框架结构.doc

摘 要
此本设计说明是对苏州某科技城独立式标准框架厂房的设计说明。在了解该厂房的原始设计资料、工程概况的情况下，对该框架厂房的设计作了建筑、结构等方面的设计要求。拟定了长60米，宽28米的5层框架厂房后，画出符合要求的建筑图。然后根据工程概况（风荷载、抗震等级、楼面活荷载等）和框架厂房的自身情况等因素确定框架的最不利内力，并以此作为结构设计的荷载依据。在本设计中，框架的梁、柱、基础、楼板、楼梯均作了详细的计算，而且都符合规范要求。最后，将手算的结构与PKPM软件所计算的结果进行比较，发现两者的结果接近。本设计中还附带了在PKPM软件电算的内容。

关键词：工程概况 框架结构 内力计算 构件设计

ABSTRACT
The design descriptions are totally for the frame structure of a workshop in Suzhou. With its original design resources and situation of the project, we have put forward some standards in aspects of construction and structure. We estimate the workshop 60m in length 28m in wid-
th an have 5 floors. Then I drew construction figures under standards. According to original resources (wind load,seismic grade,live load on floor,etc) and figure of framework workshop, I worked out the worst internal force of structure, which I used to design the structure. Among the process of designation, I calculated bars,columns,floors and stairs in details. Besides,all the designation are fit to standards. Finally, I compared product designed by myself with the one designed by PKPM. As a result, the two designations are similar. Calculation by PKPM is also included in the calculation.

Key words: situation of project, frame structure, internal force calculation, component designation.

目 录

第一章 设计任务及要求 1
1.1 设计原始资料 1
1.2 建筑设计任务及要求 1
1.3 结构设计任务及要求 2
第二章 结构设计计算 4
2.1 结构布置及计算简图 4
2.2 荷载计算 6
2.3 框架侧移刚度计算 11
2.4 横向水平作用下框架内力和侧移计算 12
2.5 竖向荷载作用下结构的内力计算 21
2.6 截面设计 44
2.7 楼板设计 51
2.8 基础设计 55
2.9 楼梯设计 61
第三章 PKPM建模数据 64
参考文献 72
致谢 73

78

第一章 设计任务及要求

1.1 设计原始资料

1.1.1 工程概况
该厂房为4~5层钢筋混凝土框架结构，总建筑面积为8000~10000，建筑等级为二类建筑。建筑基础埋深1.2m，一层层高5.4m，标准层高4.5m。建筑物平面形式为矩形，南北宽不超过40m，东西长40~60，室内外高差450mm。本建筑设楼梯二座（东、西两个出入口），电梯二部；无地下室为车库，各层由办公室、会议室及大空间操作车间等组成；顶层有电梯机房，屋面为平屋顶；平面、立面尺寸拟定应符合国家有关模数规范。

1.1.2 设计条件
1、 冬季采暖室外空气计算温度-5℃，夏季通风室外空气计算温度30℃，冬季采暖室内空气计算温度18℃；
2、 冬季主导风向东北，平均风速1.9 m/s，夏季主导风向东南，平均风速2.2 m/s， e基本风压0.50 kN/m2；
3、年平均降水量1450mm，日最大降水量100.6mm；
4、常年地下水位低于-2m，水质对混凝土没有侵蚀作用；
5、建筑场地50年一遇的基本雪压S0=0.40 kN/m2；
6、地基承载力特征值为240 kN/m2，I类场地；
7、建筑结构设计使用年限50年，安全等级二级。
8、建筑抗震设防类别为丙类，设防烈度6度，设计基本地震加速度值0.05g，设计地震分组为第一组，I类场地设计特征周期0.25 s；
9、结构形式为框架结构，框架抗震等级为三级；

1.2 建筑设计任务及要求

根据毕业设计大纲要求，建筑设计只进行方案设计，设计深度达到扩初设计水平。分配三周的时间。具体要求完成以下任务：
（1）建筑方案图（为了后面计算简便，注意横向对称）
1、底层平面图1:100~200
2、标准层平面图1:100~200
3、主要立面图1:200
4、剖面图（剖到电梯井）1:100~200
5、总平面示意图1:500~1000
图纸工作量：计算机绘图A2图纸6张左右
（2）建筑设计说明书
要求完成一份建筑设计说明书。具体内容提纲如下：
1、设计任务简介
2、建筑设计提纲
3、平、立、剖面设计说明
4、承重结构的选择与布置
5、围护结构的选择与布置
6、主要节点构造说明
7、其他说明
（3）设计要求
1、在充分理解设计任务要求的基础上，使建筑设计达到房间设置合理，使用方便，交通安全流畅；设计方法正确；步骤清晰完整；并学会正确使用规范和标准图集。
2、绘图要求严格按照制图标准要求，做到图幅规范，布图紧凑匀称，线条流畅，粗细分明，尺寸齐全，注字规范。
3、说明书的撰写应字迹工整，结构严谨，条理清楚，文字通顺。

1.3 结构设计任务及要求

结构设计分配六周时间
（1）学生通过调研收集资料，完成调研及方案论证报告；
（2）结构设计计算书
1、结构方案的确定，根据使用要求，场地条件，抗震设计等要求并遵循使用方便、结构合理、施工可行的原则，经过分析比较确定结构方案。包括结构选型、结构体系的选型、结构布置、基础形式的确定和主要承重构件截面尺寸的确定；
2、结构内力计算（手算一榀标准框架）；
3、结构电算复核，电算主要成果输出，并将电算结果与手算作对比分析；
4、楼梯、楼板设计；
5、基础设计。
（3）结构施工图
1、基础图1张；
2、结构布置图1~2张；
3、楼梯配筋图1张；
4、楼板配筋图1张；
5、框架配筋图1张。
图纸工作量：计算机绘图A2图纸6张左右。
（4）设计要求
1、每个学生应通过毕业设计锻炼自己独立思考的能力，提高阅读和使用参考资料、综合运用所学各门知识，分析和解决问题的能力。熟悉并正确运用各种规范。
2、设计方案合理；设计方法正确；计算数据可靠；计算书条理清晰，文字简练，书写工整。
3、设计图纸能正确表达设计意图，符合制图标准，图面布置协调合理。

第二章 结构设计计算

2.1 结构布置及计算简图

2.1.1 结构布置
根据该厂房的使用功能及建筑设计的要求，进行了建筑平面、立面及剖面的设计。主体结构共5层，局部突出屋面的塔楼为电梯机房，高3米。
填充墙采用240mm厚的粉煤灰轻渣空心砌块。门有木门和铁门，铁门装在厂房的入口处，其他地方为木门，洞口大小见建筑图。
楼盖和屋盖均采用现浇混凝土结构，楼板后100mm。梁截面高度按跨度的1/12~1/8估算。估算结果见表2.1.。表2.1中还给出来隔层梁、柱、板的混凝土强度等级和截面尺寸。
表2.1各层梁截面尺寸及混凝土强度等级

横梁（b×c）/
纵梁（b×h）
次梁（b×c
1~3
C30
350×600
350×700
300×450
4~5
C30
300×600
300×700
300×450

柱的截面尺寸可根据进行估算。该框架厂房的抗震等级为三级，框架柱轴压比限值为=0.9。底层中这算在单位面积上的重力荷载代表值近似取13,其他各层去12，先偏安全地取为13。边柱和中柱的负荷面积分别为3.5m×6m，7m×3m，7m×6m。则第一层柱截面的面积应为：
边柱：
中柱：
如截面取正方形，则边柱与中柱的边长分别为371mm，505mm。
若柱截面按照（1/15~1/10）进行估算（为第i层层高），则底层柱的边长为b=（1/15~1/10）×(5.0+0.45+0.2) ×=（377~565）mm，其中0.2为基础埋深减去基础高度（即1.2－1.0）m； 其他层柱的边长b=（1/15~1/10）×4.5 ×=（300~450）mm。
根据以上计算结果并综合其他因素，本设计截面尺寸从1~5层都取600mm×600mm。
基础选用柱下扩展独立基础，埋深为1.2m，基础高度为1.0m。
框架结构的计算简图如图2.1所示。取顶层柱的形心线为框架柱的轴线，梁轴线取至板底，2~5层的柱高为层高，即为4.5m；底层柱的层高取基础顶面与第二层楼面底部标高之差，则底层柱高为（1.2－1.0）+0.45+5.0=5.65m。

2.1.2 框架梁柱的线刚度计算
对于中框架梁，取，对于边框架梁，取，对于柱取。
1~3层梁：

4~5层梁：

底层柱：

图2.1 框架横向计算简图
注：括号中的数值为边框架的相对线刚度
4~5层柱：

设2~5层柱的相对线刚度为1，则底层柱的相对线刚度为诶0.80，1~3层中框架梁的相对线刚度为0.75，4~5层中框架梁梁的相对线刚度为0.64，1~3层边框架梁的相对线刚度为0.56，4~5层边框架梁的相对线刚度为0.48。

2.2 荷载计算

2.2.1 重力荷载计算
1、屋面（上人）自重
30厚细石混凝土
三毡四油防水层
20厚水泥砂浆找平层
40厚蛭石水泥砂浆找坡层
25厚玻璃保温层
100厚钢筋混凝土板
10厚混合砂浆抹灰层
合计：4.43

2、1~4层楼面自重
水磨石地面：20厚水泥砂浆打底，10厚面层
100厚钢筋混凝土板
10厚混合砂浆抹灰层
合计：3.32

3、梁自重
1~3层主梁
钢筋混凝土结构
抹灰层
合计：5.48
4~5层主梁
钢筋混凝土结构
抹灰层
合计：4.72
次梁自重
钢筋混凝土结构
抹灰层
合计：3.56

1~3层纵梁
钢筋混凝土结构
抹灰层
合计：6.389
4~5层纵梁
钢筋混凝土结构
抹灰层
合计：5.505
4、柱自重
钢筋混凝土结构
抹灰层
合计：9.41
5、墙体自重
木门重0.2，钢铁门重0.45，铝合金窗重0.45。
外墙：
水刷石外墙面 0.5
240厚粉煤灰轻渣空心砌块
20厚混合砂浆内墙抹面
合计：2.76
内墙：
240厚粉煤灰轻渣空心砌块
20厚混合砂浆内墙抹面
合计：2.60
2.2.2 活荷载标准值计算
屋面和楼面活荷载标准值根据《06建筑结构荷载规范》查得
上人屋面 2.0
楼面 4.0
雪荷载
屋面活荷载与雪荷载不同时考虑，取两者中的较大者。

2.2.3 重力荷载代表值
重力荷载代表值应取结构和构件自重标准值加上个可变荷载组合值，即
。表2.2汇总了各层重力荷载代表值的计算过程。

表2.2 梁柱重力荷载标准值

层次

构件

1
横梁
5.480
6.40
44
1543
4374
纵梁
6.389
5.40
55
1725
次梁
3.560
6.90
38
933
柱
9.410
5.65
61
3243

2~3
横梁
5.480
6.40
44
1543
4374
纵梁
6.389
5.40
55
1725
次梁
3.560
6.90
38
933
柱
9.410
4.50
61
2583

4~5
横梁
4.720
6.40
44
1543
3891
纵梁
5.505
5.40
55
1725
次梁
3.560
6.90
38
933
柱
9.410
4.50
61
2583

由表2.2中的数据进行各层重力荷载代表值的计算，汇总于表2.3.
表2.3 各层重力荷载代表值
层次
梁（）
柱（）
板（）
墙（）
可变系数
活载（）

（）
层上柱
层上柱
层上
层下
6
289
0
102
358
0
215
0.514.7=7.35
971
5
3891
102
1119
6091
703
1515
0.5480=240
13661
4
3891
1119
1119
4562
1515
1515
0.54122=2061
15782
3
4374
1119
1119
4469
1515
1515
0.54038=2019
16130
2
4374
1119
1119
4469
1515
1515
0.54038=2019
16130
1
4374
1119
1435
4469
1515
1736
0.54038=2019
16667
2.3 框架侧移刚度计算

柱的侧移刚度按计算，其中系数为柱侧移刚度的修正系数，可根据梁柱线刚度比值以及柱的位置（中柱或边柱、底层或一般层）确定。现以第二层的B-5柱为例计算侧移刚度，说明计算过程，其余柱的侧移刚度计算见表2.4~表2.7。图2.2是B-5柱及与之相连的梁的相对线刚度。

图2.2 B-5柱及与之相连的梁相对线刚度
，

表2.4 中框架柱侧移刚度D值
层次
边柱（18个）
中柱（23个）

5
0.640
0.242
10325
1.280
0.390
16640
568570
4
0.695
0.258
11008
1.390
0.410
17493
600483
2、3
0.750
0.273
11648
1.500
0.429
18304
630656
1
0.938
0.489
10551
1.875
0.613
13225
494273

表2.5 边框架柱侧移刚度D值
层次
边柱（4个）
中柱（6个）

5
0.480
0.194
8277
1.280
0.390
16640
123948
续表2.5 边框架柱侧移刚度D值
4
0.520
0.206
8789
1.390
0.410
17493
140114
2、3
0.560
0.219
9344
1.120
0.528
22528
172544
1
0.700
0.444
9590
1.400
0.559
12058
110708

表2.6楼、电梯间框架柱侧移刚度D值
层次
B-3、B-9、C-3、C-9

5
1.120
0.359
15317
61268
4
1.215
0.378
16128
64512
2、3
1．310
0.396
16896
67584
1
1.638
0.588
12681
50724

表2.7 横向框架层间侧移刚度
层次
1
2
3
4
5

655705
870784
870784
805109
762786

2.4 横向水平作用下框架的内力和侧移计算

2.4.1 横向水平地震作用下框架的内力和位移计算
1、 横向自震周期计算
结构顶点假想侧移由和计算，计算过程见表2.8.将突出屋顶的电梯机房部分的折算至主体结构顶层,折算后荷载为。

表2.8 结构顶点假象位移计算
层次

5
14817
14817
762786
19.4
304.6
续表2.8 结构顶点假象位移计算
4
15782
30599
805107
38.0
285.2
3
16130
46729
870784
53.7
247.2
2
16130
62859
870784
72.2
193.5
1
16667
79526
655705
121.3
121.3

本厂房是质量和刚度沿高度分布比较均匀的框架结构，可按式计算基本周期，其中的量纲为m，结构基本自震周期考虑非承重砖墙影响折减系数=0.7，则

2、 水平地震作用及楼层地震剪力计算
本设计的结构高度不超过40m，质量和刚度沿高度分布较均匀，变形以剪切型为主，故可以用底部剪力法计算水平地震作用。结构总水平地震作用标准值按下式确定：
，其中为相应于结构基本自震周期的水平地震影响系数，为结构等效总重力荷载，多质点时取总重力荷载的85%。

因1.4=，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按计算，则，故

各质点的水平地震作用按式计算，则
，具体的计算过程见表9。各楼层地震剪力按式计算，计算结果见表2.9。
各质点水平地震作用及楼层地震剪力沿房屋高度分布见图2.3。

（a）水平地震作用分布 （b）层间剪力分布
图2.3 横向水平地震作用及楼层地震剪力
表2.9 各质点横向水平地震作用及楼层地震剪力计算表
层次

6
26.65
971
25877.15
0.023
22.75
22.75
5
23.65
13661
323082.65
0.282
417.43
440.18
4
19.15
15782
302225.30
0.264
261.13
701.31
3
14.65
16130
236304.56
0.206
203.76
905.07
2
10.15
16130
163719.50
0.143
141.45
1046.52
续表2.9 各质点横向水平地震作用及楼层地震剪力计算表
1
5.65
16667
94168.55
0.082
81.11
1127.63

3、水平地震作用的位移验算
水平地震作用下框架结构的层间位移和顶点位移分别按式和式确定，计算过程见表2.10，表中还计算了各层的层间弹性位移角。
表2.10 横向水平地震作用下的位移验算
层次

5
440.18
762786
0.58
5.41
4500
1/7759
4
701.31
805107
0.87
4.83
4500
1/5172
3
905.07
870784
1.04
3.96
4500
1/4327
2
1046.52
870784
1.20
2.92
4500
1/3750
1
1127.63
655705
1.72
1.72
5650
1/3285
查表得弹性层间位移角限值。由表2.9可知最大弹性层间位移角发生在第一层，其值为1/3285小于1/500，满足要求。
4、水平地震作用下的框架内利计算
以⑤轴线横向框架的内利计算为例，说明计算方法，其余框架的内里计算从略，计算结果见表2.11。
框架柱端剪力及弯矩分别按式和式，计算。其中取自表4，取自表2.7，层间剪力取自表2.9，各柱的反弯点高度比。
表2.11 各层柱端弯矩及剪力计算
层次

边 柱

5
4.5
440.18
762786
10325
5.96
0.640
0.400
10.73
16.09
续表2.11 各层柱端弯矩及剪力计算
4
4.5
701.31
805107
11008
9.59
0.695
0.525
22.66
20.50
3
4.5
905.07
870784
11648
12.11
0.750
0.500
27.25
27.25
2
4.5
1046.52
870784
11648
14.00
0.750
0.538
33.86
29.14
1
5.65
1127.63
655705
10551
18.14
0.938
0.650
66.62
35.87
层次

中 柱

5
4.5
440.18
762786
16640
9.60
1.280
0.450
19.44
23.76
4
4.5
701.31
805107
17493
15.24
1.390
0.500
34.29
34.29
3
4.5
905.07
870784
18304
19.02
1.500
0.500
42.80
42.80
2
4.5
1046.52
870784
18304
22.00
1.500
0.500
49.50
49.50
1
5.65
1127.63
655705
13225
22.74
1.875
0.606
77.86
50.62
注：表中h、M、V、D的量纲分别为：m、、和。
两端弯矩、剪力及轴力分别按，，和进行计算，梁柱的线刚度由图2.1可查得，计算结果汇总于表2.12。
表2.12两端弯矩、剪力、轴力计算
层
次
边梁
中间梁
柱轴力

l/m

l/m

E轴
D轴
C轴
B轴
A轴
5
16.09
11.88
7.0
4.00
11.88
11.88
7.0
3.39
4.00
-0.61
0
0.61
-4.00
4
31.23
26.87
7.0
8.30
26.87
26.87
7.0
7.68
12.30
-1.23
0
1.23
-12.30
3
49.91
38.55
7.0
12.64
38.55
38.55
7.0
11.01
24.94
-2.86
0
2.86
-24.94
2
56.39
46.15
7.0
14.65
46.15
46.15
7.0
13.19
39.59
-4.32
0
4.32
-39.59
1
69.73
50.06
7.0
17.11
50.06
50.06
7.0
14.30
56.70
-7.13
0
7.13
-56.70
注：表中M、V、N的量纲分别为：、和,设轴力的拉力为正值

水平地震作用下框架弯矩图、梁端剪力图及柱轴力图如图2.4所示。

（a）框架弯矩图（单位：kN·m）

（b）梁端剪力及柱端轴力图（单位：kN）
图2.4 水平地震作用下⑤轴线框架的弯矩图、梁端剪力图及柱轴力图
注：图（a）中的弯矩以在梁的上部为正，以在柱的左部为正

2.4.2 横向风荷载作用下框架柱的结构内利和侧移计算
1、 风荷载标准值
风荷载标准值按式计算，基本风压。由《06荷载规范》查得风荷载的体形系数迎风面为0.8，背风面为-0.5；该厂房位于苏州某科技城，假设建在城郊，属于B类地区。
风振系数可按式确定。确定脉动增大系数，=0.66s， ，查表得=1.33；确定脉动影响系数，H/B=，且该厂房位于B类地区，查表得=0.42；振型系数的确定，=。
仍取⑤轴线横向框架，其负载宽度为6.0m，由得沿房屋高度分布风荷载标准值可如下表示：

根据各楼层标高处的可查得，带入上式可得各楼层标高处的，其值汇总于表2.13，沿高度分布如图2.5，图2.5还包括了风荷载下框架的内力简图。
表2.13 各楼层标高处的风荷载标准值
层次

（迎风面）

（背风面）
5
23.65
1.00
1.31
1.426
4.483
2.802
4
19.15
0.81
1.23
1.368
4.038
2.524
3
14.64
0.62
1.13
1.306
3.542
2.214
2
10.15
0.43
1.00
1.240
2.976
1.860
1
5.65
0.24
1.00
1.134
2.722
1.701
《06荷载规范》规定，对于高度大于30m且高宽比大于1.5的房屋结构，应采用风振系数来考虑风压脉动的影响。本设计中H=23.65小于30m，且H/B=23.65/28=0.845小于1.5，但由表12可见在1.134和1.426之间变化，即要受风压脉动的影响。

（a）风荷载载沿高度的分布（单位：kN/m）

（b）风荷载的等效节点荷载（单位：kN）

（c）风荷载作用下的弯矩图（单位：kN·m）

（d）风荷载作用下的梁端剪力及柱端轴力（单位：kN）
图2.5 ⑤轴线框架上的风荷载
2、 风荷载作用下的水平位移验算
根据图2.5（b）所示的水平荷载，由式计算层间剪力，然后根据表2.4求出⑤轴线框架的层间侧移刚度，再按式和计算各层的相对侧移和绝对侧移，计算过程见表2.14。
表2.14 风荷载作用下框架层间剪力和位移计算
层次

5
15.98
15.98
70570
0.23
4.84
1/930
4
29.53
45.51
74495
0.61
4.61
1/976
3
25.90
71.41
78208
0.91
4.00
1/1125
2
21.76
93.17
78208
1.19
3.09
1/1456
1
22.45
115.62
60777
1.90
1.90
1/33628
注：为各柱的高度
由表2.14可见，风荷载作用下框架的最大层间弹性位移角为诶1/930小于1/550，满足规范要求。

2.5 竖向荷载下框架结构的内力计算

2.5.1 横向框架的内力计算
1、 计算单元
取⑤轴线横向框架进行计算，计算单元宽为6.0m，如图2.6所示。由于房间内布置有次梁，故可以对直接将力传递给该框架的楼面板块进行适当地划分，即图中阴影线所示部分；计算单元内阴影线外的楼面荷载则通过次梁和纵梁以集中力的形式传递给横向框架梁。由于边纵梁的中心线不与柱的中心线重合，因此在边框架节点上有集中力偶的作用。

图2.6 横向框架计算单元
2、 计算荷载
（1）恒荷载
横向框架梁受恒荷载的简图如图2.7所示。图中代表各层横梁的自重；代表楼/屋面板直接传给横梁的三角形荷载；代表有边纵梁传递给横梁的荷载；它包括纵梁自重、墙自重和楼板重；代表由次梁传递给横梁的荷载，它包括次梁自重和楼板重；代表由纵梁传递给横梁的荷载，它包括纵梁自重和楼板重；M代表由于边柱和边纵梁中心线不重合引起的节点弯矩。

图2.7 框架梁受恒荷载作用
为便于计算可按照梁端弯矩等效原则将三角形荷载等效为均布荷载，；将梯形荷载等效为均布荷载，，本设计中，即。
现以第8层为例说明、、和M的计算过程，其他各层的竖向荷载计算结果汇总于表2.15。
对于第8层，
，

表2.15 竖向荷载下恒荷载的计算
层次

M
5
4.72
15.51
9.69
6.62
0.15
89.31
100.80
112.47
13.40
4
4.72
11.62
7.26
4.96
0.15
117.91
80.88
92.55
17.69
3
5.48
11.62
7.26
4.96
0.125
123.21
80.88
97.85
15.40
2
5.48
11.62
7.26
4.96
0.125
123.21
80.88
97.85
15.40
1
5.48
11.62
7.26
4.96
0.125
123.21
80.88
97.85
15.40
注：上表中的单位为，的单位为，M单位为
（2）活荷载
横向框架梁上受活荷载的简图如图2.8所示。各力的计算方法与恒荷载的计算方法相同计算结果汇总于表2.16。
图2.8 各层作用的活荷载
表2.16 竖向荷载下活荷载的计算
层次

M
5
7.00
4.38
2.99
0.15
17.93
35.87
2.69
4
14.00
8.75
5.98
0.15
35.87
71.74
5.38
3
14.00
8.75
5.98
0.125
35.87
71.74
4.48
2
14.00
8.75
5.98
0.125
35.87
71.74
4.48
1
14.00
8.75
5.98
0.125
35.87
71.74
4.48
注：上表中的单位为，的单位为，M单位为
（3）内力计算
图2.9是横向框架所受的竖向荷载总图。

图2.9 横向框架竖向荷载总图
（集中力单位为kN，均布荷载单位为kN/m）
用弯矩二次分配法进行竖向荷载下框架的内里计算。由于设计中框架的结构、受力都对称，在忽略轴向变形的情况下，可将框架取半来简化计算，简化后如图2.10所示。竖向荷载下的内力及计算过程见图2.