土木工程系Ⅱ级项目结构设计指导书

Ⅱ级项目设计指导书一、结构设计前期工作：1、熟悉设计任务书。2、从结构设计角度，对本项目的建筑施工图进行仔细研究，及时向建筑师反馈信息，对图中不合理处进行调整。3、通过查阅国家规范及有关资料，确定下列有关参数：基本风压、地面粗糙度、抗震设防烈度、设计地震分组、场地土类别、框架的抗震等级、剪力墙的抗震等级等。4、多层住宅的几个常用数据：（1）层高：楼层3000mm，底层3600～4000mm（2）室内外高差：300～450mm（2～3个步级）（3）基础面比室外地坪至少低300～500mm。（主要是给管道留出空间，基础埋深主要还是由地基持力层深度决定）（4）混凝土强度等级（6层）：各层柱及梁板均用C25。（5）卫生间沉斗回填土容重：320mkN。二、结构方案的确定：1、选择合理的结构体系：根据建筑物高度、抗震设防烈度、建筑平面布置等方面的情况，选择合理的结构体系，如框架、框架－剪力墙、剪力墙、筒体等。2、结构总体布置：结构概念设计的过程。建筑上：应满足建筑使用功能、建筑美学的要求。结构上：满足强度、刚度和稳定性的要求。（参考教材的结构总体布置原则）三、荷载统计：按实际情况统计，注意不能多算或漏算。（为计算方便，在不影响设计精度的情况下，可以作适当的归类合并）1、楼面恒载：按建筑设计实际情况统计。（单位：kN/m2）如结构层、地面面层、吊顶、防水层等。2、楼面活载：按建筑的使用功能，查《建筑结构荷载规范》。（单位：kN/m2）3、墙自重：按建筑设计实际做法（墙体材料、厚度、面层）及墙体高度计算墙体线荷载，具体计算见篇末补充材料。（单位：kN/m）4、梁、柱自重：按梁、柱几何尺寸计算。四、结构平面计算：（由指导教师指定某层）根据结构平面布置，不考虑楼板的连续性，对所有楼板进行结构弹性计算。楼板厚度的取值：楼板厚度40lh（双向板），30lh（单向板），l为板的短跨跨度；抗震地区一般板厚不小于100mm。双向板：由楼板跨度（长跨、短跨）、边支承情况（固端、简支、自由）和楼面面荷载（恒载、活载），查表计算。单向板：取1m计算单元进行计算，由楼板跨度（短跨）、边支承情况（固端、简支、自由）和楼面面荷载（恒载、活载），按单跨计算。五、梁、柱截面估算1、梁：主梁：梁高lh)121~81(，梁宽hb)31~21(，l为梁的跨度；次梁：梁高lh)161~121(，梁宽hb)31~21(，l为梁的跨度。2、柱：抗震设计中一般按轴压比限值估算。柱截面尺寸可用以下经验公式估算：310)1.0(cfGnFA式中：A为柱截面面积，m2；n为验算截面以上楼层层数；F为验算柱的负荷面积，可根据柱网尺寸确定，m2；cf为混凝土轴心抗压强度设计值；为轴压比限值，查《建筑抗震设计规范》；为地震及中、边柱的相关调整系数，7度中柱取1、边柱取1.1，8度中柱取1.1、边柱取1.2。G为结构单位面积重量（竖向荷载），根据经验估算钢筋混凝土高层建筑约为12～18kN/m2。六、框架计算简图1、基本假定：（1）结构分析的弹性静力假定（2）平面结构假定（3）楼板在自身平面内刚性假定（4）水平荷载按位移协调原则分配2、计算单元的选取（由指导教师指定某一榀框架）3、框架梁、柱的截面特性和线刚度计算：框架梁、柱的线刚度按下式计算：lEIi式中E为混凝土弹性模量；l为杆件长度；I为杆件的截面惯性矩。框架梁跨度l取柱轴线间的距离；楼层柱高取层高，即为各层梁顶面之间的结构标高差，底层柱高则取基础顶面到二层梁顶面的高度。对于现浇楼面结构，中间框架梁取00.2II；边框架梁取05.1II；0I为矩形截面惯性矩。七、竖向荷载作用下的内力计算：要求采用分层法计算，荷载取标准值，考虑到荷载效应组合的需要，恒载、活载应分别计算，组合时再乘上相应的分项系数。1、基本假定：（1）忽略框架在竖向荷载作用下的侧移和由它引起的侧移力矩；（2）忽略本层荷载对其它各层内力的影响。2、计算方法：（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，其它各层柱均为相互间弹性连接，为减少误差，除底层柱外，其它各层柱的线刚度均乘以0.9的折减系数，相应的传递系数也改为1/3，底层柱仍为1/2。（4）分层计算所得的梁端弯矩即为最后弯矩。由于每根柱分别属于上下两个计算单元，所以柱端弯矩要进行叠加。3、框架梁端弯矩调幅：框架梁端弯矩调幅只对竖向荷载作用下的内力进行，水平荷载作用下产生的弯矩不参加调幅，由此，弯矩的调幅应在内力组合之前进行。调幅以后梁端弯矩按下式计算：MM式中为弯矩调幅系数，对于现浇框架可取9.0~8.0。支座弯矩降低后，必须按平衡条件计算加大跨中设计弯矩，调幅后梁端弯矩AM、BM的平均值与跨中最大正弯矩CM之和应不小于按简支梁计算的跨中弯矩0M：02MMMMCBA同时还要注意，梁截面设计时所采用的跨中设计弯矩值不应小于按简支梁计算的跨中弯矩的一半。八、水平地震作用下的结构侧移及内力计算对于高度不超过40m，以剪切变形为主，且质量和刚度沿高度分布比较均匀的结构，可采用底部剪力法计算水平地震作用，只考虑基本振型（第1振型）的地震作用。该方法将结构简化为作用于各楼层位置的多个质点，结构底部总剪力与地震影响系数及各质点的重力荷载代表值有关。为计算各质点的重力代表值，可先分别计算各楼面层梁、板、柱的重量，各楼层墙体的重量，然后按以楼层为中心上下各半个楼层的重量集中于该楼层的原则计算各质点的重力荷载代表值。水平地震作用计算还涉及结构的自振周期，采用顶点位移法确定。水平地震作用下内力及位移分析均采用D值法进行。1、计算各层自重：计算各层梁、板、柱自重标准值。2、计算各层重力荷载代表值Gi：计算各层重力荷载代表值Gi，重力荷载取100％恒载，50％雪荷载，50％活荷载。3、计算总重力荷载代表值G：总重力荷载代表值G为各层重力荷载代表值之和。niiGG14、计算结构等效总重力荷载代表值Geq：结构等效总重力荷载代表值Geq=0.85G5、横向框架抗侧刚度计算：采用顶点位移法求结构自振周期需要用到结构抗侧刚度，为此要先计算各楼层柱的抗侧刚度。当为高层建筑、柱子截面较大，或梁柱线刚度比小于3、考虑抗震要求有强柱弱梁的框架时，节点转角通常较大，用反弯点法计算的内力误差较大，因此要采用修正的柱抗侧刚度和调整反弯点高度的D值法计算水平荷载下框架的内力。各层修正后柱抗侧刚度D为：212hiDc为柱刚度修正系数，表示梁柱刚度比对柱刚度的影响，一般柱与底层柱分别考虑，按课本表格采用，列表计算。计算出各层的总D值。6、横向自振周期计算：假想把集中在各层楼面处的重力荷载代表值iG视作水平荷载来计算结构顶点侧移Tu：（建议用EXCEL列表计算）nkkGiGV1iGiiDVu)(niiTuu1)(式中：kG为集中在k层楼面处的重力荷载代表值；GiV为把集中在各层楼面处的重力荷载代表值视为水平荷载而得到的第i层的层间剪力。对质量和刚度沿高度均匀的框架结构，结构自振周期由顶点位移确定，可按下式计算：TTuT7.11式中周期的经验折减系数7.0T（主要考虑非结构构件影响），7、水平地震作用及楼层地震剪力计算：（建议用EXCEL列表计算）（1）由房屋的抗震设防烈度、场地类别及设计地震分组确定地震作用计算参数：为阻尼比，一般建筑结构取0.05。max为地震影响系数最大值，阻尼比为0.05的建筑结构，根据抗震设防烈度查表得到。gT为特征周期，根据场地类别及设计地震分组查表得到。（2）按下式计算的相应于结构基本自振周期的水平地震影响系数1：当ggTTT51时,max211TTg当gTTs11.0时,max1式中1T为结构自振周期；2为阻尼比调整系数，当阻尼比为0.05时，2取1.0；为衰减系数，当阻尼比为0.05时，取0.9。（3）按下式计算结构总水平地震作用标准值：eqEKGF1各质点水平地震作用的标准值iF为：)1(1nEKnjjjiiiFHGHGF当结构有高振型影响时，顶部位移及惯性力加大。在底部剪力法中，用顶部附加荷载nF考虑高振型的影响。顶部附加水平地震作用为：EKnnFF式中：eqG为结构等效总重力荷载代表值，GGeq85.0；iH为第i层楼板离地面高度；1为相应于结构基本自振周期1T的地震影响系数，由反应谱曲线计算；n为顶部附加地震作用系数，当gTT4.11时取0，当gTT4.11时按表选用，当计算的15.0n时取15.0。（4）各质点横向水平地震作用及楼层地震剪力列表进行计算。8、水平地震作用下的位移验算：（建议用EXCEL列表计算）计算侧移应采用荷载标准值，并满足结构侧向变形的限值。水平地震作用下框架结构的层间位移iu和顶点位移Tu分别由下式计算得出：ijiiDVuniiTuu1要求分别满足：HuHuThuhuiiHu、hu分别为框架结构允许的最大顶点位移和层间位移，见课本。9、水平地震作用下的框架内力计算：（建议用EXCEL列表计算）（1）由nkkiFV1求得框架第i层的层间剪力iV后，i层j柱分配得剪力ijV及该柱上、下端弯矩tijM和bijM分别按下列各式计算：柱端剪力：iijijijVDDV下端弯矩：yhVMijbij上端弯矩：hyVMijtij)1(上式中：321yyyyyn其中ny、1y、2y、3y查表可得，具体见课本。（2）根据节点平衡计算梁端弯矩：对于边柱：bctcbMMM对于中柱：)(tcbcrblblblbMMiiiM)(tcbcrblbrbrbMMiiiM（3）根据力的平衡，由梁两端的弯矩求出梁的剪力：lMMVrblbb（4）根据梁的剪力，从上到下利用节点的竖向力平衡条件，可求出柱的轴力。（5）根据计算结果画出横向水平地震作用下得框架梁的弯矩M图、剪力V图、及柱的轴力N图。九、内力组合1、荷载组合：为减少手算工作量，荷载组合简化如下：（1）1.2×恒+1.4×活（2）1.2×重力荷载代表值+1.3×水平地震作用2、控制截面及最不利内力（1）框架梁控制截面及最不利内力梁端截面（左、右支座）：+Mmax、-Mmax、Vmax；跨中截面：+Mmax。（2）框架柱控制截面及最不利内力柱端截面：|M|max及相应的N，V；Nmax及相应的M，V；Nmin及相应的M，V；Vmax及相应的N。十、抗震结构构件截面内力调整抗震结构在地震作用下，要保证构件有足够的延性，应满足“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件”的要求，进行相应的内力调整，再用调整后的内力值进行配筋计算。1、强柱弱梁设计（1）调整柱设计弯矩：按规范要求：bccMMc为柱端弯矩增大系数，对框架结构，一、二、三、四级分别取1.7、1.5、1.3、1.2；其他结构类型中的框架，一级取1.4，二级取1.2，三、四级可取1.1。（2）加大底层柱弯矩：一、二、三、四级框架结构的底层，柱下端截面组合的弯矩设计值，应分别乘以增大系数1.7、1.5、1.3和1.2。（3）提高角柱的弯矩设计值，角柱宜按双向偏心计算，角柱的内力设计值应按规范乘以相应的增大系数。（4）限制柱的轴压比：框架柱轴压比不宜超过规范规定的限值。（5）保证柱内配筋不低于最小配筋率。（6）限制梁的受压区高度：规范要求梁纵向钢筋配筋率不应大于2.5%，一级抗震设计25.0/0hx；二、三级抗震设计35.0/0hx。2、强剪弱弯设计（1）提高梁端剪力设计值：梁端剪力设计值按下式调整：GbnrblbvbVlMMV/)(式中：V为梁端截面组合的剪力设计值；nl为梁的净跨；GbV为梁在重力荷载代表值作用下，按简支梁分析的梁端截面剪力设计值；lbM、rbM分别为梁左、右端截面逆时针或顺时针方向组合的弯矩设计值；vb