难度，增加经济费用；层高不能太低，必须满足最小净高要求，教学楼层高一般在3.3～4.2m之间。楼梯平台上部及下部过道处净高不应小于2.0m，梯段净高不应小于2.2m。1.4建筑说明1）.根据以上要求，作出如下方案（见图1.2），该方案为框架结构、外廊式L字形教学楼，基础为独立基础。2）.以柱子定轴线，教室开间进深6.60m，办公室3.30m。3）.每个教室座位布置如图。每个教室可容纳大约50-56人。4）.共四个教室，最多200人同时上课，假定所有教室都上课的概率味70%，即每层通常约140人。每个楼梯出口要承担约70人的交通量，按二级防火疏散要求，走廊楼梯净宽要满足1.0m/百人。故楼梯间设为3.6m，走廊净宽约2.4m。5）.按二级防火要求，楼梯出口到袋形走廊最远端的门距离小于22.0m，中间两个楼梯出口之间的距离小于35.0m。本方案满足要求。6）.教学楼长约42.6m，人数较多，故两端设厕所，厕所门不宜对准教室门，以防气味。厕所地面应低于同层教室地面。7）.为了教师教学管理，以及备课，课间休息，每层安排2个办公室。8）.为了防潮和预防洪水季节雨水进入室内，设室内外高差，且室内地面以下宜用粘土砖砌筑。9）.为了采光通风满足要求，尽量使走廊两侧的门对应。窗洞高一律2.1m，宽采用2.1m，1.8m，1.5m，窗台高0.9m。10）.屋面防水采用二级或三级柔性防水,上人，雨水管间距12-16m。第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊图1-1教室布置图图1-2建筑方案图第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊11）.梁尺寸估算横梁高，取500mm，横梁宽，取250mm。纵梁高。取600mm，纵梁宽，取300mm。12）.柱子尺寸估算总高度按15.0m算，小于30m现浇框架结构，设防烈度7度，查抗震设计规范，该框架为三级抗震，最大轴压比0.9。假定采用C30混凝土，查得，假定柱子截面为450mm×450mm，每平方米荷载为，则柱子最大轴压力则柱子轴压比即柱子能满足估算要求，故暂定柱子尺寸450mm×450mm。1.5建筑等级说明1.根据建筑抗震设计规范,本工程为丙类建筑.2.本工程安全等级为二级，设计使用年限为50年.3.本工程抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度值为0.10g;设计地震分组为第一组;场地类别为Ⅱ类.4.建筑物抗震等级:框架为三级.5.本工程地基基础设计等级为丙级.6.本工程地下工程防水等级为二级.7.防水砼设计抗渗等级:卫生间、屋面部位的板为S6.8.本建筑物防火等级为二级.9.砼结构的环境类别:主体±0.00以下为二(a)类,±0.00以上为一类,室外构件为二(a)类.1.6建筑设计说明及构造做法1.本教学楼占地面积552㎡,要求建筑面积2000㎡,实际建筑面积1505㎡.2.长度单位毫米—（mm），标高单位米—（m）。3.本工程共四层，室内外高差0.45ｍ,首层室内地坪标高±0.000，建筑层高3.6ｍ。净高约3.1ｍ，建筑总标高15.0ｍ，离地面高度15.45m。第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊4．以柱子定轴线,当墙体、梁、柱子一侧须对齐时,只偏移梁和墙.5.建筑材料:现浇的框架柱、梁、板、楼梯间混凝土均为C30，梁柱受力筋HRB335，箍筋HPB235，所有的板钢筋HPB235，外墙加气混凝土砌块250mm宽，内墙加气混凝土砌块200mm.±0.00以下墙体用普通砖砌筑，室内勒脚墙体亦用砖砌筑。6．卫生间地面低于同层楼地面20mm，向地漏找坡3%.地面采用陶瓷锦砖，小便池采用釉面砖铺面，墙体采用2000mm高釉面砖墙裙.7．地面做法采用水磨石地面见图集98ZJ001—5—11总厚110mm.8．楼面做法采用水磨石楼面见图集98ZJ001—15—6总厚30mm,自重0.65KN/㎡.9.踢脚做法采用水磨石踢脚见图集98ZJ001—23—16总厚25mm,高120mm.10.内墙面做法采用混合砂浆见图集98ZJ001—30—5总厚20mm.11.外墙面做法采用混合砂浆见图集98ZJ001—41—3总厚20mm,为了美观可粉刷彩色涂料.12.走廊与楼梯间设墙裙,做法采用釉面砖墙裙见图集98ZJ001—37—5总厚25--26mm.13.天花板做法采用混合砂浆见图集98ZJ001—41—3总厚12mm,自重0.24KN/㎡.14.屋面做法采用98ZJ001—78—6,总厚234mm,自重2.60KN/㎡,上人,有保温层.15.四层楼梯间设有通向屋顶的通道，屋顶要开检修孔1000×1000。16.楼梯间现浇结构,梯间窗户要采用维护栏,楼梯栏杆做法采用98ZJ401—W—5,扶手98ZJ401—8—27,起步98ZJ401—6—28，防滑98ZJ401-1-29。17.散水散水宽度600mm，做法98ZJ001—69---1。18．落水管直径100mm。19.台阶做法98ZJ001---65---320.门窗表第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊门窗表编号名称数量洞口宽×高图集号页码型号备注M-1门391000×240088ZJ6017—M24-1024夹板门M-2门16800×240088ZJ6017—M22-0824C-1窗82100×210098ZJ72193-ATLC70-17铝合金推拉窗C-2窗722400×210098ZJ721119-ATLC70-46C-4窗172100×210098ZJ72194-ATLC70-56注:做法引注“××××----×××----××”分别表示“引用的图集号----所在图集的页码----所采用的做法方案”。1.7参考书籍1.中南地区通用建筑标准设计.建筑配件图集.20022.中华人民共和国工程建设标准强制性条文.房屋建筑部分.2002年版3.河南省通用建筑标准设计.建筑构造用料做法.4.中华人民共和国国家标准建筑抗震设计规范GB50011—2001混凝土结构设计规范GB50010—2002建筑地基基础设计规范GB50007—2002建筑防火规范GB50045--95混凝土结构设计规范GB50010—2002建筑结构荷载规范GB50009--20015.民用建筑设计通则JGJ37--876.混凝土结构设计.沈蒲生.梁兴文.北京：高等教育出版社。2003.3建筑抗震设计.郭继武.北京：中国建筑工业出版社.2002房屋建筑构造.杨金铎.北京：中国建材工业出版社.2003.8第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊2.框架结构设计(KJ-6)2.1．设计资料：（1）工程名称：许昌市某小学教学楼。（2）工程概况：平面尺寸为46.2m×25.8m，4层，每层层高3.6m，室内外高差为0.45m，走廊宽度为2.4m。设计使用年限为50年。（3）基本风压：，地面粗糙程度为B类。（4）基本雪压：，。（5）7度抗震设防，二类场地，设计分组第一组。地质情况良好。（6）结构形式：外廊式框架结构要求选择合理结构型式，进行结构布置，并设计计算。2.2结构方案2.2.1结构选型本建筑只有四层，开间较大，根据建筑设计方案，以及抗震设防要求，楼面屋面楼梯均采用现浇结构，以增加结构的整体性，增加净高。基础采用柱下独立基础。2.2.2结构布置结合建筑施工图，结构平面布置图如下。框架结构中，梁跨度一般5～8m较为经济，本建筑柱距取为6m，楼梯间取为4.2m，3.6m。为了房间分割方便，以及减小楼面板厚度与配筋，梁跨中间加连梁。第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊2.2.3建筑材料选用：各种现浇的框架梁、柱、板均采用混凝土C30,板受力钢筋HPB235,梁、柱受力筋HRB335,箍筋HPB235.外墙加气混凝土砌块250mm宽，内墙加气混凝土砌块200mm。加气混凝土砌块重度7.0kN/m3.2.3梁、柱尺寸估算横梁高，取500mm，横梁宽，取250mm。纵梁高。取600mm，纵梁宽，取300mm。建筑总高度按15.0m算，小于30m现浇框架结构，设防烈度7度，查抗震设计规范，该框架为三级抗震，最大轴压比0.9。假定采用C30混凝土，查得，假定柱子截面为450mm×450mm，每平方米荷载为，则柱子最大轴压力则柱子轴压比即柱子能满足估算要求，故暂定柱子尺寸450mm×450mm。2.4确定框架计算简图框架计算单元见结构图2.1的阴影部分，取框架KJ-6进行计算。底层柱高从基础顶面算指二层楼面，室内外高差450mm，基础顶面到室外地坪面取500mm，则底层柱高为3.6+0.45+0.50=4.55m。其他柱高按层高计算。第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊图2-1结构平面布置图图2-22-2剖面图第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊2.5梁柱线刚度计算混凝土C30，，现浇框架结构梁惯性矩取中框架梁，边框架梁，线刚度左边跨梁=右边跨梁=左底层柱：（F-E轴）右底层柱（D轴）其余各层柱：令，则其余各杆件的相对线刚度为：框架梁柱的相对线刚度如图2.3所示，作为计算各节点杆端弯矩分配系数的依据。第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊图2-3计算简图2.6荷载计算2.6.1恒载标准值计算1）屋面2.62)各走廊楼面3)标准层楼面3.824）梁自重梁自重抹灰层：10厚混合砂浆合计：梁自重抹灰层：10厚混合砂浆合计：第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊基础梁：梁自重5）柱自重柱自重抹灰层：10厚混合砂浆合计：6)外纵墙自重标准层：纵墙：铝合金窗：水刷石外墙面：水泥粉刷内墙面：合计：底层：纵墙：铝合金窗：水刷石外墙面：水泥粉刷内墙面：合计：7）内横墙自重横墙：水泥粉刷内墙面：合计：8）内纵墙自重标准层：内纵墙：铝合金窗：水泥粉刷墙面：合计：第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊底层：内纵墙：铝合金窗：水泥粉刷墙面：合计：9）栏杆自重2.6.2活荷载标准值计算1）屋面和楼面活荷载标准值根据《荷载规范》查得：上人屋面：2.0楼面：教室2.0走廊2.52）雪荷载屋面活荷载与雪荷载不同时考虑，两者中取大值.2.7竖向荷载下框架受荷总图1）D-E轴间框架梁荷载传递示意图如图2-4所示恒载=梁自重=2.592)E-F轴间框架梁屋面板传荷载恒载：活载：楼面板传荷载恒载：第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊活载：图2-4板传荷载示意图E-F轴间框架梁均布荷载为：屋面梁恒载=梁自重+板传荷载=2.59+17.31=19.9活载=板传荷载=6.0楼面梁恒载=梁自重+板传荷载=2.59+11.46=14.05活载=板传荷载=6.03）D轴柱纵向集中荷载的计算顶层柱女儿墙自重：（做法：墙高600mm，100mm的混凝土压顶）顶层柱恒载=女儿墙自重+梁自重+板传荷载==80.822.8风荷载计算作用在屋面梁和楼面梁节点处的集中风荷载标准值：第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊确定式中各系数的值：基本风压；因结构高度H=15.45m<30m,高宽比H/B=30/25.8=1.16〈1.5，故；本结构平面为L形，取，风压高度变化系数可以根据各楼层标高处的高度，查表求得标准高度的值，再用线性差值法求得各层高度的值。图2-5竖向受荷总图图2-6恒载作用下M图（KN.m）计算过程见下表：表2-1第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊2.9风荷载作用下的位移验算2.9.1侧移刚度横向2—4层D值的计算表2-2横向底层D值的计算表2-32.9.2风荷载作用下框架的侧移计算水平荷载作用下框架的层间侧移可按下式计算：第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊式中第一层的层间侧移值求出以后，就可以计算各楼板标高处的侧移值的顶点侧移值，各层楼板标高处的侧移值是该层以下各层层间侧移之和。顶点侧移是所有各层层间侧移之和。j层侧移顶点侧移图2-7恒载作用下N图（KN）图2-8恒载作用下V图（KN）第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊框架在风荷载作用下侧移的计算见下表：风荷载作用下框架侧移计算表2-4侧移验算：层间侧移最大值1/4136<1/550(满足)图2-9活载作用下M图（KN.m）图2-10活载作用下N图（KN.m）图2-11活载作用下V图（KN.m）第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊2.10水平地震作用计算该建筑物的高度为14.4m<40m,以剪切变形为主，且质量和刚度沿高度均匀分布，故可采用底部剪力法计算水平地震作用。2.10.1重力荷载代表值的计算屋面处重力荷载代表值=结构和构配件自重标准值+0.5雪荷载标准值楼面处重力荷载代表值=结构和构配件自重标准值+0.5楼面活荷载标准值其中结构和构配件自重取楼面上下各半层层高范围内（屋面处取顶层的一半）的结构和构配件自重。1）屋面处的重力荷载代表值的计算女儿墙的重力荷载代表值的计算屋面板结构层及构造层自重标准值：顶层的墙重：第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊2)其余各层楼面处重力荷载标准值计算3)底层楼面处重力荷载标准值计算4）屋顶雪荷载标准值计算5）楼面活荷载标准值计算6)总重力荷载标准值计算屋面处：楼面处：第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊底层楼面处：2.10.2框架柱抗侧刚度D和结构基本自振周期计算1）横向D值的计算横向2～4层D值计算表2-5横向首层D值计算表2-62）结构基本自振周期计算①用假想顶点位移计算结构基本自振周期，计算过程如下表：假想顶点侧移计算结果表2-7结构基本自振周期考虑非结构墙影响折减系数，则结构的基本自振周期为：第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊②用能量法计算结构的基本自振周期计算公式为：计算过程如下表：表2-8将数字代入上述公式得：③用经验公式计算结构的基本自振周期取2.10.3多遇水平地震作用计算由于该工程所在地区抗震设防烈度为7度，场地土为Ⅱ类，设计地震分组为第一组，查表得：由于故故不考虑顶部附加地震作用的影响。质点i的水平地震作用标准值，第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊楼层地震剪力及楼层层间位移的计算过程如下表：表2-9楼层最大位移与楼层层高之比：满足位移要求。2.10.4刚重比和剪重比验算为了保证结构的稳定和安全，需分别按公式和公式进行结构刚度比和剪重比验算。各层刚度比和剪重比表2-10注:一栏中，分子为第j层的重力荷载代表值，分母为第j层的重力荷载设计值。刚重比计算用重力荷载设计值，剪重比计算用重力荷载代表值。由表可知，各层的刚重比均大于20，不必考虑重力二阶效应；各层的剪重比均大于0.016，满足剪重比的要求。2.10.5框架地震内力计算框架各柱的杆端弯矩、梁端弯矩按下式计算，计算过程如下表：第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊　中柱边柱横向水平地震荷载作用下F轴框架柱剪力和柱端弯矩的计算表2-11横向水平地震荷载作用下E轴框架柱剪力和柱端弯矩的计算表2-12横向水平地震荷载作用下D轴框架柱剪力和柱端弯矩的计算表2-13第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊2.11重力荷载代表值的计算(1)作用于屋面处均布重力荷载代表值计算(2)作用于楼面处均布重力荷载代表值计算(3)由均布荷载代表值在屋面处引起固端弯矩(3)由均布荷载代表值在楼面处引起固端弯矩重力荷载代表值下FE跨梁端剪力计算表2-14第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊重力荷载代表值下ED跨梁端剪力计算表2-15重力荷载代表值下F柱轴力计算表2-16重力荷载代表值下E柱轴力计算表2-17第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊重力荷载代表值下D柱轴力计算表2-18图2-12横向水平地震作用下M图（KN.m）图2-13横向水平地震作用下N图（KN）图2-14横向水平地震作用下V图（KN）第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊图2-15重力荷载代表值作用下M图（KN.m）图2-15重力荷载代表值作用下M图（KN.m）2.12风荷载标准值作用下的内力计算框架在风荷载（从左向右吹）下的内力用D值法（改进的反弯点法）进行计算。其步骤为：1)求各柱反弯点处的剪力值；2)求各柱反弯点高度；3)求各柱的杆端弯矩及梁端弯矩；4)求各柱的轴力和梁剪力。第i层第m柱所分配的剪力为：，，为第i层楼面处集中风荷载标准值。为第i层第m根柱的抗侧刚度。框架柱自柱底开始计算的反弯点位置与柱高之比y=可查表求得，计算结果如下表：第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊F轴框架柱反弯点位置表2-19E轴框架柱反弯点位置表2-20D轴框架柱反弯点位置表2-21风荷载作用下F轴框架柱剪力和梁柱端弯矩的计算表2-22风荷载作用下E轴框架柱剪力和梁柱端弯矩的计算表2-23第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊风荷载作用下D轴框架柱剪力和梁柱端弯矩的计算表2-24风荷载作用下框架柱轴力与梁端剪力表2-252.13内力组合各种荷载情况下的框架内力求得后，根据最不利又是可能的原则进行内力组合。当考虑结构塑性内力重分布的有利影响时，应在内力组合之前对竖向荷载作用下的内力进行调幅。分别考虑恒荷载和活荷载由可变荷载效应控制的组合和由永久荷载效应控制的组合，并比较两种组合的内力，取最不利者。由于构件控制截面的内力值应取自支座边缘处，为此，进行组合前，应先计算各控制截面处的（支座边缘处的）内力值。梁支座边缘处内力值:式中支座边缘截面的弯矩标准值；支座边缘截面的剪力标准值；梁柱中线交点处的弯矩标准值；与相应的梁柱中线交点处的剪力标准值；梁单位长度的均布荷载标准值；第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊梁端支座宽度（即柱截面高度）。柱上端控制截面在上层的梁底，柱下端控制截面在下层的梁顶。按轴线计算简图算得的柱端内力值，宜换算到控制截面处的值。为了简化起见，也可采用轴线处内力值，这样算得的钢筋用量比需要的钢筋用量略微多一点。2.13.1梁端弯矩最不利内力组合第4层梁端控制截面弯矩不利组合表2-26注：弯矩值均为梁端截面弯矩值，单位KN.m,“—”表示不可能存在正弯矩。第1层梁端控制截面弯矩不利组合表2-272.13.2梁端剪力最不利内力组合第4层梁端控制截面剪力不利组合表2-28第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊第1层梁端控制截面剪力不利组合表2-292.13.3梁跨中弯矩最不利内力组合梁跨中弯矩最不利内力组合表2-30跨中截面弯矩组合过程如下,以4—FE为例：2.13.4横向水平地震作用与重力荷载代表值组合效应（E轴柱）。第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊2.14配筋计算混凝土强度钢筋强度HPB235HRB3352.14.1框架柱截面设计由《抗震规范》查得框架的抗震等级为三级。1）轴压比计算底层柱轴压比则E轴柱的轴压比满足要求。2）正截面受弯承载力计算柱同一截面分别承受正反向弯矩，从利于不同方向地震作用考虑，采用对称配筋。E轴柱1层：从柱的内力组合表可知，,为小偏压，选用大小的组合，最不利组合为查表可知，，则。在弯矩中由水平地震作用产生的弯矩设计值　〉75﹪，柱的计算长度取下列二式中的较小值：式中、-----柱的上端、下端节点处交汇的各柱线刚度之和与交汇的各梁线刚度之和的比值；　-----比值、中的较小值；第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊　　H-----柱的高度，对底层柱为从基础顶面到一层楼盖顶面的高度；对其余各层柱为上下两层楼盖顶面之间的高度。　　　　　　　　　　所以，取　　　　　　　　　　　　最小总配筋率根据《建筑抗震设计规范》（ＧＢ50011---2001)）表6.3.8--1查得，故　　　　　　　　　第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊每侧实配416另两侧配构造筋414,满足构造要求．２层：为大偏压，选用大小的组合，最不利组合为　柱的计算长度　　　　　　最小总配筋率根据《建筑抗震设计规范》（ＧＢ50011---2001)）表6.3.8--1查得，故　　　　　　　　　每侧实配416另两侧配构造筋414,满足构造要求．3)垂直于弯矩作用平面的受压承载力验算　　垂直于弯矩作用平面的受压承载力按轴心受压计算一层：　　　　查表得第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊　　　　　　　　　　　满足要求．4）斜截面受剪承载力计算E轴柱一层：最不利内力组合剪跨比柱箍筋加密区的体积配筋率为：取复式箍410加密区箍筋最大间距min(8d,100),所以加密区取复式箍410@100.柱上端加密区的长度取max(h,/6,500mm),取700mm,柱根取1400mm.非加密区取410@150。二层：最不利内力组合剪跨比第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊柱箍筋加密区的体积配筋率为：取复式箍410加密区箍筋最大间距min(8d,100),所以加密区取复式箍410@100.柱上端加密区的长度取max(h,/6,500mm),取600mm.非加密区取410@150。2.14.2框架梁截面设计1)正截面受弯承载力计算梁FE(250mm500mm)一层：跨中截面M=106.18,下部实配318上部按构造要求配筋。梁FE和梁ED各截面的正截面受弯承载力配筋计算见下表。第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊框架正截面配筋计算2)斜截面受剪承载力计算梁FE(四层)，跨高比满足要求。=0.100梁端箍筋加密区取双肢箍8，s取min(8d,,150mm),s=120mm.加密区的长度max(,500mm),取750mm非加密区箍筋配置28@150.第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊梁FE和梁ED各截面的斜截面受剪承载力配筋计算见下表：框架梁斜截面配筋计算第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊3.楼面设计3.1B1板的配筋计算3.1.1判断板的计算类型由，可知板的设计按双向板计算3.1.2荷载计算30厚水磨石地面0.65kN/m2120厚钢筋混凝土板25×0.12=3.0kN/m2板底抹灰0.24kN/m2合计3.89kN/m2恒载设计值kN/m2活载设计值kN/m2图3-1计算单元结构平面布置图第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊在求各区板跨内正弯矩时，按恒荷载均布及活荷载棋盘式布置计算，取荷载：kN/m2kN/m2在作用下，各外支座均可视为固定，某些区格板跨内最大正弯矩不在板的中心处，在的作用下，各区格板四边均可视为简支，跨内最大正弯矩则在中心点处，计算时可近似取二者之和作为跨内最大正弯矩。在求各中间支座最大负弯矩（绝对值）时，按恒荷载及活荷载均布满跨布置。计算时取荷载：kN/m2按《混凝土结构设计》中的附录8进行计算，具体计算过程如下：查表可得：时，跨内：支座：则计算可得：跨内：支座：第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊跨内支座处弯矩已求得，即可近似按，算出相应的截面配筋面积。取跨内和支座截面处，。截面配筋：跨中：：选用mm2)。：选用mm2)。支座处：：mm2选用。：mm2选用mm2)。3.2B2板的配筋计算3.2.1判断板的计算类型B板按考虑塑性内力重分布方法计算，判断板的计算类型：<3.0按单向板进行设计后，将长向钢筋增加。3.2.2荷载计算恒载设计值kN/m2活载设计值kN/m2即每米板宽4.67+3.5=8.17kN/m第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊3.2.3内力计算m，弯矩计算系数跨中弯矩：1/16×8.17×2.12=2.25支座弯矩：-1/14×8.17×2.12=-2.573.2.4截面承载力计算b=1000mm,h=120mm,=120-20=100mm,截面配筋见下表。长边方向的分布筋考虑增大，取4.屋面设计4.1　B1板的配筋计算4.1.1判断板的计算类型由，可知板的设计按双向板计算。第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊4.1.2荷载计算高聚物改性沥青卷材防水屋面3.61kN/m2120厚钢筋混凝土板25×0.12=3.0kN/m2板底抹灰0.24kN/m2合计6.85KN/m2恒载设计值KN/m2活载设计值KN/m24.1.3按弹性理论进行计算在求各区板跨内正弯矩时，按恒荷载均布及活荷载棋盘式布置计算，取荷载：在作用下，各外支座均可视为固定，某些区格板跨内最大正弯矩不在板的中心处，在的作用下，各区格板四边均可视为简支，跨内最大正弯矩则在中心点处，计算时可近似取二者之和作为跨内最大正弯矩。在求各中间支座最大负弯矩（绝对值）时，按恒荷载及活荷载均布满跨布置。计算时取荷载：按《混凝土结构设计》中的附录8进行计算，具体计算过程如下：对A板：查表可得：时，跨内：支座：第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊则计算可得：跨内：支座：跨内支座处弯矩已求得，即可近似按，算出相应的截面配筋面积。取跨内和支座截面处，。截面配筋：跨中：：选用。：选用。支座处：：选用。：选用。4.2、B2板的配筋计算4.2.1判断板的计算类型B板按考虑塑性内力重分布方法计算，判断板的计算类型：第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊<3.0按单向板进行设计后，将长向钢筋增加。4.2.2荷载计算恒载设计值活载设计值即每米板宽8.22+2.80=11.024.2.3内力计算m，弯矩计算系数跨中弯矩：1/16×11.02×2.12=3.04支座弯矩：-1/14×11.02×2.12=-3.474.2.4截面承载力计算b=1000mm,h=120mm,=120-20=100mm,截面配筋见下表。长边方向的分布筋考虑增大，取第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊5、雨篷设计5.1雨篷板计算雨篷板的计算跨度为mm图5-1雨篷计算简图5.1.1荷载计算雨篷板自重kN/m粉刷kN/m总计2.94kN/m活载0.40kN/m荷载组合设计值kN/m1、正截面强度计算雨篷板无梁，取1m宽板作为计算单元。内力设计值：第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊选（）5.2雨篷梁计算设雨篷梁的截面尺寸为b×h=250mm×400mm，雨篷梁是受剪、弯、扭的构件。5.2.1荷载计算梁自重kN/m墙传来荷载2.22kN/m雨篷板传来荷载4.09kN/m恒载标准值8.81kN/m荷载设计值kN/m5.2.2、内力计算5.2.3、截面配筋第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊截面验算＜故只需按构造配筋。=250×400×0.6×选配钢筋：选配上部用箍筋选配6、楼梯计算6.1设计资料：材料:楼梯间的梁板混凝土均为C20,,.平台梁与斜梁中用钢筋HRB335,,板与踏步受力筋及所有箍筋HPB235，.粗估斜板厚40mm,斜梁150mm×250mm,平台梁200mm×450mm,梯间活荷载2.5.第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊图6-1楼梯结构平面布置图6.2TB-1设计:6.2.1踏步尺寸图6-2踏步计算截面图6-3踏步计算简图取一个踏步为计算单元第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊平均高度.6.2.2荷载统计踏步板自重：踏步面层重：踏步抹灰重：g=1.57使用活荷载：总计：g+q=2.626.2.3内力计算斜梁截面尺寸选用，则踏步板计算跨度：踏步板跨中弯矩6.2.4截面承载力计算踏步截面尺寸120mm×300mm第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊故踏步板应按构造配筋，每踏步采用2Φ8（）取踏步内斜板分布钢筋Φ8@250(实配201mm2)。6.3TL-1设计6.3.1荷载计算踏步传荷设计值:斜梁自重设计值:抹灰自重设计值:总计:6.3.2内力计算平台梁截面b×h=200mm×450mm,斜梁沿水平方向的计算跨度按简支梁计算图6-4楼梯斜梁计算简图第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊6.3.3承载力计算按T形截面计算,取翼缘有效宽度按倒L形截面计算按计算跨度计算按翼缘宽度计算按翼缘高度计算取试按计第T形截面算结构确为第Ⅰ类T形截面故可选用212（），架立筋取210.箍筋计算：故可按构造配置箍筋选用双支箍8@200mm6.4平台板设计6.4.1荷载计算取板厚100mm,底面抹灰20mm厚.取1.0m宽板带为计算单元板跨度恒荷载第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊20mm厚水泥砂浆面层：平台板自重：板底抹灰：恒荷标准值：0.4+2.5+0.34=3.24恒荷设计值：活载设计值：合计：6.4.2内力计算跨中弯矩：6.4.3承载力计算截面尺寸，选配筋6@140mm（=）分布筋为8@250（实配）6.5PTL-1设计6.5.1确定梁尺寸梁宽取b=200mm梁高：取h=450mm梁跨度取第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊图6-5PTL-1计算简图6.5.2荷载计算斜梁传来集中荷载平台板传来均布荷载平台梁自重平台梁粉刷重均布荷载合计6.5.3内力计算弯矩设计值最大剪力6.5.4配筋计算平台梁按倒L形简支梁计算第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊先按T形截面第Ⅰ类截面试算结构确为第Ⅰ类截面选配钢筋314（实配）架立筋210.可按构造配箍筋选用6@200.7、连梁计算7.1连梁的荷载如图示图7-1计算简图（注：括号内为楼面荷载）连梁计算跨度第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊7.2屋面连梁计算跨中弯矩配筋计算由于连梁约束接近固定约束，故跨中弯矩应折减，近似乘以系数0.8。跨中配筋316（603mm2）支座配筋314（462mm2）剪力计算配箍筋28@200第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊7.3楼面连梁计算跨中弯矩配筋计算由于连梁约束接近固定约束，故跨中弯矩应折减，近似乘以系数0.8。跨中配筋218（509mm2）支座配筋216（402mm2）剪力计算配箍筋28@200第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊8、基础设计设计基础的荷载包括：①框架传来的弯矩、轴力和剪力（可取设计底层柱的相应控制内力）；②基础自重、回填土的重量；③底层地基梁传来的轴力和弯矩。选取⑥轴进行计算。图8-1基础平面布置图8.1基顶内力组合值计算8.1.1F轴基础①标准组合框架住传来：地基梁传来：第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊②基本组合框架住传来：地基梁传来：8.1.2E轴柱基础①标准组合框架柱传来：地基梁传来：②基本组合框架住传来：地基梁传来：图8-2F轴柱基础剖面、平面尺寸第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊8.1.3D轴柱基础①标准组合框架柱传来：地基梁传来：②基本组合框架住传来：地基梁传来：该工程框架层数不多，地基土较均匀且柱距较大，可选择独立柱基础。据地质报告，基础埋深需在杂填土以下。取基础混凝土的强度等级为C20,查GB50010—2002表4.14，，。8.2F轴柱独立基础的计算8.2.1初步确定基底尺寸（见图8-2）①选择基础埋深d=1800mm.②地基承载力特征值深度修正：；.图8-2F轴柱基础剖面平面尺寸重度计算：杂填土：粘土：因基底位于水下，故取有效重度，即，则基础底面以下土的加权平均重度：第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊①基础底面尺寸先按中心荷载作用下计算基底面积：但考虑到偏心荷载作用应力分布不均，故将计算出的基底面积增大20%~40%，取1.2。选用正方形：a=b=2.4m,(满足要求)b<3.0m,满足要求,地基承载力不必对宽度进行修正。②地基承载力验算（采用标准组合）作用于基底中心的弯矩、轴力分别为：故承载力满足要求。③基础剖面尺寸的确定采用台阶式独立柱基础构造要求：一阶台阶宽高比2.5；二阶台阶宽高比1.0。④冲切验算（采用基本组合）第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊土壤净反力的计算：（不包括基础及回填土自重）柱与基础交接处：基础变阶处：满足要求。8.2.2基础底面配筋计算（按基本组合确定）（见图8-3）图8-3应力分布第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊由上述结果可得:采用双向配筋：选用实配：12@200双向筋,.8.2.3基础配筋图（如图8-4所示）第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊图8-4框架F轴柱基础配筋图8.3E轴柱独立基础的计算8.3.1初步确定基底尺寸①选择基础埋深（同F轴柱）d=1.8m②地基承载力特征值对深度修正（同F轴柱）③基础底面尺寸按中心荷载作用下计算基础底面积：考虑到偏心距不大，按正方形选用截面：a=b=2.59m取a=b=2600mm,b<3.0(满足)地基承载力不必对宽度进行修正。④地基承载力验算（采用标准组合）第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊作用于基底中心的弯矩、轴力分别为：则故满足要求。图8-5E轴柱基础剖面、平面尺寸①基础剖面尺寸的确定采用台阶式独立柱基础构造要求：一阶台阶宽高比2.5；二阶台阶宽高比1.0。②冲切验算（采用基本组合）土壤净反力的计算：（不包括基础及回填土自重）柱与基础交接处：基础变阶处：第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊满足要求。8.3.2基础底面配筋计算（按基本组合确定）（见图8-6）图8-6应力分布（KN.m2）第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊由上述结果可得:采用双向配筋：选用实配：14@200双向筋,.8.3.3基础配筋图（如图8-7所示）。图8-7E轴柱基础配筋图第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊8.4D轴柱独立基础的计算8.4.1初步确定基底尺寸①选择基础埋深（同F、E轴柱）d=1.8m②地基承载力特征值对深度修正（同F、E轴柱）③基础底面尺寸按中心荷载作用下计算基础底面积：考虑到偏心距不大，按正方形选用截面：取a=b=1800mm图8-8D轴柱基础剖面、平面尺寸,b<3.0(满足)地基承载力不必对宽度进行修正。④地基承载力验算（采用标准组合）作用于基底中心的弯矩、轴力分别为：则故满足要求。⑤基础剖面尺寸的确定第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊采用台阶式独立柱基础构造要求：一阶台阶宽高比2.5；二阶台阶宽高比1.0。①冲切验算（采用基本组合）土壤净反力的计算：（不包括基础及回填土自重）柱与基础交接处：图8-9应力分布（KN.m2）基础变阶处：满足要求。8.4.2基础底面配筋计算（按基本组合确定）（见图8-9）第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊由上述结果可得:采用双向配筋：选用实配：14@120双向筋,.第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊8.4.3基础配筋图（如图8-10所示）。图8-10D轴柱基础配筋图第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊参考文献1、混凝土结构设计规范GB50010—2002,中国建筑工业出版社2、建筑结构荷载规范GB50009—2001,中国建筑工业出版社3、建筑地基基础设计规范GB50007—2002,中国建筑工业出版社4、建筑设计防火规范GB50045—95,中国建筑工业出版社5、建筑抗震设计规范GB50011—2001,中国建筑工业出版社6、建筑可靠度设计统一标准GB50068—20017、建筑配件图集统一中南地区通用建筑标准设计20028、混凝土结构施工图平面整体表示方法制图规则构造详图（03G101—1）9、钢筋混凝土过梁（省标）10、建筑制图标准，中国建筑工业出版社11、建筑设计资料集，中国建筑工业出版社12、建筑防火设计，中国建筑工业出版社，2001.613、房屋建筑学（第二版），中国建筑工业出版社，1997.614、土木工程专业毕业设计指导，科学出版社15、混凝土结构设计原理（沈蒲生主编），高等教育出版社，2002.1016、混凝土结构设计（沈蒲生主编），高等教育出版社，2003.317、基础工程，中国建筑工业出版社18工程建设标准强制性条文（房屋建筑部分2002年版）19中小学校建筑设计规范（GBJ99-86）20总图制图标准(GB/T50103-2001)21房屋建筑制图统一标准(GB/T50001-2001)22建筑结构制图标准(GB/T50105-2001)23民用建筑设计通则(JGJ37-87)第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊附录外文翻译英文原文：StructuralSystemstoresistlateralloadsCommonlyUsedstructuralSystemsWithloadsmeasuredintensofthousandskips,thereislittleroominthedesignofhigh-risebuildingsforexcessivelycomplexthoughts.Indeed,thebetterhigh-risebuildingscarrytheuniversaltraitsofsimplicityofthoughtandclarityofexpression.Itdoesnotfollowthatthereisnoroomforgrandthoughts.Indeed,itiswithsuchgrandthoughtsthatthenewfamilyofhigh-risebuildingshasevolved.Perhapsmoreimportant,thenewconceptsofbutafewyearsagohavebecomecommonplaceintoday’stechnology.Omittingsomeconceptsthatarerelatedstrictlytothematerialsofconstruction,themostcommonlyusedstructuralsystemsusedinhigh-risebuildingscanbecategorizedasfollows:1.Moment-resistingframes.2.Bracedframes,includingeccentricallybracedframes.3.Shearwalls,includingsteelplateshearwalls.4.Tube-in-tubestructures.5.Tube-in-tubestructures.第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊1.Core-interactivestructures.2.Cellularorbundled-tubesystems.Particularlywiththerecenttrendtowardmorecomplexforms,butinresponsealsototheneedforincreasedstiffnesstoresisttheforcesfromwindandearthquake,mosthigh-risebuildingshavestructuralsystemsbuiltupofcombinationsofframes,bracedbents,shearwalls,andrelatedsystems.Further,forthetallerbuildings,themajoritiesarecomposedofinteractiveelementsinthree-dimensionalarrays.Themethodofcombiningtheseelementsistheveryessenceofthedesignprocessforhigh-risebuildings.Thesecombinationsneedevolveinresponsetoenvironmental,functional,andcostconsiderationssoastoprovideefficientstructuresthatprovokethearchitecturaldevelopmenttonewheights.Thisisnottosaythatimaginativestructuraldesigncancreategreatarchitecture.Tothecontrary,manyexamplesoffinearchitecturehavebeencreatedwithonlymoderatesupportfromthestructuralengineer,whileonlyfinestructure,notgreatarchitecture,canbedevelopedwithoutthegeniusandtheleadershipofatalentedarchitect.Inanyevent,thebestofbothisneededtoformulateatrulyextraordinarydesignofahigh-risebuilding.Whilecomprehensivediscussionsofthesesevensystemsaregenerallyavailableintheliterature,furtherdiscussioniswarrantedhere.Theessenceofthedesignprocessisdistributedthroughoutthediscussion.Moment-ResistingFramesPerhapsthemostcommonlyusedsysteminlow-tomedium-risebuildings,themoment-resistingframe,ischaracterizedbylinearhorizontalandverticalmembersconnectedessentiallyrigidlyattheirjoints.Suchframesareusedasastand-alonesystemorincombinationwithothersystemssoastoprovidetheneededresistancetohorizontalloads.Inthetallerofhigh-risebuildings,thesystemislikelytobe第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊foundinappropriateforastand-alonesystem,thisbecauseofthedifficultyinmobilizingsufficientstiffnessunderlateralforces.AnalysiscanbeaccomplishedbySTRESS,STRUDL,orahostofotherappropriatecomputerprograms;analysisbytheso-calledportalmethodofthecantilevermethodhasnoplaceintoday’stechnology.Becauseoftheintrinsicflexibilityofthecolumn/girderintersection,andbecausepreliminarydesignsshouldaimtohighlightweaknessesofsystems,itisnotunusualtousecenter-to-centerdimensionsfortheframeinthepreliminaryanalysis.Ofcourse,inthelatterphasesofdesign,arealisticappraisalin-jointdeformationisessential.BracedFramesThebracedframe,intrinsicallystifferthanthemoment–resistingframe,findsalsogreaterapplicationtohigher-risebuildings.Thesystemischaracterizedbylinearhorizontal,vertical,anddiagonalmembers,connectedsimplyorrigidlyattheirjoints.Itisusedcommonlyinconjunctionwithothersystemsfortallerbuildingsandasastand-alonesysteminlow-tomedium-risebuildings.Whiletheuseofstructuralsteelinbracedframesiscommon,concreteframesaremorelikelytobeofthelarger-scalevariety.Ofspecialinterestinareasofhighseismicityistheuseoftheeccentricbracedframe.Again,analysiscanbebySTRESS,STRUDL,oranyoneofaseriesoftwo–orthreedimensionalanalysiscomputerprograms.Andagain,center-to-centerdimensionsareusedcommonlyinthepreliminaryanalysis.ShearwallsTheshearwallisyetanotherstepforwardalongaprogressionofever-stifferstructuralsystems.Thesystemischaracterizedbyrelativelythin,generally(but第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊notalways)concreteelementsthatprovidebothstructuralstrengthandseparationbetweenbuildingfunctions.Inhigh-risebuildings,shearwallsystemstendtohavearelativelyhighaspectratio,thatis,theirheighttendstobelargecomparedtotheirwidth.Lackingtensioninthefoundationsystem,anystructuralelementislimitedinitsabilitytoresistoverturningmomentbythewidthofthesystemandbythegravityloadsupportedbytheelement.Limitedtoanarrowoverturning,Oneobvioususeofthesystem,whichdoeshavetheneededwidth,isintheexteriorwallsofbuilding,wheretherequirementforwindowsiskeptsmall.Structuralsteelshearwalls,generallystiffenedagainstbucklingbyaconcreteoverlay,havefoundapplicationwhereshearloadsarehigh.Thesystem,intrinsicallymoreeconomicalthansteelbracing,isparticularlyeffectiveincarryingshearloadsdownthroughthetallerfloorsintheareasimmediatelyabovegrade.Thesystemhasthefurtheradvantageofhavinghighductilityafeatureofparticularimportanceinareasofhighseismicity.Theanalysisofshearwallsystemsismadecomplexbecauseoftheinevitablepresenceoflargeopeningsthroughthesewalls.Preliminaryanalysiscanbebytruss-analogy,bythefiniteelementmethod,orbymakinguseofaproprietarycomputerprogramdesignedtoconsidertheinteraction,orcoupling,ofshearwalls.FramedorBracedTubesTheconceptoftheframedorbracedorbracedtubeeruptedintothetechnologywiththeIBMBuildinginPittsburgh,butwasfollowedimmediatelywiththetwin110-storytowersoftheWorldTradeCenter,NewYorkandanumberofotherbuildings.Thesystemischaracterizedbythree–dimensionalframes,bracedframes,orshearwalls,formingaclosedsurfacemoreorlesscylindricalinnature,butofnearlyanyplanconfiguration.Becausethosecolumnsthatresistlateralforcesareplacedasfaraspossiblefromthecancroidsofthesystem,theoverallmomentofinertiaisincreasedandstiffnessisveryhigh.第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊Theanalysisoftubularstructuresisdoneusingthree-dimensionalconcepts,orbytwo-dimensionalanalogy,wherepossible,whichevermethodisused,itmustbecapableofaccountingfortheeffectsofshearlag.Thepresenceofshearlag,detectedfirstinaircraftstructures,isaseriouslimitationinthestiffnessofframedtubes.Theconcepthaslimitedrecentapplicationsofframedtubestotheshearof60stories.Designershavedevelopedvarioustechniquesforreducingtheeffectsofshearlag,mostnoticeablytheuseofbelttrusses.Thissystemfindsapplicationinbuildingsperhaps40storiesandhigher.However,exceptforpossibleaestheticconsiderations,belttrussesinterferewithnearlyeverybuildingfunctionassociatedwiththeoutsidewall;thetrussesareplacedoftenatmechanicalfloors,mushtothedisapprovalofthedesignersofthemechanicalsystems.Nevertheless,asacost-effectivestructuralsystem,thebelttrussworkswellandwilllikelyfindcontinuedapprovalfromdesigners.Numerousstudieshavesoughttooptimizethelocationofthesetrusses,withtheoptimumlocationverydependentonthenumberoftrussesprovided.Experiencewouldindicate,however,thatthelocationofthesetrussesisprovidedbytheoptimizationofmechanicalsystemsandbyaestheticconsiderations,astheeconomicsofthestructuralsystemisnothighlysensitivetobelttrusslocation.Tube-in-TubeStructuresThetubularframingsystemmobilizeseverycolumnintheexteriorwallinresistingover-turningandshearingforces.Theterm‘tube-in-tube’islargelyself-explanatoryinthatasecondringofcolumns,theringsurroundingthecentralservicecoreofthebuilding,isusedasaninnerframedorbracedtube.Thepurposeofthesecondtubeistoincreaseresistancetooverturningandtoincreaselateralstiffness.Thetubesneednotbeofthesamecharacter;thatis,onetubecouldbeframed,whiletheothercouldbebraced.Inconsideringthissystem,isimportanttounderstandclearlythedifferencebetweentheshearandtheflexuralcomponentsofdeflection,thetermsbeingtaken第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊frombeamanalogy.Inaframedtube,theshearcomponentofdeflectionisassociatedwiththebendingdeformationofcolumnsandgirders(i.e,thewebsoftheframedtube)whiletheflexuralcomponentisassociatedwiththeaxialshorteningandlengtheningofcolumns(i.e,theflangesoftheframedtube).Inabracedtube,theshearcomponentofdeflectionisassociatedwiththeaxialdeformationofdiagonalswhiletheflexuralcomponentofdeflectionisassociatedwiththeaxialshorteningandlengtheningofcolumns.Followingbeamanalogy,ifplanesurfacesremainplane(i.e,thefloorslabs),thenaxialstressesinthecolumnsoftheoutertube,beingfartherformtheneutralaxis,willbesubstantiallylargerthantheaxialstressesintheinnertube.However,inthetube-in-tubedesign,whenoptimized,theaxialstressesintheinnerringofcolumnsmaybeashigh,orevenhigher,thantheaxialstressesintheouterring.Thisseeminganomalyisassociatedwithdifferencesintheshearingcomponentofstiffnessbetweenthetwosystems.Thisiseasiesttounder-standwheretheinnertubeisconceivedasabraced(i.e,shear-stiff)tubewhiletheoutertubeisconceivedasaframed(i.e,shear-flexible)tube.CoreInteractiveStructuresCoreinteractivestructuresareaspecialcaseofatube-in-tubewhereinthetwotubesarecoupledtogetherwithsomeformofthree-dimensionalspaceframe.Indeed,thesystemisusedoftenwhereintheshearstiffnessoftheoutertubeiszero.TheUnitedStatesSteelBuilding,Pittsburgh,illustratesthesystemverywell.Here,theinnertubeisabracedframe,theoutertubehasnoshearstiffness,andthetwosystemsarecouplediftheywereconsideredassystemspassinginastraightlinefromthe“hat”structure.Notethattheexteriorcolumnswouldbeimproperlymodelediftheywereconsideredassystemspassinginastraightlinefromthe“hat”tothefoundations;thesecolumnsareperhaps15%stifferastheyfollowtheelasticcurveofthebracedcore.Notealsothattheaxialforcesassociatedwiththelateralforcesintheinnercolumnschangefromtensiontocompressionoverthe第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊heightofthetube,withtheinflectionpointatabout5/8oftheheightofthetube.Theoutercolumns,ofcourse,carrythesameaxialforceunderlateralloadforthefullheightofthecolumnsbecausethecolumnsbecausetheshearstiffnessofthesystemisclosetozero.Thespacestructuresofoutriggergirdersortrusses,thatconnecttheinnertubetotheoutertube,arelocatedoftenatseverallevelsinthebuilding.TheAT&Theadquartersisanexampleofanastonishingarrayofinteractiveelements:1.Thestructuralsystemis94ft(28.6m)wide,196ft(59.7m)long,and601ft(183.3m)high.2.Twoinnertubesareprovided,each31ft(9.4m)by40ft(12.2m),centered90ft(27.4m)apartinthelongdirectionofthebuilding.3.Theinnertubesarebracedintheshortdirection,butwithzeroshearstiffnessinthelongdirection.4.Asingleoutertubeissupplied,whichencirclesthebuildingperimeter.5.Theoutertubeisamoment-resistingframe,butwithzeroshearstiffnessforthecenter50ft(15.2m)ofeachofthelongsides.6.Aspace-trusshatstructureisprovidedatthetopofthebuilding.7.Asimilarspacetrussislocatednearthebottomofthebuilding8.Theentireassemblyislaterallysupportedatthebaseontwinsteel-platetubes,becausetheshearstiffnessoftheoutertubegoestozeroatthebaseofthebuilding.CellularstructuresAclassicexampleofacellularstructureistheSearsTower,Chicago,abundledtubestructureofnineseparatetubes.WhiletheSearsTowercontainsninenearlyidenticaltubes,thebasicstructuralsystemhasspecialapplicationforbuildingsofirregularshape,astheseveraltubesneednotbesimilarinplanshape,Itisnotuncommonthatsomeoftheindividualtubesoneofthestrengthsandoneoftheweaknessesofthesystem.第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊Thisspecialweaknessofthissystem,particularlyinframedtubes,hastodowiththeconceptofdifferentialcolumnshortening.Theshorteningofacolumnunderloadisgivenbytheexpression△=ΣfL/EForbuildingsof12ft(3.66m)floor-to-floordistancesandanaveragecompressivestressof15ksi(138MPa),theshorteningofacolumnunderloadis15(12)(12)/29,000or0.074in(1.9mm)perstory.At50stories,thecolumnwillhaveshortenedto3.7in.(94mm)lessthanitsunstressedlength.Whereonecellofabundledtubesystemis,say,50storieshighandanadjacentcellis,say,100storieshigh,thosecolumnsneartheboundarybetween.thetwosystemsneedtohavethisdifferentialdeflectionreconciled.Majorstructuralworkhasbeenfoundtobeneededatsuchlocations.Inatleastonebuilding,theRialtoProject,Melbourne,thestructuralengineerfounditnecessarytoverticallypre-stressthelowerheightcolumnssoastoreconcilethedifferentialdeflectionsofcolumnsincloseproximitywiththepost-tensioningoftheshortercolumnsimulatingtheweighttobeaddedontoadjacent,highercolumns.原文翻译：抗侧向荷载的结构体系常用的结构体系若已测出荷载量达数千万磅重，那么在高层建筑设计中就没有多少可以进行极其复杂的构思余地了。确实，较好的高层建筑普遍具有构思简单、表现明晰的特点。这并不是说没有进行宏观构思的余地。实际上，正是因为有了这种宏观的构思，新奇的高层建筑体系才得以发展，可能更重要的是：几年以前才出现的一些新概念在今天的技术中已经变得平常了。如果忽略一些与建筑材料密切相关的概念不谈，高层建筑里最为常用的结构体系便可分为如下几类：1．抗弯矩框架。2．支撑框架，包括偏心支撑框架。第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊1．剪力墙，包括钢板剪力墙。2．筒中框架。3．筒中筒结构。4．核心交互结构。5．框格体系或束筒体系。特别是由于最近趋向于更复杂的建筑形式，同时也需要增加刚度以抵抗几力和地震力，大多数高层建筑都具有由框架、支撑构架、剪力墙和相关体系相结合而构成的体系。而且，就较高的建筑物而言，大多数都是由交互式构件组成三维陈列。将这些构件结合起来的方法正是高层建筑设计方法的本质。其结合方式需要在考虑环境、功能和费用后再发展，以便提供促使建筑发展达到新高度的有效结构。这并不是说富于想象力的结构设计就能够创造出伟大建筑。正相反，有许多例优美的建筑仅得到结构工程师适当的支持就被创造出来了，然而，如果没有天赋甚厚的建筑师的创造力的指导，那么，得以发展的就只能是好的结构，并非是伟大的建筑。无论如何，要想创造出高层建筑真正非凡的设计，两者都需要最好的。虽然在文献中通常可以见到有关这七种体系的全面性讨论，但是在这里还值得进一步讨论。设计方法的本质贯穿于整个讨论。设计方法的本质贯穿于整个讨论中。抗弯矩框架抗弯矩框架也许是低，中高度的建筑中常用的体系，它具有线性水平构件和垂直构件在接头处基本刚接之特点。这种框架用作独立的体系，或者和其他体系结合起来使用，以便提供所需要水平荷载抵抗力。对于较高的高层建筑，可能会发现该本系不宜作为独立体系，这是因为在侧向力的作用下难以调动足够的刚度。我们可以利用STRESS，STRUDL或者其他大量合适的计算机程序进行结构分析。所谓的门架法分析或悬臂法分析在当今的技术中无一席之地，由于柱梁节点固有柔性，并且由于初步设计应该力求突出体系的弱点，所以在初析中使用框架的中心距尺寸设计是司空惯的。当然，在设计的后期阶段，实际地评价结点的变形很有必要。第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊支撑框架支撑框架实际上刚度比抗弯矩框架强，在高层建筑中也得到更广泛的应用。这种体系以其结点处铰接或则接的线性水平构件、垂直构件和斜撑构件而具特色，它通常与其他体系共同用于较高的建筑，并且作为一种独立的体系用在低、中高度的建筑中。尤其引人关注的是，在强震区使用偏心支撑框架。此外，可以利用STRESS，STRUDL，或一系列二维或三维计算机分析程序中的任何一种进行结构分析。另外，初步分析中常用中心距尺寸。剪力墙剪力墙在加强结构体系刚性的发展过程中又前进了一步。该体系的特点是具有相当薄的，通常是（而不总是）混凝土的构件，这种构件既可提供结构强度，又可提供建筑物功能上的分隔。在高层建筑中，剪力墙体系趋向于具有相对大的高宽经，即与宽度相比，其高度偏大。由于基础体系缺少应力，任何一种结构构件抗倾覆弯矩的能力都受到体系的宽度和构件承受的重力荷载的限制。由于剪力墙宽度狭狭窄受限，所以需要以某种方式加以扩大，以便提从所需的抗倾覆能力。在窗户需要量小的建筑物外墙中明显地使用了这种确有所需要宽度的体系。钢结构剪力墙通常由混凝土覆盖层来加强以抵抗失稳，这在剪切荷载大的地方已得到应用。这种体系实际上比钢支撑经济，对于使剪切荷载由位于地面正上方区域内比较高的楼层向下移特别有效。这种体系还具有高延性之优点，这种特性在强震区特别重要。由于这些墙内必然出同一些大孔，使得剪力墙体系分析变得错综复杂。可以通过桁架模似法、有限元法，或者通过利用为考虑剪力墙的交互作用或扭转功能设计的专门计处机程序进行初步分析框架或支撑式筒体结构：第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊框架或支撑式筒体最先应用于IBM公司在Pittsburgh的一幢办公楼，随后立即被应用于纽约双子座的110层世界贸易中心摩天大楼和其他的建筑中。这种系统有以下几个显著的特征：三维结构、支撑式结构、或由剪力墙形成的一个性质上差不多是圆柱体的闭合曲面，但又有任意的平面构成。由于这些抵抗侧向荷载的柱子差不多都被设置在整个系统的中心，所以整体的惯性得到提高，刚度也是很大的。在可能的情况下，通过三维概念的应用、二维的类比，我们可以进行筒体结构的分析。不管应用那种方法，都必须考虑剪力滞后的影响。这种最先在航天器结构中研究的剪力滞后出现后，对筒体结构的刚度是一个很大的限制。这种观念已经影响了筒体结构在60层以上建筑中的应用。设计者已经开发出了很多的技术，用以减小剪力滞后的影响，这其中最有名的是桁架的应用。框架或支撑式筒体在40层或稍高的建筑中找到了自己的用武之地。除了一些美观的考虑外，桁架几乎很少涉及与外墙联系的每个建筑功能，而悬索一般设置在机械的地板上，这就令机械体系设计师们很不赞成。但是，作为一个性价比较好的结构体系，桁架能充分发挥它的性能，所以它会得到设计师们持续的支持。由于其最佳位置正取决于所提供的桁架的数量，因此很多研究已经试图完善这些构件的位置。实验表明：由于这种结构体系的经济性并不十分受桁架位置的影响，所以这些桁架的位置主要取决于机械系统的完善，审美的要求，筒中筒结构：筒体结构系统能使外墙中的柱具有灵活性，用以抵抗颠覆和剪切力。“筒中筒”这个名字顾名思义就是在建筑物的核心承重部分又被包围了第二层的一系列柱子，它们被当作是框架和支撑筒来使用。配置第二层柱的目的是增强抗颠覆能力和增大侧移刚度。这些筒体不是同样的功能，也就是说，有些筒体是结构的，而有些筒体是用来支撑的。在考虑这种筒体时，清楚的认识和区别变形的剪切和弯曲分量是很重要的，这源于对梁的对比分析。在结构筒中，剪切构件的偏角和柱、纵梁（例如：结构筒中的网等）的弯曲有关，同时，弯曲构件的偏角取决于柱子的轴心压缩和延伸（例如：结构筒的边缘等）。在支撑筒中，剪切构件的偏角和对角线的轴心变形有关，而弯曲构件的偏角则与柱子的轴心压缩和延伸有关。第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊根据梁的对比分析，如果平面保持原形（例如：厚楼板），那么外层筒中柱的轴心压力就会与中心筒柱的轴心压力相差甚远，而且稳定的大于中心筒。但是在筒中筒结构的设计中，当发展到极限时，内部轴心压力会很高的，甚至远远大于外部的柱子。这种反常的现象是由于两种体系中的剪切构件的刚度不同。这很容易去理解，内筒可以看成是一个支撑（或者说是剪切刚性的）筒，而外筒可以看成是一个结构（或者说是剪切弹性的）筒。核心交互式结构：核心交互式结构属于两个筒与某些形式的三维空间框架相配合的筒中筒特殊情况。事实上，这种体系常用于那种外筒剪切刚度为零的结构。位于Pittsburgh的美国钢铁大楼证实了这种体系是能很好的工作的。在核心交互式结构中，内筒是一个支撑结构，外筒没有任何剪切刚度，而且两种结构体系能通过一个空间结构或“帽”式结构共同起作用。需要指出的是，如果把外部的柱子看成是一种从“帽”到基础的直线体系，这将是不合适的；根据支撑核心的弹性曲线，这些柱子只发挥了刚度的15%。同样需要指出的是，内柱中与侧向力有关的轴向力沿筒高度由拉力变为压力，同时变化点位于筒高度的约5/8处。当然，外柱也传递相同的轴向力，这种轴向力低于作用在整个柱子高度的侧向荷载，因为这个体系的剪切刚度接近于零。把内外筒相连接的空间结构、悬臂梁或桁架经常遵照一些规范来布置。美国电话电报总局就是一个布置交互式构件的生动例子。1、结构体系长59.7米，宽28.6米，高183.3米。2、布置了两个筒，每个筒的尺寸是9.4米×12.2米，在长方向上有27.4米的间隔。3、在短方向上内筒被支撑起来，但是在长方向上没有剪切刚度。4、环绕着建筑物布置了一个外筒。5、外筒是一个瞬时抵抗结构，但是在每个长方向的中心15.2米都没有剪切刚度。6、在建筑的顶部布置了一个空间桁架构成的“帽式”结构。7、在建筑的底部布置了一个相似的空间桁架结构。8、由于外筒的剪切刚度在建筑的底部接近零，整个建筑基本上由两个钢板筒来支持。框格体系或束筒体系结构：位于美国芝加哥的西尔斯大厦是箱式结构的经典之作，它由九个相互独立的筒组成的一个集中筒。由于西尔斯大厦包括九个几乎垂直的筒，而且筒在平面上无须相似，基本的结构体系在不规则形状的建筑中得到特别的应用。一些单个的筒高于建筑一点或很多是很常见的。事实上，这种体系的重要特征就在于它既有坚固的一面，也有脆弱的一面。第94页 ┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊这种体系的脆弱，特别是在结构筒中，与柱子的压缩变形有很大的关系，柱子的压缩变形有下式计算：△=ΣfL/E对于那些层高为3.66米左右和平均压力为138MPa的建筑，在荷载作用下每层柱子的压缩变形为15（12）/29000或1.9毫米。在第50层柱子会压缩94毫米，小于它未受压的长度。这些柱子在50层的时候和100层的时候的变形是不一样的，位于这两种体系之间接近于边缘的那些柱需要使这种不均匀的变形得以调解。主要的结构工作都集中在布置中。在Melbourne的Rialto项目中，结构工程师发现至少有一幢建筑，很有必要垂直预压低高度的柱子，以便使柱不均匀的变形差得以调解，调解的方法近似于后拉伸法，即较短的柱转移重量到较高的邻柱上。┊┊┊装┊┊┊订┊┊┊线┊┊┊第94页'