多层框架课程设计.docx
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多层框架课程设计
多层工业厂房结构设计任务书
一、工程概况
1、多层工业厂房建筑平面布置见图。
采用普通砖墙，墙厚均为240mm.柱初定截面尺寸统一为:
b×h=400×500mm2.该建筑工5层，每层使用功能相同。
采用钢筋混凝土全现浇框架结构。
楼层层高分别为：
底层4.5m，其他层4.2m.
2、楼面及屋面构造说明：
楼层地面采用水磨石面层30mm（含结合层），荷载0.65kn/m2.钢筋混凝土板厚自定（参考厚度100mm-120mm）
荷载25kn/m3，板底抹灰及刷白20mm厚，荷载0.34kn/m2。
屋面做法及荷载取值见附图。
3、材料：
混凝土：
基础：
C20，柱、梁、板C30。
钢筋：
各构件受力主筋采用HRB400级或HRB335级，箍筋采用HPB235级。
4、楼面均布活载取5KN/M2。
风荷载基本值取0.45KN/M2，不计地震力及雪荷载。
地基土质较好，均为粘性土，宜采用天然地基，地基承载力特征值fa=280kpa,基础埋深初定2.3m.
二、本结构特点
（一）、钢筋混凝土结构
优点：
1、混凝土硬化后钢筋与混凝土之间产生了良好的粘结力，使两者可靠地结合在一起，从而保证在外荷载的作用下，钢筋与相邻混凝土共同变形。
2、钢筋与混凝土两种材料的线膨胀系数的数值颇为接近。
3、耐久性：
在钢筋混凝土结构中，混凝土的强度随时间的增加而增长，且钢筋受混凝土的保护而不被锈蚀，所以钢筋混凝土的耐久性是很好的，不像钢结构那样需要经常的保养和维修。
4、耐火性：
混凝土包裹在钢筋之外，起着保护作用。
若有足够的 保护层，就不致因火灾 使钢材很快达到软化的危险温度而造成结构整体破坏，与木结构相比，钢筋混凝土结构的耐火性很好。
5、整体性：
钢筋混凝土结构特别是现浇的钢筋混凝土结构，由于整体性好，对抵抗地震作用具有较好的性能。
6、可膜性：
钢筋混凝土结构可根据需要浇制各种成各种形状和尺寸的结构。
7、节约钢材：
钢筋混凝土结构合理地发挥了材料的性能，在某些情况下可以代替钢结构，从而节约了钢材并降低造价。
缺点：
1、普通钢筋混凝土本身自重比钢结构大。
自重过大对于大跨度结构、高层建筑以及结构的抗震都是不利的。
2、钢筋混凝土结构的抗裂性能较差，在正常使用时往往带裂缝工作。
3、建造较费工，现浇结构模板需耗用较多的木材，施工条件受限制，补强修复较困难，隔热隔声性能较差等等。
规范要求：
根据规范GB50011-2001规定：
地震烈度为6度：
现浇混凝土房屋适用的最大高度≤60m（框架结构）
≤130m（剪力墙结构）
（二）、框架结构体系
框架是由梁、柱构件通过节点连接形成的骨架结构，由梁、柱承受竖向
和水平荷载，墙仅起维护作用。
1、优点：
其整体性和抗震性均好于混合结构，且平面布置灵活，可提供较大的使
用空间，也可以构成丰富多变的立面造型。
2、缺点：
结构抗侧移刚度较小，在地震区由于层间位移和顶点位移的限制，建筑较高时难以满足要求，或虽满足要求但截面尺寸过大配筋过多而不经济；因此框架结构最大高度受到限制。
现浇框架在6度设防时适用的最大高度为60米，高宽比限值为5。
本工程总高为24米，而高宽比也在限值以内，可以使用框架结构体系。
另外梁柱节点构造较为复杂，在装配式钢筋混凝土框架结构中更为突出。
框架的横向承重方案，指结构体系的主梁沿建筑横向布置，楼板及连梁则沿纵向布置，此时主梁与柱组成主框架，结构横向刚度较大，外纵强墙可开设较大的窗户，利于采光，是高层建筑中常用的承重方案；框架的纵向承重方案是使主梁沿建筑纵向布置，楼板及连梁则沿横向布置。
这样的框架纵向刚度增大，连系梁因不承受楼板荷载而减小梁高，有利于增加室内净高。
但其横向刚度较差，不利于抗风抗震，且层间位移及顶点位移较横向承重方案大，故在地震地区不宜采用。
由于设备安装的需要，工业建筑中常采用框架纵横向承重方案。
这种方案兼具以上两者的优点，但连系梁纵横布置，增加了结构的复杂性。
按其施工方法可分为：
现浇框架、装配式框架及装配整体式框架三种。
3、规范要求：
根据GB50011-2001规定：
地震烈度为6度：
建筑物的最大高度≤60m，层数在15至20层为宜，抗震墙间距最大≤18m。
三、结构平面布置的原则、方法、结果
（一）、框架布置原则：
1、平面易简单。
2、注意高宽比。
3、减少平面和竖向布置的不规则性。
4、当建筑单元过长时，应考虑设伸缩缝。
5、当建筑高差相差过大时，应考虑设沉降缝，或者新建筑物附近有旧建筑物，避免地基破坏，虚设沉降缝。
6、框架结构水平承重选用时考虑因素
使用要求
当地施工条件
经济性
（二）、框架结构平面布置应注意问题
1、框架结构的梁柱易贯通，不宜采用复试框架，尽量避免采用梁上立柱，柱上
顶板或板上压墙的结构方案。
2、边柱应注意防止被通长设置的纵梁、过梁分割成短柱，由于短柱是脆性破坏的构件，延性差对抗震不利。
3、梁柱的截面尺寸划一
4、框架柱上下层截面尺寸不同时，边柱应向内扩展，中柱宜向两侧扩展。
5、框架梁的截面中心线易与柱中心线重名，边框架的大量以及沿处纵墙的
纵向梁可以编置，但应注意加强刚度构造。
6、角截面尺寸可以较边柱截面尺寸大一号或尺寸相同，增加角柱纵筋数量
并按全高加倍配置箍筋。
7、结构标高较建筑标高一个面层厚度。
8、围护结构宜采用轻质填充墙。
（三）、结构布置
1、主梁—框架梁
主梁高度的选定：
h=l/（12～18）,l为主梁的跨度。
梁宽度的选定：
b=h（1/3～1/2）
常用的梁宽为：
200mm、240mm、250mm、300mm。
截面尺寸估算：
由本工程实际:
若主梁支撑墙，则主梁宽度宜与墙的厚度一致
l1=6300mm,h1=l/（12～18）*6300=525mm～350mm.取550mm.
b1=550*（1/3～1/2）=183mm～275mm.取250mm.则截面尺寸为250mm×550mm
l2=4500mm,h2=l/（12～18）*4500=375mm～250mm.
考虑到建筑要求取400mm.
b2=400*（1/3～1/2）.取250mm.则截面尺寸为250mm×400mm
2、次梁
次梁高度的选定：
h=l0/（15～25），以50mm为模数，l0为次梁的跨度。
次梁宽度的选定：
b=（1/2～1/3）h，若次梁支撑墙，则次梁宽度宜与墙的厚度一致。
常用的次梁宽度为：
150mm、180mm、200mm。
由本工程实际，厕所上的次梁取250mm×350mm
楼梯梁：
200mm×400mm
3、板
本工程采用现浇肋梁楼盖
连续双向板：
板厚≥板的短边尺寸/（40～50）则板短边=4500mm,
板厚=4500/（40～50）=112mm～90mm
连续单向板：
板厚≥板的短边尺寸/35
本工程楼面板取100㎜厚，屋面板取100㎜厚，走廊板取100㎜厚。
板的尺寸布置见2层结构平面布置图。
4、柱的截面尺寸验算
框架柱的截面尺寸一般根据柱的轴压比限值按下列式子估算：
N=βFgEn，[μN]Ac≥N/fc
其中，N为柱组合的轴压力设计值；F为按简支状态计算的柱的负载面积；gE为折算在单位建筑面积上的重力荷载代表值，可根据实际荷载计算，也可以近似取12～15KN/m²;β为考虑地震作用组合后柱轴压力增大系数，边柱取1.3，不等跨内柱取1.25，等跨内柱取1.2；n为验算截面以上楼层层数；[μN]为框架柱轴压比限值，此处可以近似取：
对于一级、二级和三级抗震等级，分别取0.7，0.8和0.9。
在构造要求方面，柱截面高度hc不宜小于400㎜，宽度不宜小于350㎜，柱净高与截面长边尺寸之比宜大于4。
框架柱上、下截面高度不同时，从下至上，边柱一般采用内缩，中柱采用两边缩。
每次缩小的柱截面高度以100～150㎜为宜。
框架梁的截面中心线宜与柱中心线重合。
当必须偏置时，同一平面内的梁、柱中心线间的偏心距不宜大于柱截面在该方向边长的1/4。
中间柱：
N=βFgEn
=1.2×4×15KN/m²×6300×4500=204120000000
Ac≥N/（fc[μN]）
=204120000000/1.0×14.3×100000=1427412㎜²
各层：
取b×h=400㎜×500㎜
边柱：
N=βFgEn
=1.3×4×15KN/m²×6300×4500×0.5=102060000000
则柱截面取400㎜×500㎜亦可。
四、一榀框架荷载及内力计算
（一）计算简图
（二）、恒荷载标准值计算
查规范知：
钢筋混凝土：
25KN/m3
钢窗：
0.4KN/m²
普通砖：
19KN/m3
300mm面层板：
0.65KN/m²
板底抹灰及刷白20mm厚：
0.34KN/m²
楼面恒荷载标准值
30mm厚水磨石面层：
0.65KN/m²
100mm厚钢筋混凝土面层：
0.1×25=2.5KN/m²
20mm板底抹灰及刷白：
0.34KN/m²
合计：
3.49KN/m²
屋面恒荷载标准值
10mm厚混凝土盖板架空层：
0.4KN/m²
三毡三油沥青防水层：
0.35KN/m²
20mm厚水泥沙浆找平层：
0.4KN/m²
100mm钢筋混凝土屋面板：
25×0.0=2.5KN/m²
顶棚20mm厚混合沙浆及刷白：
0.34KN/m²
合计：
3.99KN/m²
（三）、一榀框架恒荷载计算
1、2~5层荷载计算
A、楼面框架梁线荷载标准值：
KL自重：
0.25×0.55×25=3.44KN/m
粉刷：
0.02×（0.55-0.1）×2×17=0.31KN/m
g1=3.75KN/m（均布）g2=3.49×3.15/2=5.5KN/m（三角）
B、本框架节点集中荷载标准值：
A与C轴一样：
KL自重：
0.4×0.5×25×4.2=21KN
粉刷：
0.02×（0.4+0.5）×4.2×17=1.29KN
连系梁传来自重：
0.25×0.55×25×4.5=15.47KN
粉刷：
0.02×（0.55-0.1）×2×4.5×17=1.38KN
连系梁传来楼面荷载：
3.49×0.5×（4.5+4.5-3.15）×3.15/2=16.08KN
节点集中力GC=GA=106.44KN
B-C与A-B一样：
连系梁传来自重：
0.25×0.4×25×4.5=11.25KN
粉刷：
0.02×（0.4-0.1）×2×4.5×17=0.92KN
连系梁传来楼面荷载：
16.08×2=32.16KN
节点集中力GBC=GAB=44.33KN
B轴：
KL自重：
0.4×0.5×25×4.2=21KN
粉刷：
0.02×（0.4+0.5）×4.2×17×2=2.57KN
连系梁传来自重：
0.25×0.55×25×4.5=15.47KN
粉刷：
0.02×（0.55-0.1）×2×4.5×17=1.38KN
连系梁传来楼面荷载：
32.16KN
节点集中力GB=72.58KN
2、屋面荷载计算
A、屋面框架梁线荷载标准值：
KL自重：
0.25×0.55×25=3.44KN/m
粉刷：
0.02×（0.55-0.1）×2×17=0.31KN/m
g1=3.75KN/m（均布）g2=3.99×3.15/2=6.28KN/m（三角）
两边各外伸900mm：
g1=3.75KN/m（均布）
B、本框架节点集中荷载标准值：
A与C轴一样：
KL自重：
15.47KN
粉刷：
1.38KN
连系梁传来楼面荷载：
3.99×0.5×（4.5+4.5-3.15）×3.15/2+3.99×0.9/2×4.5=26.46KN
节点集中力GC=GA=43.31KN
B-C与A-B一样：
连系梁传来自重：
0.25×0.4×25×4.5=11.25KN
粉刷：
0.02×（0.4-0.1）×2×4.5×17=0.92KN
连系梁传来楼面荷载
3.99×0.5×（4.5+4.5-3.15）×3.15/2×2=36.76KN
节点集中力GBC=GAB=48.93KN
B轴：
连系梁传来自重：
15.74KN
粉刷：
1.38KN
连系梁传来楼面荷载：
36.76KN
节点集中力GB=53.61KN
A外、C外：
女儿墙重：
0.12×1×4.5×19=10.26KN
粉刷：
0.02×2×4.5×17=3.06KN
连系梁传来自重：
0.2×0.4×25×4.5=9KN
粉刷：
0.02×（0.4-0.1）×2×4.5×17=0.92KN
节点集中力GA外=GA外=33.12KN
3、形成框架荷载如下图
（四）、楼面活荷载计算
楼面活荷载作用下的结构计算简图，图中荷载值计算如下：
楼地面活荷载标准值：
5KN/m²
1、一到四层的活荷载相同：
Q梯形=5KN/m²×6.3m/4=7.875KN/m
R=1/2×（7.875×2.925）=11.517KN
P边=2R=23KN
Q三角形=5KN/m²×6.3m/4=7.875KN/m
P中=4R=46.1KN
2、屋面活荷载计算：
只有两边的节点荷载不同：
P=4.5×0.45×5=10.125KN
M=0.9×10.125=9.1KN.m
P总=23+10.125×2=43.2KN
（五）、风荷载计算
风荷载标准值计算公式为
ω=βz×μs×μz×ωo
βz－z高度处得风震系数
μs－风荷载体型系数荷载体型系数,建筑物为矩型平面，由建筑物的体型可查得其迎风荷载体型系数μs1=+0.8，其背风荷载体型系数μs2=－0.5
μz－风压高度变化系数，由地面粗糙度和离地面的高度来决定
ωo－基本风压按《建筑结构荷载规范GB50009—2001》中附表D.4查取，南宁市海拔高度73.1m，n=50，取本地基本风压值为ω0=0.45kN/㎡,地面粗糙度可为B类，将作用于栏杆上得风荷载换成作用于屋面节点上得集中荷载，把其它风荷载换算成作用在框架则面上的线荷载。
建筑物高度为21.3m<30m，不考虑脉动系数影响。
对于矩形截面μs=1.3
βz＝1.0
μz按下表取值：
Z（m）
μz
5
1.00
10
1.00
15
1.14
20
1.25
30
1.42
Z1=4.5+0.5=5mA1=4.5×（4.5/2+4.2/2）=19.575m2
Z2=8.7+0.5=9.2mA1=4.5×4.2=18.9m2
Z3=12.9+0.5=13.4mA1=4.5×4.2=18.9m2
Z4=17.1+0.5=17.6mA1=4.5×4.2=18.9m2
Z5=21.3+0.5=21.8mA1=4.5×（2.1+1）=13.95m2
βz
μs
Z
μz
ωo
A
PW
5
1.00
1.3
21.8
1.28
0.45
13.95
10.44
4
1.00
1.3
17.6
1.20
0.45
18.9
13.27
3
1.00
1.3
13.4
1.10
0.45
18.9
12.16
2
1.00
1.3
9.2
1.00
0.45
18.9
11.06
1
1.00
1.3
5.0
1.00
0.45
19.575
11.45
左左风图.
右右风图（方向相反,大小相同）
五、计算梁、柱的内力组合
（一）、竖向荷载运用分层发进行荷载计算
1、将多层框架分层，以每层梁与上下柱组成的单层框架作为计算单元柱远端假定为固端。
2、用力矩分配法分别计算各计算单元的内力
3、由于除底层柱底是固定端外，其他各层柱子均为互相间弹性连接。
为减少误差，除底层外，其他各层柱子的线刚度均乘以0.9的折减系数，相应的传递系数也改为1/3，底层依旧是1/2。
4、分层计算所谓的梁端弯距即为最后弯距，由于每根柱子分别属于上、下两个计算单元，所以柱端弯距要进行叠加。
此时节点上弯距可能不平衡，但一般误差不大，如需要进一步调整，可将节点不平衡弯距再进行一次分配，但不再传递。
（二）、内力计算（假设作用在节点的荷载不产生M）
1、恒载作用下的内力计算
（1）、顶层
计算简图
荷载等效：
Q=12.56×5/8=7.85KN/m
取半结构：
杆的固端弯距为：
MAB=31.33+1/12×11.6×6.32+1/8×48.93×6.3=108.23KN.m
MB=1/12×11.6×6.32+1/8×48.93×6.3=76.9KN.m
I=bh3/12
梁：
250×550I梁=0.0035
柱：
400×500I柱=0.0042
进行弯矩分配A11A1BB1
-108.2776.9
69.3838.8519.43
-9.72
6.233.491.74
0.87
-0.56-0.31
25.0275.05-75.0598.07
（2）、中间层
荷载等效：
Q=11×5/8=6.88KN/m
取半结构：
杆的固端弯距为：
MAB=MBA=1/12×10.63×6.32+1/8×44.33×6.3=70.07KN.m
进行弯矩分配121A1BB1
-70.0770.07
23.2723.2715.337.67
3.84
-1.5-1.5-0.84-0.42
-0.21
-0.56-0.31
8.6525.9525.95-51.977.32
（3）、底层
杆的固端弯距为：
MAB=MBA=1/12×10.63×6.32+1/8×44.33×6.3=70.07KN.m
进行弯矩分配121A1BB1
-70.0770.07
3121.7117.368.68
4.34
-1.92-1.34-1.08-0.54
-0.27
0.120.080.07
9.7329.220.45-49.6578.21
10.23
得到弯距图：
未标注数字为左右对称，可以参照另一边：
节点弯距不平衡。
故再分配一次进行修正。
但不传递。
37.85-3.85=34
20.45-2.7=17.75
49.65+2.16=51.81
51.9+4.02=55.92
35.68-7.18=28.5
34.6-7.18=27.42
34.6-6.76=27.84
51.9+3.79=55.69
34.6-13.15=21.45
51.9+7.36=58.26
83.7-5.54=78.16
75.05+3.1=78.15
则最终恒载弯距图如下：
未标注数字为左右对称，可以参照另一边：
由M图得相应的N、V图如下
未标注数字为左右对称，可以参照另一边：
剪力：
则Q1=（78.15+48.93×6.3/2+11.6×6.32/2-114.48）/6.3=55.24KN
同理可得Q2=66.77KN
轴力：
N=55.24+79.81=135.05KN
N=66.77×2+58.61=192.15KN
2、活载作用下的内力计算
计算方法同恒荷载
得到的结果为
3、风荷载作用下的内力计算
左右风近似，只计算左风
（水平荷载作用下近似计算采用反弯点法）
线刚度相对值如图所示
（1）、求各柱子剪力的分配系数
如图易知，各μ均相等。
μ=1/3
（2）、确定反弯点高度，顶层及以上为柱中点，底层为2/3处
（3）、求各柱在反弯点的剪力值
V5=1/3×10.44=3.48KN
V4
=1/3×（10.44+13.27）=7.90KN
V3
=1/3
×（10.44+13.27+12.16）=11.96KN
V2
=1/3×（10.44+13.27+12.16+11.06）=15.64KN
V1
=1/3
×（10.44+13.27+12.16+11.06+11.54）=19.46KN
（4）、求柱端弯距
M5=4.2/2×3.48=7.31KN.m
M4=4.2/2×7.90=16.59KN.m
M3=4.2/2×11.96=25.12KN.m
M2=4.2/2×15.64=32.84KN.m
M1=6/3×19.46=77.84KN.m
M0=2×6/3×19.46=77.84KN.m
（5）、求梁端弯距
梁端弯距按梁线刚度分配，由于对称，中间节点为柱端弯距的一半。
Q
（三）公式
无地震作用时的荷载效应组合
S=RGCGGK+RQ1CQ1Q1K+ψWRWCWWK
其中S为荷载效应组合的设计值
RG、RQ1、RW为恒、活、风荷载的分向系数，查表分别取值1.2、1.3、1.4
GK、Q1K、WK为恒、活、风荷载的标准值
应该根据最不利内力类型来选择控制截面，因此通常选择横梁的两端支座截面和跨中截面来进行内力组合，柱的上下截面来进行内力组合。
内力调整：
对结构要进行弯距调幅，对于现浇框架，支座弯距调幅系数为0.8~0.9。
支座弯距降低以后，经过塑性内力重分配，跨中弯距增大，可以乘已1.2增大系数。
（四）内力组合步骤：
1、恒、活、风荷载按各自规律布置，进行内力分析。
2、取出个控制截面的内力，经过内力调整后填入表内。
3、选出若干组合，将各内力分别乘以相应的荷载分向系数及组合系数。
4、按不利内力的要求分组叠加内力。
5、在若干不利内力中选最不利内力作为构件截面的设计内力。
（五）内力组合计算：
选取一根梁、柱，2层中间柱及三层一根梁。
控制截面如图：
（55.92+77.32）/2-（44.33×6.3）/8-10.63×6.32/8=-21.34
梁的内力组合：
截面
荷载
1
2
3
M
V
M
M
V
恒荷载
①
-55.92
×0.8
=-44.74
52.25
21.43×
1.2=25.61
-61.86
-59.05
活荷载
②
-19.4
×0.8
=-15.52
32.9
-44.6×1.2=-53.52
-44.4
-37.9
风荷载
③
57.96
13.8
14.49
28.98
13.8
内力组合
竖向荷载
①×1.2+②×1.3
④
-73.86
105.47
-38.84
-131.95
-120.13
竖向荷载+风荷载
①×1.2+②×1.3+③×1.4
⑤
-155.00
124.79
-59.13
-172.52
-139.45
柱的内力组合：
柱
M4
M5
N
V
恒荷载
①
0
0
855.37
0
活荷载
②
0
0
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