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论文案例分享-内蒙古阿拉善左旗某政府办公楼(框架)建筑结构设

2021-04-02 17:21:55

  本次设计为内蒙古自治区阿拉善左旗某政府办公大楼设计,建筑结构为钢筋混凝土框架结构,楼层数为四层,每层层高均为3.3m,建筑东西总长度45.6m,南北总长度15.3m,建筑总高度13.2m,整体设计都需要满足国家相关的建筑规范要求。

  根据之前课上所学的专业基础课程知道,每幢建筑必修要满足安全性、适用性和耐久性三个方面,并且要尽量美观,而且对每个功能区的施划和安置应尽可能的合理。已知内蒙古自治区阿拉善左旗属于抗震设防烈度8度地区,设计基本地震加速度为0.15g,设计地震分组为第二组。本政府办公大楼所处的场地为II类场地,且属于温带荒漠干旱区,为典型的大陆性气候,干旱少雨。

  本设计总共包括建筑方案设计、结构设计、施工图绘制、施工组织设计和PKPM软件校核这五个部分,。在建筑方案设计中,包括有一至四层的建筑平面,由于本教学楼是坐北朝南设计的,故方案设计还有教学楼南、西侧立面图,在适当位置还需进行剖切并画出其剖面图以及墙身做法大样图设计;根据我们在之前所学到的混凝土课程中,在结构设计中对主体结构需要包括梁、板、柱等构件进行初步的设计,并且接下来对结构的侧移刚度进行计算。荷载计算是依据之前所确定的各材料的尺寸和自重进行计算,然后将内力计算完成后进行内力组合,最后是构件的截面配筋设计和验算以及基础的设计计算;施工图的绘制包括前述所有构件的配筋都需要表示出来,还需绘制一部楼梯的平面、剖面、以及配筋详图。

  建筑方案设计是指在总体规划的前提下,根据出具的任务书要求和工程技术条件进行房屋的空间组合设计和构造设计,并以建筑设计图的形式表达出来。建筑方案设计是整个设计工作的先行工作,作为本设计的第一歩,有着非常重要的作用。而在建筑方案设计中,应该包括首层至四层的建筑平面,由于本政府办公楼是坐北朝南设计的,所以建筑设计中还应有教学楼南立面图和西侧立面图,还需要在适当位置进行剖切,画出其剖面图以及墙身的做法大样设计图,而墙身做法包括屋面、楼面、地面、内外墙面、门窗等构造做法。

  建筑平面设计中建筑物的功能和区域划分是首先要考虑的因素,并且还要最好满足建筑物的美观、大方、实用,同时结构平面布置规则以及满足抗震设防要求也必须兼顾,为了便于结构设计加上综合考虑建筑设计要求和结构设计要求,此设计采用内廊式平面框架形式。本设计采用的东西方向的柱距为5.7米,南北方向的为6米;走廊取轴线间宽度3.3米,主要供工作人员行走的为两部楼梯。为了满足消防要求,在此设计首层中走廊的两端都设有侧门,方便进出以及紧急情况逃生。本设计的主要功能分区为办公室及会议室,此外,每层均设有至少一个会议室室,方便安排工作和商量解决问题

  第二章建筑结构设计

  2.1结构选型及布置

  2.1.1构件材料的选择

  本政府办公楼为四层建筑,所以整体结构要满足强柱弱梁,以及现场浇筑一般采用梁和板整体一起浇筑,柱单独浇筑的施工顺序。本设计计划采用的构件材料中,框架柱采用C30混凝土,梁、板采用C30混凝土。根据阿拉善地区的地质条件,边柱计划采用柱下独立基础,走廊的两个中柱采用柱下联合基础,基础所用混凝土均计划采用C30,并且在基础下面的100mm厚垫层计划采用C15混凝土。梁内纵向钢筋采用HRB400级,梁端加密区箍筋采用HPB335,

  楼梯梁采用HRB400,楼面板钢筋采用HPB335,板厚120mm。

  2.1.1构件尺寸的初步确定

  梁的尺寸初步确定先由经验公式确定,梁截面高度一般为其跨度的(1/18―1/12);梁的截面高度一般为其截面高度的(1/3―1/2),同时,梁的截面宽度一般不宜小于200mm。在综合考虑挠度控制、整体结构安排、施工方便,来初步确定梁截面尺寸。柱的截面尺寸通过轴压比限制公式来计算确定。楼板的方案按照板的长跨与短跨的比值来确定,因为都小于2,所以选择双向板,板厚取为120mm。

  2.2荷载计算

  多层框架结构上作用的永久荷载,通常由永久荷载中的结构自重、可变荷载中的活载、风荷载以及雪荷载共同组成,并且对于抗震设防的建筑,还必须考虑到地震作用的影响。

  2.2.1恒荷载计算

  永久荷载:按照结构构件的设计尺寸和所用材料的单位体积自重,来计算构件标准值,并且把楼面板的恒载按照双向板的传递原则分配给梁和柱。

  2.2.2活荷载计算

  按照不同的功能通过查《建筑结构荷载规范》可以知道各个分区的楼面活荷载,基本雪压为0.25 kN/m2,因为雪荷载小于屋面的上人荷载,所以顶层活载按上人荷载进行计算,最后将活载以线荷载和集中力的形式传递给梁和柱。

  2.2.3风荷载计算

  根据查得本设计地区(内蒙古自治区阿拉善左旗)基本风压为0.45kN/m2,此设计都选择第⑦轴横向框架作为了手算的对象,所以将求得的风荷载换算为,作用于第⑦轴横向框架的线荷载,并将线荷载的大小换算到每层的框架节点上的集中荷载。

  2.2.4水平地震作用计算

  本办公楼结构高度没有超过40m,质量和刚度沿高度分布比较均匀,变形也是以剪切变形为主,所以使用底部剪力法来计算水平地震作用。

  首先要根据每个楼层的构件自重,以及活荷载组合来求出重力荷载代表值(Geq=0.85ΣGi),然后根据梁和柱的尺寸,求得梁的线刚度以及柱的抗侧移刚度,然后用顶点位移法,求出结构自振周期没,最后要根据设计场地的抗震烈度设防要求和场地类型及组别,求出各楼层的水平地震作用再进行抗震验算。

  2.3内力计算

  在进行结构设计时,需要把各单项作用下的结构内力计算出来,然后根据《建筑结构荷载规范》GB 50009-2012和《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010中的有关要求来进行内力组合。组合后的结果作为结构配筋时的依据。此设计为四层钢筋混凝土框架结构,所以在手算时,需采用弯矩二次分配的方法来计算竖向荷载的作用,采用D值法的方法(修正反弯点法,考虑梁和柱的线刚度之比、上下层横梁的线刚度比、上下层的层高的变化等因素)来计算其水平荷载作用下的内力。

  2.3.1恒荷载内力

  通过验算可知,此设计中楼面都是双向板,所以梁承受的是梯形荷载以及三角形荷载,将这些梁所承受的梯形或三角形分布线荷载,通过将固定端弯矩等效的原则转换为均布荷载,再根据弹性的计算方法来算出各个梁端的固定端弯矩,最后进行二次分配不平衡的弯矩。在弯矩二次分配中,各节点的不平衡弯矩需要同时分配和传递。第一次分配弯矩时,需要按梁和柱的线性刚度来分配固定端弯矩,再将分配到的弯矩按照0.5的传递系数再传递一次,再对各个节点的不平衡弯矩按刚度比再做一次分配。然后,把各个杆端的固定端弯矩、分配到的弯矩和传递给的弯矩来相加,这样就可以获得梁端弯矩和柱端弯矩。

  根据前面得到的各个杆端弯矩则可以画出竖向荷载作用下的结构弯矩图。取⑦轴线横向框架作为计算单元,然后分别取各个梁、柱作为隔离体,分别对两端取炬,列出力矩平衡方程,便可得该梁端、柱端剪力,梁端的剪力可以根据梁上的竖向荷载所引起的剪力,与梁端的弯矩引起的剪力来相叠加而得到;柱端轴力可以由梁端剪力和节点的集中力叠加而得到,并且还需要考虑自重的影响。计算轴力时需要根据配筋计算,只求出柱子的轴力就可以,而不需要求出梁的轴力。

  2.3.2活荷载内力

  活荷载也可以叫做可变荷载﹐它是施加在结构上的由人群﹑物料以及交通工具而引起的使用或占用荷载和自然产生的自然荷载。

  根据我们在大三时候所学的《混凝土结构基本原理》、《混凝土结构与砌体结构设计》等课程知识,我们了解到在设计时候,应该还需要考虑结构的最不利位置,从而确定框架结构梁、柱的计算截面的最不利内力因素,这样的计算因为计算量较大,所以在手算时一般采用了简化方法。对于此政府办公楼,活荷载所产生的内力远小于恒载和水平力所产生的内力值,所以可以不考虑活荷载的最不利分布,转而把布置于所有的框架梁的上面,通过使用这样的方法所求得的内力值,在支座处与按照最不利的荷载所得的结果和相近,所以可以在此直接进行内力的组合。同时,在考虑到钢筋混凝土结构所具有的塑形内力重分布性质,在竖向荷载下可以适当的来调整梁端弯矩,而梁的跨中弯矩也需要进行调整(其系数为1.1~1.2)。在此同时,需要梯形荷载以及三角形荷载按照固定端等效的原则来折算成为均布荷(详细见下图1),后续计算设计过程与恒荷载类似。

  图1.分布荷载转化为等效荷载

  三角形荷载作用时:qE=5/8 q

  梯形荷载作用时:qE=(1-2α2+α3)q

  2.3.3水平地震作用及楼层地震剪力的计算

  首先确定结构的等效重力荷载代表值Geq:

  Geq=0.85ΣGi

  然后计算水平地震影响系数α1,通过查《建筑抗震规范》,可以得到二类场地的特征周期值Tg,查表可知αmax,所以水平地震影响系数α1:

  α1=(Tg/T1)0.9αmax

  再计算结构总的水平地震作用标准值FEK:

  FEK=α1Geq

  此时,因为1.4Tg<T1,,所以需要考虑加入顶部附加水平地震作用的影响。

  顶部附加地震作用系数:

  δn=0.08 T1+0.07

  ΔF顶=δn FEK

  各质点横向水平地震作用按下列公式计算:

  Fi=GiHiFEk(1-δn)/(∑GjHj)

  FEk(1-δn)

  所以,地震作用下各楼层水平地震层间剪力Vi为:

  Vi=∑Fk(i=1,2,…n)

  各质点水平地震作用及楼层地震剪力沿房屋高度的分布如下图:

  图2.各质点水平地震作用及楼层地震剪力沿房屋高度的分布图

  2.3.4风荷载作用内力

  垂直作用在建筑物表面单位面积上的风荷载标准值按照下式计算

  wk=βzμsμzw0(KN/m)

  2.4横向框架内力组合

  本办公楼设计工程考虑三种内力组合:

  S=1.35SGK+SQK

  S=1.2 SGK+0.6 SQK+1.3SEK

  S=1.2SGK+1.4SEK

  其中,考虑到S=1.2SGK+1.4SEK这个组合与地震作用的组合相比一般较小,对于整个设计工程没有起到主要的控制作用,所以可以不考虑。各层梁的内力组合结果如下表:

  表2.1承载力调整系数γRE的取值

  结构构件类别正截面承载力计算斜截面承载力计算

  梁柱梁、柱

  γRE 0.75 0.8 0.85

  2.4.1弯矩调幅

  为了便于施工和提高整体结构的延性以及考虑到有着塑形内力重分布的性质,所以要对竖向荷载作用下的梁端的负弯矩进行调幅,然后再进行内力的组合。对于现浇的钢筋混凝土的框架结构,调幅系数一般来取0.8~0.9以避免出现负弯矩钢筋的相挤现象;对装配式框架结构,调幅系数可取0.7~0.8。本办公楼的设计计划采用现浇施工方案,调幅系数取为0.8,梁支座处的弯矩调幅以后,跨中弯矩需要按照调幅后的支座处弯矩,以及相应的荷载利用平衡条件来求得,并且梁的跨中正弯矩应该大于按照简支梁计算的跨中弯矩的一半。恒载和活载作用下均需调幅。

  2.4.2内力调整

  一般而言,设计中的内力的计算与调幅,都是针对计算简图中的轴线处来进行的,所以计算求得的杆端内力也即是柱中与梁中交点处的内力。但是实际上,结构构件的控制截面应该去选择梁端和柱端截面,所以内力调整,就是把计算简图上的轴线处内力,调整成实际构件的端部截面处内力。

  抗震设计中,二级钢筋混凝土框架和抗震墙中跨高比大于2.5,梁端的剪力设计值就需要按照下列公式进行调整:

  V=γRE[ηvb(Mlb+Mbr)/ln+VGb]

  2.4.3内力组合

  本办公楼内力组合有以下几种组合形式(以⑦轴横向框架为例):

  1)有地震作用效应的组合:

  2)没有地震作用效应的组合:;

  将所有需要的内力进行组合后,还必修再进行内力的调整。

  抗震设计以及线刚度计算时,必修满足“强柱弱梁,强剪弱弯”的原则,保证如果建筑结构出现危险的时候,先破坏明显的并且整体威胁性更小的梁,便于提前发现问题和解决问题,减少结构因为安全隐患造成损失的几率。所以需要将梁端剪力,柱端弯矩,柱端剪力进行抗震调整。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》来进行调整。并据《高层建筑混凝土结构技术规程》中要求,截面设计时,钢筋混凝土框架梁的跨中截面正弯矩设计值,宜大于在竖向荷载作用下时,按简支梁计算的跨中弯矩设计值的一半。。

  2.5截面设计

  2.5.1框架梁截面设计

  在完成梁柱内力组合后,就需要进行配筋的计算,此时对于框架梁来说就要进行正截面抗弯设计和斜截面抗剪的设计,并且找到最不利的内力组合。

  框架梁正截面设计时,跨间弯矩取控制截面,即离支座处1.2m处的正弯矩。考虑跨间最大弯矩处时,梁下部受拉时,按照“T”形截面设计;当梁的上部受拉时,按照矩形截面设计。在进行框架梁的斜截面设计时,应该首先要验算截面尺寸,判断尺寸是否符合要求,然后再进行箍筋的选择以及斜截面受剪承载力计算。根据抗震相关规范可知,二级抗震箍筋肢距不应大于250mm和20d。

  2.5.2柱截面设计

  框架柱则主要按偏心受压构件设计,首先根据三种最不利的内力设计,即由Mmax和它相应的N;Nmax和相应的M;Nmin和相应的M,判断相应框架柱是属于大偏心受压还是小偏心受压,然后分别利用相应的计算方法,来进行截面的设计,然后配置相应的箍筋。

  2.6基础设计

  根据内蒙古阿拉善左旗的水文地质条件,以及此设计的柱间距,来选择设计方案。所以边柱选取柱下独立基础,两个相近的中柱选取双柱联合基础。基础柱根据内力组合得到的较大的三组内力值,与基础梁的自重产生的内力效应相互叠加,然后再确定基础底面尺寸,并进行验算,最后对基础立面进行确定和验算。

  2.7楼梯设计

  本办公楼设计采用了板式楼梯,其包括梯段板、平台板和平台梁设计。

  2.7.1梯段板设计

  通过楼梯的跨度,踏步的高度,踏步的宽度,以及梯段板荷载设计值,然后再进行内力计算和配筋计算。

  首先通过楼梯的踏步尺寸来求得楼梯板的倾斜角,然后通过层高按照比例(1/30~1/20)来确定楼梯板的厚度,之后计算出所承受的荷载设计值,最后进行内力计算以及配筋计算。

  楼梯的活荷载是按照它的水平投影面来计算的,一般情况选取平台梁之间的斜长净距作为它的计算跨度。本设计中的梯段板在竖向荷载作用下的最大弯矩,与相同荷载作用下、相同水平投影长度的简支梁的最大弯矩相等;最大剪力为楼梯梯段板的倾斜角乘以在竖向均布荷载作用下,水平投影长度的简支梁最大剪力值。

  2.7.2平台板设计

  在设计中,平台板一端与平台梁整体连接,另一端支承在砖墙上,所以需要取一米宽的板带来进行计算,计算后再进行相关的验算并且配筋。

  2.7.3平台梁设计

  首先按照之前所确定的平台梁截面尺寸,计算平台梁的恒荷载和活荷载,之后进行截面设计并配筋。

  第三章电算(PKPM软件校核)

  此设计在进行电算时,使用学院统一安排的在建筑结构设计中十分常用的PKPM2010软件。设计内容为首先利用PMCAD模块来对结构建模;然后利用PKPM对第⑦轴横向框架进行计算分析PK文件;接着利用SATWE程序进行三维有限元计算、配筋情况和验算结果,然后把建模步的所有成功整理。最后将电算得到的结果和手算结果比较,从而对软件、手算过程进行评估。

  第四章施工组织设计

  本设计的施工组织设计首先进行编写工程设计内容,进行施工部署;合理划分基础阶段、主体阶段和装饰装修阶段的流水区段。然后通过手算来计算施工工程量计算书,再去确定单位工程施工的工艺总流程,本设计采取,由下到上,先主体后装饰的方向。在此基础上,进行施工组织安排,绘制施工总平面图布置,将施工进度计划做横道图与网格图,最后将一些重点难点的施工方案来设计。