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结构设计

第二部分结构设计

结构设计说明

一、工程概况

为解决办公用房，该单位拟修建一栋信息化综合办公大楼。

该办公大楼位于陕西省洛南县，总建筑面积6000m2左右。

共六层（地上），一层层高4.5米，其余各层高3.6米。

采用框架结构形式，建筑耐火等级为二级，抗震烈度为八度，二类建筑，建筑场地二类，地面为B类。

二、框架结构体系与选型

框架结构是由线性杆件梁、柱通过节点组成骨架来承受竖向和水平荷载的结构。

框架结构的优点是能够提供较大的空间，平面布置灵活，使用方便，因而适用于多层工业厂房以及民用建筑中的多高层办公楼、旅馆、医院、学校、商店和住宅。

其缺点是构件截面尺寸小，抗侧移刚度较小，在水平荷载作用下位移较大，抗震性能不强。

因此，框架结构又称“柔性结构”。

故这种结构在屋面高度和地震区使用受到一定限制，一般多用于多层建筑，也可用于高层建筑。

框架结构根据施工方法的不同，可分为全现浇式框架、装配式框架和装配整体式框架。

1全现浇框架承重构件的梁、板和柱均为现场捆绑、支模、现浇、养护而成，其整体性好，抗震性好。

其缺点是现场工程量大，模板用量多，工期长，受现场工作条件影响大。

但随着定型钢模板、泵送混凝土等施工工艺和措施的推广应用，这些缺点正在被克服，因而全现浇框架应用最为广泛。

2装配式框架承重构件的梁、板和柱均在预制场预制，然后在施工现场进行焊接拼装成整体的结构。

其优点是模板用量少，便于机械化生产，工期短。

缺点是预埋件用钢量大，房屋整体性差，抗震性不好，在地震区不宜采用。

3装配整体式框架预制的梁、板和柱安装就位后，焊接或绑扎节点区钢筋，再在适当部位配置一些钢筋，在梁、柱节点及板上浇筑叠合层，使之成为整体。

故兼有现浇式和装配式框架的一些优点，应用较为广泛。

框架结构根据承重方式的不同又可分为全框结构、内框架结构和底层框架结构三种。

1全框架结构全框架结构的房屋，其竖向荷载与水平荷载全部由框架承担，而内外墙仅起着维护和分隔的作用，具有较好的整体性和抗震性。

2内框架结构内框架结构的房屋内部由钢筋混凝土的梁、柱组成框架承重体系，外部由砖墙承重，楼（屋）面荷载由框架和砖墙共同承担。

这种房屋由于竖向承重构件所采用材料不同，基础形式不同，二者的刚度及在荷载作用下的变形不协调，所以房屋整体性和总体刚度都较差，抗震性能较差，在抗震设防地区不宜采用。

3底层框架结构底层框架结构的房屋时指底层为框架结构、上部各层为混合结构的房屋。

这种结构一般用于底层需要较大平面空间，而上部为住宅或办公室等不需较大平面空间的房屋，可以降低造价。

这种结构上刚下柔，抗震性差。

综上所述，本设计采用钢筋混凝土全现浇式全框架结构，其优点是能提供较大的空间，平面布置灵活，使用方便；结构体系整体性和抗震性能好。

三、结构布置

1.框架结构的整体布置

（1）框架结构房屋使用的最大高度

根据国内外震害调查和研究表明，从经济和安全角度考虑，框架结构房屋的高度不宜太高。

一方面，从结构的受力角度来讲，竖向荷载在竖向构件中引起的轴向力和弯矩，仅与建筑高度的一次方成正比；而水平荷载（风荷载、地震作用等）对结构产生的倾覆力矩以及由此在竖向构件中产生的轴力，与建筑高度的二次方成正比。

随着建筑高度的增加，水平荷载产生的内力比竖向荷载产生的内力增值要快得多，当建筑高度达到一定时，水平荷载产生的内力将超过竖向构件产生的内力，将起着控制作用。

另一方面，从结构的变形角度来看，水平荷载在结构顶点产生的侧移与建筑高度的四次方成正比。

而竖向荷载则在结构顶点不产生侧移。

随着建筑高度的增加，水平荷载作用下结构的侧向变形将迅速增大。

因而，我国《高层建筑混凝土结构技术规范》（JGJ3—2002）规定了框架结构房屋的最大适用高度，其中设防烈度为8度的地区最大适用高度不超过45米，此设计中综合办公楼的高度为4.5+3.6*5+0.6=23.1米，符合规范要求。

房屋最大适用高度

结构体系

设防烈度

6度

7度

8度

9度

框架结构房屋最大高度/m

（2）框架结构房屋的高宽比随着房屋高度的增大，高宽比也逐渐增大，框架结构将变得更柔，而水平荷载作用下的倾覆力矩将迅速增大，会导致结构发生过大的侧移。

根据规范，设防烈度为8都的地区，框架结构房屋的高宽比不大于4，此设计中综合办公楼的高宽比为54/18.8=2.9,满足规范要求。

高宽比的限值

结构类型

非抗震设计

设防烈度

6度、7度

8度

9度

框架结构高宽比

（3）框架结构的布置要求框架结构房屋的建筑体型及结构设计方面，必须有利于抵抗水平和竖向荷载，特别是在抗震设防地区，应能满足抗震设防标准的要求，使房屋达到最好的工作性能。

本设计中，建筑平面、立面简单、规则，结构的刚度平面布置均匀对称，上下均匀连续，抗震性和整体性好。

2.框架结构的布置

（1）框架结构的布置房屋结构的布置是否合理，对结构的安全性、实用性和造价影响很大，因此，结构设计者对结构方案的选择尤为重要。

要确定一个合理地结构布置方案，应充分考虑建筑的生产工艺、使用要求、建筑造型、荷载、施工条件等各个方面因素，这就存在结构设计优化的问题。

其中柱网的布置符合两个原则：

1）柱网布置应满足建筑功能的要求，且便于施工。

2）柱网布置应规则、整齐对称、间距适中（一般梁跨在6—9米为宜）、传力明确。

（2）变形缝的设置在结构布置中，常常会遇到房屋太长，立面高差太大、体形比较复杂的情况，这些对结构受力都为不利。

为了使结构受力合理，可适当的设置变形缝加以解决。

变形缝有伸缩缝、沉降缝和防震缝三种。

1）伸缩缝：

伸缩缝也成为温度缝，是为了避免温度应力和混凝土收缩应力使房屋产生裂缝而设置的。

当房屋较长时，埋在土中的下部结构温度变化小，伸缩变形小，而暴露在大气中上部结构温度变化大，伸缩缝变形大。

如果二者伸缩变形过于不一致，会在结构中引起较大的内力，甚至导致房屋开裂。

因此，可采用伸缩缝将上部结构分成若干个温度区段，使它们各自自由伸缩，而下部的基础可以是连续的。

当未采取可靠措施时，伸缩缝间距不宜超过下表所示。

本设计中，综合办公楼的长为54m小于规范规定的55m，故可不设置伸缩缝。

钢筋混凝土框架结构伸缩缝最大间距（单位：

米）

结构类型

室内或土中

露天

现浇框架

装配式框架

2）沉降缝：

沉降缝的设置时为了防止地基不均匀沉降造成房屋产生裂缝而设置的。

当房屋高度或荷载相差较大，或地基条件差异较大时，可能导致基础的不均匀沉降，从而使上部结构发生破坏，因此，应设置沉降缝。

本设计中，综合办公楼为单体六层，房屋高度一样荷载差异不大，且地基条件相同，故可不设置沉降缝。

3）防震缝：

在框架结构中合理地设置防震缝，可以将体型复杂的建筑物划分为“规则”的建筑物，从而可降低抗震设计的难度及提高抗震设计的可靠性。

此设计中，建筑平面和立面规则、对称，受力明确、传力均匀，故可不设置防震缝。

综上所述，结构平面布置图如下图所示：

四、基础形式的选择

多层框架结构常用的基础形式有：

柱下单独基础、柱下条形（包括交叉梁式条形）基础、筏形基础、箱性基础等。

一般情况下，多层框架建筑层数少、高度不大、抗震设防要求不高，地基情况较均匀时，宜采用柱下单独基础，但建筑物荷载较大，建筑场地地基承载力较小时，可采用条形基础或筏形基础。

当层数较多，高度较大，抗震设防要求高，地基情况较不均匀时，建筑上要求有地下室时，可考虑采用箱形基础。

本设计中，综合楼层数少、高度不高、基础情况较均匀，故采取柱下单独基础。

结构设计计算

一、框架结构构件截面尺寸及计算简图

1.框架梁截面尺寸确定

（1）横向框架梁：

CD跨跨距l=2400mm

横向框架梁高h=（1/18—1/10）l=（1/18—1/10）2400=133mm—240mm，取h=450mm；

横向框架梁宽b=（1/3—1/2）h=（1/3—1/2）450=150mm—225mm，取b=300mm；

其余各跨取最大跨距l=7500mm

横向框架梁高h=（1/18—1/10）l=（1/18—1/10）7500=417mm—750mm，取h=600mm；

横向框架梁宽b=（1/3—1/2）h=（1/3—1/2）600=200mm—300mm，取b=300mm；

（2）纵向框架梁：

纵向框架梁的最大跨度为7800mm，

纵向框架梁高h=（1/18—1/10）l=（1/18—1/10）7800=433mm—780mm，取h=600mm；

纵向框架梁宽b=（1/3—1/2）h=（1/3—1/2）600=200mm—300mm，取b=300mm

2.次梁截面尺寸确定

根据平面布置，次梁的最大跨度为7500mm

次梁高h=（1/18—1/12）l=（1/18—1/12）7500=417mm—625mm，取h=500mm；

次梁宽b=（1/3—1/2）=（1/3—1/2）500=167mm—250mm，取b=250mm；

3.框架柱截面尺寸确定

设柱支承的楼面荷载面积上竖向荷载产生的轴向力设计值

，为了计算方便，边柱与中柱取同样的截面尺寸，采用C30级混凝土。

首层框架柱轴力：

N=1.25Nv=1.25×12×6×7.8×（7.2+2.4）/2=3369.6KN

2~6层框架柱柱轴力：

N=1.25Nv=1.25×12×5×7.8×（7.2+2.4）/2=2808KN

混凝土结构抗震等级表

结构类型

烈度

框架结构

高度/m

<=30

>30

<=30

>30

<=30

>30

<=25

框架

四

三

二

一

剧场、体育场等

三

二

一

又对于抗震设防烈度为8度，房屋高度为23.1m<30m，即抗震等级为二级的框架结构，为保证柱有足够的延性，需要限制柱的轴压比，柱截面面积应满足下式：

柱轴压比限值

类别

抗震等级

一

二

三

四

框架柱

0.65

0.75

0.85

0.90

首层框架柱截面积：

=3369.6×103/（0.75×14.3）=314181.8mm2

b=h=560mm

2~6层框架柱截面积：

=2808×103/（0.75×14.3）=261818.2mm2

b=h=512mm

综合考虑，取首层框架柱截面尺寸为b=h=600mm，2~6层框架柱截面尺寸为b=h=550mm。

4楼板厚度的确定

根据平面布置，l2/l1=7.5/3.9=1.9<3，为双向板，最大跨度为3.9m。

按刚度（最小高跨比）条件，板厚为l/50=3900/50=78mm。

按构造要求，现浇钢筋混凝土双向板的最小厚度为80mm。

综合荷载等情况考虑，取板厚h=120mm.

梁柱截面尺寸（mm）及混凝土强度等级

层次

混凝土强度等级

框架梁（b×h）

次梁（b×h）

框架柱（b×h）

板厚（h）

横梁

纵梁

AB跨、BC跨、DE跨

CD跨

2~6

C30C30

300×600

300×450

300×600

300×500

700×700

550×550

120

5.计算简图

底层柱高度：

h=4.5m+0.45m+0.5m=5.45m取5.5m，其中4.5m为底层层高，0.45m为室内外高差，0.5m为基础顶面至室外地面的高度，其它柱高等于层高，即3.6m，由此得框架计算简图如图：

计算简图

二、重力荷载计算

梁柱可根据截面尺寸，材料容重及粉刷等计算处单位长度上的重力和下载。

墙、门窗等可计算出单位面积上的重力荷载。

1屋面及楼面的永久荷载标准值

（1）屋面（上人）荷载标准值:

找平层:

15厚水泥砂浆0.015*20=0.3KN/m2

防水层:

（柔性）三毡四油铺小石子0.4KN/m2

找坡层:

40厚水泥石灰焦渣砂浆3％找坡0.04*14=0.56KN/m2

保温层:

50厚聚苯乙烯泡沫塑料板0.05*0.5=0.025KN/m2

结构层:

120厚现浇钢筋混凝土板0.12*25=3.0KN/m2

抹灰层:

15mm厚纸筋石灰抹底：

0.015*16=0.24KN/m2

合计：

4.53KN/m2

（2）楼面荷载标准值:

面层：

1000*1000大理石面层0.28KN/m2

找平层：

20mm厚1:

2水泥砂浆找平：

0.02*20=0.4KN/m2

结构层：

120mm厚现浇混凝土楼板：

0.12*25=3.0KN/m2

抹灰层：

15mm厚纸筋石灰抹底：

0.015*16=0.24KN/m2

合计：

3.92KN/m2

因此六层屋面的恒荷载为:

（54×18.6—38.4×1.5）×4.53=4289.00KN

一~五层楼面荷载:

（54×18.6—38.4×1.5）×3.92=3711.46KN

2屋面及楼面可变荷载标准值

上人屋面均布活荷载标准值:

2.0KN/m2

楼面活荷载标准值：

2.0KN/m2

屋面雪荷载标准值：

×S0=1.0×0.4=0.4KN/m2

———为屋面积雪分布系数,取

因此,六层屋面可变荷载标准值为：

（54×18.6—38.4×1.5）×（2.0+0.4）=2272.32KN

一~五层楼面均布活荷载标准值为：

（54×18.6—38.4×1.5）×2.0=1893.6KN

3梁、柱重力荷载标准值

梁、柱可根据截面尺寸、材料容重及粉刷等计算出单位长度上的重力荷载;对墙、门、窗等可计算出单位面积上的重力荷载。

具体计算过程从略，计算结果如表所示。

1梁自重：

（1）横向框架梁AB、BC、DE跨（300×600）:

结构自重:

　　　　25×0.3×（0.6-0.12）=3.6kN/m

抹灰层:

10mm厚混合砂浆2×0.01×（0.6—0.12）×17+0.3×0.01×17=0.21KN/m

合计：

3.81KN/m

（2）横向框架梁CD跨（300×450）:

结构自重:

　　　　　25×0.3×（0.45-0.12）=2.48kN/m

抹灰层:

10mm厚混合砂浆2×0.01×（0.45—0.12）×17+0.3×0.01×17=0.17KN/m

合计：

2.65KN/m

（3）纵向框架梁（300×600）:

结构自重:

　　　　　　25×0.3×（0.6-0.12）=3.6kN/m

抹灰层:

10mm厚混合砂浆2×0.01×（0.6—0.12）×17+0.3×0.01×17=0.21KN/m

合计：

3.81KN/m

（4）次梁（300×500）:

结构自重:

　　　　　25×0.3×（0.5-0.12）=2.85kN/m

抹灰层:

10mm厚混合砂浆2×0.01×（0.6—0.12）×17+0.3×0.01×17=0.21KN/m

合计：

3.06KN/m

2柱自重：

（1）首层柱b

h=600mm

600mm

结构自重:

25×0.6×0.6=9.0kN/m

抹灰层:

10mm厚混合砂浆0.01×0.6×4×17=0.41KN/m

合计：

9.41KN/m

（2）2~6层柱b

h=550mm

550mm

结构自重:

25×0.55×0.55=7.56kN/m

抹灰层:

10mm厚混合砂浆0.01×0.55×4×17=0.37KN/m

合计:

7.93KN/m

表3-2梁柱重力荷载标准值

层次

构件

n（根）

横框架梁

AB跨横梁

0.3

0.6

3.81

1.5

11.43

521.80

3428.48

AC跨横梁

0.3

0.6

3.81

9.0

68.58

BC跨横梁

0.3

0.6

3.81

7.5

171.45

CD跨横梁

0.3

0.45

2.65

2.4

50.88

DE跨横梁

0.3

0.6

3.81

7.2

219.46

纵框架梁

~跨纵梁

0.3

0.6

3.81

7.2

109.73

822.96

其他跨纵梁

0.3

0.6

3.81

7.8

713.23

次梁

AC跨次梁

0.3

0.5

3.06

9.0

55.08

324.05

BC跨次梁

0.3

0.5

3.06

7.5

114.75

DE跨次梁

0.3

0.5

3.06

7.2

154.22

柱

0.6

9.41

5.5

1759.67

横框架梁

AB跨横梁

0.3

0.6

3.81

1.5

11.43

521.80

2639.44

AC跨横梁

0.3

0.6

3.81

9.0

68.58

BC跨横梁

0.3

0.6

3.81

7.5

171.45

CD跨横梁

0.3

0.45

2.65

2.4

50.88

DE跨横梁

0.3

0.6

3.81

7.2

219.46

纵框架梁

~跨纵梁

0.3

0.6

3.81

7.2

109.73

822.96

其他跨纵梁

0.3

0.6

3.81

7.8

713.23

次梁

AC跨次梁

0.3

0.5

3.06

9.0

55.08

324.05

BC跨次梁

0.3

0.5

3.06

7.5

114.75

DE跨次梁

0.3

0.5

3.06

7.2

154.22

柱

0.55

7.93

3.6

970.63

4墙、门窗重力荷载标准值

外墙250mm厚加气混凝土砌块，外面贴瓷砖（0.5kN/m

）,内墙面为

厚抹灰，则外墙单位墙面重力荷载为：

0.5+15×0.25+17×0.02=4.59KN/m2

内墙为240mm厚加气混凝土砌块，两侧均为

厚混合砂浆抹灰，则内墙单位面积重力荷载为：

15×0.2+17×0.02×2=3.68KN/m2

外门窗全部采用塑钢料g=0.3KN/m2

内门窗采用采用木门窗g=0.2KN/m2

1底层墙体、门窗重力荷载

（1）门窗洞口面积：

S外=1.2×1.5×17+2.7×1.5×4+3.6×2.4×1+1.5×2.1×2=61.74m2

S内=0.9×2.1×13+1.2×2.1×4+1.5×2.1×4+1.2×1.2×1=48.69m2

（2）墙体（含门窗洞口）面积：

S外=（4.5—0.6）×（7.92+6.12+24.6+24.6+0.9）×2+（4.5—0.45）×2.16×2

=3.9×128.28+4.05×4.32

=517.79m2

S内=（4.5—0.6）×（6.12×6+6.42×6+21.3×4）+（4.5—0.5）×（6.83×6+7.13×4+3.66）

=3.9×160.44+4.0×73.16

=918.36m2

（3）门窗墙体重力荷载：

（517.79—61.74）×4.59+（918.36—48.69）×3.68+61.74×0.3+48.69×0.2

=456.05×4.59+869.67×3.68+61.74×0.3+48.69×0.2

=5321.92KN

2标准层墙体、门窗重力荷载

（1）门窗洞口面积：

S外=1.2×1.5×19+2.7×1.5×5=54.45m2

S内=0.9×2.1×13+1.2×2.1×4+1.5×2.1×4=47.25m2

（2）墙体（含门窗洞口）面积：

S外=（3.6—0.6）×（7.92+6.12+24.6+24.6+0.9）×2+（3.6—0.45）×2.16×2

=3×128.28+3.15×4.32

=398.45m2

S内=（3.6—0.6）×（6.12×6+6.42×6+21.3×4）+（3.6—0.5）×（6.83×

6+7.13×4+3.66）

=3×160.44+3.1×73.16

=708.12m2

（3）门窗墙体重力荷载

（398.45—54.45）×4.59+（708.12—47.25）×3.68+54.45×0.3+47.25×0.2

=344×4.95+660.87×3.68+54.45×0.3+47.25×0.2

=4160.59KN

3顶层墙体、门窗重力荷载

（1）门窗洞口面积：

S外=1.2×1.5×19+2.7×1.5×5=54.45m2

S内=0.9×2.1×13+1.2×2.1×4+1.5×2.1×4=47.25m2

（2）墙体（含门窗洞口）面积：

S外=（3.6—0.6）×（7.92+6.12+24.6+24.6+0.9）×2+（3.6—0.45）×2.16×

2+（54×2+18.6×2+1.5×2）×0.9

=3×128.28+3.15×4.32+148.2×0.9

=531.83m2

S内=（3.6—0.6）×（6.12×6+6.42×6+21.3×4）+（3.6—0.5）×（6.83×

6+7.13×4+3.66）

=3×160.44+3.1×73.16

=708.12m2

（3）门窗墙体重力荷载

（531.83—54.45）×4.59+（708.12—47.25）×3.68+54.45×0.3+47.25×0.2

=477.38×4.95+660.87×3.68+54.45×0.3+47.25×0.2

=4820.82KN

5荷载分层汇总

顶层重力荷载代表值包括：

屋面恒载，50%的均布活荷载，纵横梁自重、半层的柱自重、半层墙体自重。

其它层重力荷载代表值包括：

楼面恒载；50%的楼面均布活荷载；纵横梁自重，楼面上下半层的柱及纵横墙体自重。

将上述分项荷载相加，得到集中于各层楼面的重力荷载代表值如下：

第六层：

G6=4289+0.5×2272.32+1668.81+0.5×970.63+0.5×4820.82

=9990N

第五层：

G5=3711.46+0.5×1893.60+1668.81+0.5×（970.63+970.63）+0.5×（4820.82+4160.59）

=11788KN

第四层：

G4=3711.46+0.5×1893.60+1668.81+0.5×（970.63+970.63）+0.5×（4160.59+4160.59）

=11458KN

第三层：

G3=3711.46+0.5×1893.60+1650.6+0.5×（970.63+970.63）+0.5×（4160.59+4160.59）

=11458KN

第二层：

G2=3711.46+0.5×1893.60+1650.6+0.5×（970.63+970.63）+0.5×（4160.59+4160.59）

=11

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