结构设计计算
一、设计题目
本组结构设计题目为多层钢筋混凝土框架结构设计，框架柱平面布置图如图
2所示(其中a=6000mm，b=3300mm，c=6000mm)。此钢筋混凝土框架结构的建筑层
数为6层，每层层高为3.4m，建筑总高度20.4m。建筑面积为36*15.3M2。
二、设计条件
1）工程地质勘探资料
地表填土为0.6m，填土下为2.5m厚的亚粘土层，承载力设计值为245KN/m2；
再下层为1.8m中砂层，承载力设计值为320KN/m2；再往下为砾石层，承载力设
计值为400KN/m2。不考虑地下水位的影响。
冻土深度按照附表说明中实际建设区域的情况确定。
2）气候条件
福建泉州市基本风压 0.7 kN/m2
3）结构设计资料
1、工程情况
抗震设防烈度按不小于7度设防，设计地震分组为第一组，建筑场地土类别
为Ⅱ类，场地特征周期为0.35s，设计基本地震加速度值为0.10g。基本风压为
=0.35kN/m2。地面粗糙程度为C类。
W
2、设计标高
室内设计标高±0.000，室内外高差0.450m。
3、楼面做法
30mm厚水磨石面层，20mm厚水泥砂浆找平层，80mm厚钢筋混凝土板，20mm 厚水泥砂浆板底抹灰。
4、屋面做法
20mm厚细石混凝土保护层，40厚C20细石混凝土刚性防水，三毡四油铺小
石子柔性防水，聚苯乙烯板隔热层2%找坡，20mm厚1：3水泥砂浆找平层，80mm
厚钢筋混凝土板，20mm厚1：3水泥细砂浆板底抹灰。
5、墙体做法
外墙和内墙采用实心砖。
6、活荷载
楼面2.5 kN/m2，走廊2.5 kN/m2，不上人屋面0.5 kN/m2。
7、上部结构方案
本工程采用现浇楼板，现浇框架承重体系。由于是空间的现浇框架，采用现
浇楼板，荷载由板传到次梁，由次梁传给主梁，再由主梁将荷载传到柱上，最后
传到基础上。
8、下部结构方案
该工程采用钢筋混凝土柱下独立基础，基础顶面到第一层楼板顶面的距离为5.20m 。
三、结构计算
1、构件材料选用：
混凝土：强度等级采用C35（f c =16.7n/mm 2，f t =1.57n/mm 2）；
钢筋：梁、柱纵向受力钢筋均采用HRB335，箍筋及其他用筋采用HPB235；
2、构件截面初估：
梁截面高度估算，尺寸见表2.1：
表2.1 梁截面尺寸（mm ）
柱截面尺寸可根据式c
N f ][N
A c μ≥
估算，因为抗震烈度为7度，总高度30m <，
查表可知该框架结构的抗震等级为三级，其轴压比限值9.0][N =μ；各层的重力荷载代表值近似取12-2m KN ?，由公式可得第一层柱截面面积为：
边柱 23c mm 1120967.619.06
1012363.1A =??????≥
中柱 23c mm 1688627
.619.06
10120.67.425.1A =??????≥
取柱截面为正方形，根据上述计算结果并综合考虑其它因素，本设计框架柱截面尺寸取值均为mm 005500mm ?。
表2.2 柱截面尺寸（mm ）
3、框架结构计算简图
框架结构计算简图如图2所示，取顶层柱的形心线作为框架柱的轴线；梁轴线取至板底，2~6层柱高度即为层高，取3.4m ，底层柱高为5.2m 。
横向框架组成的空间结构
纵向框架组成的空间结构
4、框架侧移刚度的计算
由于楼面板与框架梁的混凝土一起浇筑，对于中框架梁取02I I ，边框架I=01.5I 梁线刚度b i 计算过程见表一、二；柱线刚度c i 计算见表三。
一、 横梁线刚度i b 的计算：
二、纵梁线刚度i b 的计算：
三、 柱线刚度i c 的计算：I=bh 3
/12
令：0.1i ='其余柱，则其它各杆件的相对线刚度为：
='='右跨梁
左跨梁i i 60.010
2.11011.2610
10
=?? =
'中跨梁
i 77.1102.11103.731010
=??
='底柱i 50.110
2.111016.310
10
=??（如图所示）
四 荷载计算
1、 竖向荷载作用
（1） 恒荷载标准值计算
1.屋面（不上人）
保护层：20mm 厚细石混凝土保护层 -2m 40KN .002.020?=? 防水层：（刚性）40厚C20细石混凝土 -2m 0KN .1 ? 防水层：（柔性）三毡四油铺小石子 -2m .4KN 0 ?
找平层：20mm厚1：3水泥砂浆找平层-2
20?
?
.0
=
02
m
40KN
.0找坡层：聚苯乙烯板隔热层2%找坡-2
0.5KN?
m 结构层：80mm厚钢筋混凝土板-2
25?
?
=
80.0
m
KN
2抹灰层：20mm厚1：3水泥细砂浆板底抹灰-2
.0
71?
=
?
.0
02
KN
m
34合计 5.04-2
KN?
m 2. 各层楼面
30mm厚水磨石面层 20×0.03=0.6-2
KN?
m 20mm厚水泥砂浆找平层-2
.0
20?
=
?
02
m
40KN
.0 80mm厚钢筋混凝土板-2
25?
=
?
80.0
m
KN
2 20mm厚水泥砂浆板底抹灰-2
71?
=
?
20.0
m
KN
34
.0
合计 3.34-2
m
KN?
3.梁
4.柱
5.横墙：
AB跨、CD跨墙：墙厚240mm，计算长度6000-400=5600mm，计算高度
3400-400=3000mm。
单跨体积：0.24×5.6×3=4.032m3
单跨重量：4.032×5.24=21.13KN
数量：14
总重：21.13×14=295.79KN
BC跨墙：墙厚240mm，计算长度3300-400=2900mm，计算高度
3400-400=3000mm。
单跨体积：2.9×3×0.24=2.088m3
单跨重量：2.088×5.24=10.94KN
数量：2
总重：10.94×2=21.88KN
6.纵墙：墙后180mm
单个体积：2.9×5.6×0.18=2.92 m3
单个重量：2.92×5.24=15.32KN
数量：24
总重：15.32×24=367.62KN
（2）屋面、楼面可变荷载标准值及基本风压
不上人屋面均布荷载标准值 0.5-2
KN?
m 楼面活荷载标准值 2.5-2
KN?
m
走廊活荷载标准值 2.5-2m KN ?
屋面活荷载与雪荷载不同时考虑，两者取较大值。 基本风压 0.7-2m KN ?
根据《建筑结构荷载规范》恒荷载分项系数取1.2，因楼面活荷载标准值大于4.0 kN /m2，其变异系数一般较小，此时从经济上考虑，活荷载分项系数取1.3。
（3）竖向荷载作用下框架受荷总图
1、 B A ～（C ～D ）轴间框架梁
屋面板传给梁的荷载（板传梯形或至梁上的三角形荷载可等效为均布荷载）：
恒载： 1-3
2m KN 9.182))62/6()62/6(
21(2604.5?=?+?-?? 活载： 1-3
2m KN 88.12))6
2/6()62/6(
21(265.0?=?+?-?? 楼面板传给梁的荷载
恒载： 1-3
2m KN 28.132))62/6()62/6(
21(2654.3?=?+?-?? 活载： 1-3
2m KN 75.182))6
2/6()62/6(
21(2600.5?=?+?-?? 梁自重标准值： 3.00-1m KN ?
B A ～（
C ～
D ）轴间框架梁均布荷载为：
屋面梁：恒载=梁自重 + 板传荷载 = 3 + 18.9= 21.9-1m KN ?
活载 = 板传活载 = 1.88-1
m KN ?
楼面梁：恒载=梁自重 + 板传荷载 = 3 + 13.28= 16.28-1m KN ?
活载 = 板传活载 = 18.75-1
m KN ?
2、 C ～B 轴间框架梁 屋面板传给梁的荷载
恒载： 1-m KN 62.628
5
05.104.5?=???
活载： 1-m KN 66.028
5
05.15.0?=???
楼面板传给梁的荷载
恒载： 1-m KN 65.4285
05.154.3?=???
活载： 1-m KN 57.628
5
05.10.5?=???
梁自重标准值： 3-1m KN ?
C B ～轴间框架梁均布荷载为：
屋面梁：恒载=梁自重 + 板传荷载 = 3 + 6.62= 9.62-1m KN ?
活载 = 板传活载 = 0.66-1
m KN ?
楼面梁：恒载=梁自重 + 板传荷载 = 3 + 4.65= 7.65-1m KN ?
活载 = 板传活载 = 6.57-1
m KN ?
3、 A （D ）轴框架柱纵向集中荷载的计算 顶层柱：
女儿墙自重：（做法：墙高900 mm ，100 mm 的混凝土压顶）
0.24×0.9×18+25×0.1×0.24+（1×2+0.24）×0.5＝5.61 kN/m 顶层柱恒载＝女儿墙自重+梁自重+板传荷载
＝5.61×6+3×（6-0.4）+6.62/2×6 ＝70.32 kN
顶层柱活载＝板传活载
＝0.66/2×6 ＝1.98kN
1～5层柱恒载＝墙自重+梁自重+板传荷载
＝（21.13+15.32）/2+3×（6-0.4）+7.65/2×6 ＝57.98kN 1～5层柱活载＝板传活载
＝6.57/2×6 ＝19.71kN
4、 B （C ）轴框架柱纵向集中荷载的计算
顶层柱恒载＝女儿墙自重+梁自重+板传荷载
＝5.61×3.3+3×（3.3-0.4）+6.62/2×3.3 ＝34.50 kN
顶层柱活载＝板传活载
＝0.66/2×3.3
＝1.09kN
1～5层柱恒载＝墙自重+梁自重+板传荷载
＝21.13+15.32/2+3×（3.3-0.4）+7.65/2×3.3
＝50.11kN
1～5层柱活载＝板传活载
＝6.57/2×3.3
＝10.84kN
框架在竖向荷载作用下的受荷总图如图4.3所示（图中数据均为标准值,由于是对称结构，图中只标出一半，括号里为活荷载），由于A、D轴的纵梁中轴线与柱中轴线相交，故此A、D轴上的竖向荷载作用于柱轴心，框架柱轴心受压。
图4.3 框架在竖向荷载作用下的受荷总图
（4）竖向荷载作用下框架的内力计算
1、 恒载作用下的内力计算
恒载为对称荷载，利用结构的对称性，取半榀框架进行计算，计算简图如图4.5所示，右端为定向支座。
对于一端固定一端为定向支坐，在均布荷载作用下的杆端弯距为：（如图4.4所示）
图4.4 有定向支坐杆端弯距
231ql M ik -=，26
1
ql M ki -=
采用分层法计算，计算前对二层以上各柱线刚度乘以0.9的系数，二层以上
各层柱弯距传递系数取为3
1
，荷载作用下的计算简图如图所示：
将各计算单元的弯距图叠加，得出最后的弯距图图4.13所示（节点不平衡弯距较大时，再分配一次）；根据弯距与剪力的关系算出各杆件剪力，根据剪力与轴力的平衡，算出各柱的轴力，计算结果于表4.1所示。
图4.13 竖向恒荷载作用下框架弯矩图表4.1 恒荷载作用下梁端剪力及柱轴力
2、活载作用下的内力计算
活荷载作用下的框架内力计算方法同恒荷载作用的计算方法，此处计算过程略。最后的弯距图图4.13所示（节点不平衡弯距较大时，再分配一次）；剪力、轴力计算结果于表4.2所示。
图4.13 活荷载作用下的框架弯距图（单位KN·M）
表4.2 活荷载作用下梁端剪力及柱轴力
2、横向风荷载作用
（1）风荷载标准值的计算
基本风压ωo=0.70kN/㎡；
风载体型变化系数μs=0.5；
风振系数βz=1.0（因H=20.85m<30m）；
风载高度变化系数μz按C类地区，查表可得结果见表2.5.1。
表2.5.1 风荷载高度变化系数
表2.5.2 柱顶风荷载标准值
一、风荷载作用下结构计算简图
一、土层渗透系数 土层渗透系数K的经验值 土质名称K(m/d)土质名称K(m/d) 高液限黏土<0.001 砂细1～5 黏土质砂0.001～0.05中5～20含砂低液限黏 土 0.05～0.10粗20～50含砂低液限粉 土 0.10～0.50砾类土50～150低液限黏土 （黄土） 0.25～0.50卵石100～500粉土质砂0.5～1.0漂石（无砂质充填）500～1000 按土质颗粒大小的渗透系数K经验值 土质名称K(m/d) 黏土质粉砂0.01～0.074mm颗粒多 数 0.5～1.0 均质粉砂0.01～0.074mm颗粒多 数 1.5～5.0 黏土质细砂0.074～0.25mm颗粒多 数 1.0～1.5 均质细砂0.074～0.25mm颗粒多 数 2.0～2.5 黏土质中砂0.25～0.5mm 颗粒多数 2.0～2.5均质中砂0.25～0.5mm颗粒多数35～50黏土质粗砂0.5～1.0mm颗粒多数35～40
均质粗砂0.5～1.0mm颗粒多数60～75 砾石100～125二、计算渗水量 缺水文地质资料计算渗水量： Q=F1q1+ F 2q2式中：F1—基坑底面积，m2 q1—基坑每平方米底面积平均渗水量，m3/h F 2—基坑侧面积，m2 q2—基坑每平方米侧面积平均渗水量，m3/h q1基坑每平方米底面积平均渗水量，m3/h 序号土类土的特征及粒径渗水量m3/h 1细粒土质砂、 松软粉质土 基坑外侧有地表水，内侧为岸 边干地，土的天然含水量 <20%，土粒径<0.05mm 0.14～ 0.18 2有裂隙的碎石 岩层、较密实 的粘质土 多裂隙透水的岩层，有孔隙水 的粘质土层 0.15～ 0.25 3黏土质砂、黄 土层、紧密砾 土层 细砂粒径0.05～0.25mm，大孔 土质量800～950kg/m3, 砾石土 孔隙率在20%以下 0.16～ 0.32 4中粒砂、砾砂 层 砂粒径0.25～1.0mm，砾石含量 在30%以下，平均粒径10mm以 下 0.24～0.8 5粗粒砂、砾石 层 砂粒径1.0～2.5mm，砾石含量 在30～70%，平均最大粒径 150mm以下 0.8～3.0
4排降水工程 4.1 土的渗透系数计算 土的港透系数是计算墓坑和井点涌水■的更要案数，一般在现场做抽水试验确宦，根 撻观测水井周围的地T 水位的变化来求浴 透系具体方注是：在现场设置抽术井 （图-1）,贯芳到整个含水层.并距抽水井 九与口处设一个或两个观测孔，用水泵匀 速抽水，当水井的水面及观测扎的水位大 悴上望秘定状去时.根据所抽水的水鬣Q 可按下式计算滲透系敕K 值。 设1个观利孔时： K773Q h?_A 2 =Q 73 Q --------- iStTl-i ----------- -u.g （2H-S -SJ （S -5j ） （4-1） 设2个观测孔时； 式中K ―港透系数（m/d ）; Q —抽 水量（n?/。； r --- 抽水井半径（m ）; “、厂2 - 观测孔1、观测孔2至抽水井的距离（m ）; h —由抽水井底标高算起完全井的动水位（m>j 壯、亦——观测孔1、现测孔2的水 位（粗〉； S —抽水井的水位降低值fmh S 】、S 2——观测孔1、观测孔2的水位降低值（m ）； H —含水层厚度（m 九 土的渗透系数计算 KZQ 书+ = 0.73Q _____ igf2 - !sn _______ (2H- St -S a )(S t - S 2 ) (4-2) ffi4-l 港遷華数计算简图 1 一肚水井；2—观8S 井
当无条件做抽水试鲨时，潅透系数K 值可案考表4叮恥用" 土的???? ■ "■ ttp m/d era/BI 粘土 ■ <0.0?5 <6x W 4 输脫粘土 0.005 -0,1 sx nr ??ixio" 粘啟静土 0.1-0,5 ixio 广 nt 士 0,25-0*5 3X10_-,**K10_4 粉 ± 0.5^1.0 6X1O-+-1X1O J 輛 砂 L0-5 IX1O'3-6K JQ-> 中 砂 5-20 6xlO J ^lxiO-J 均展屮砂 4X 10 a -6x )Q a 砂 20-50 2X1O*1-6X 10-J 均 S0-73 ■ 50-100 卵 石 100-500 ixio-l -6xio _l 无克填■印石 5M-1QOO tfxlO^^LxlO 石 20-60 察?寧的罟石 >60 >7X1O"1 [M 4>1) 某厂房区降低龍下水位需测定其土的潅透系数，在现场设■抽水井作抽 水试脸*抽水井滤骨半径为100mm,距抽水井5m 和10m*? 1个现测孔「测得捕水试 验穗定后的抽水t Q 200m 3/d,抽水井的水位降低值现测孔1的水悅降低值 5产4,口 观测孔2的水位降低值S 2 = 2m 0该地区含水层厚度H-20m e 试求其港透系 數K 值。 [?} (1)求抽水井至观测孔1的濾透系数K“ Ki = 0.73 X 200 X 并 “野 = 2.58m/d 1 ( 2 x 20 - 8 - 4.5)(8 -4.5) (2)求抽水井至观测孔2的渗透系RK 2： I glQ - IgO^l (2 x 20 - 8 - 2)(8 - 2) (3)求观测孔1至观测孔2的潅透系数K,： 2.58 + 1.62 + 0.52 3 =1 57m/d 故知该地区土的渗透系数K 为1?57胡儿 场地排水明沟流量计算 4.2场地排水明沟流量计算 场地排水明沟截面通常采用梯形，受地形限制和岩石地段亦可采用矩形。梯形明沟常用 =U62m/d =0.73 x 200 x _______ 1glQ__ lg5 ___ __ (2 x 20- 4.5 - 2)(4.5-2) =0.52ni/d 最疳求得抽水井至观测孔之间的平均渗透系数K: 0.73 x 200 x