建筑结构概念设计大作业指导书

建筑结构概念设计

课程大作业

指 导 书

（适用于2010级土木工程专业）

嘉兴学院建筑工程学院

2012年11月

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一、课程大作业的目的和任务

建筑结构概念设计是高等学校土木工程专业建筑工程方向的一门专业课。其内容涉及结构选型、结构受到总的作用、竖向体系和水平体系三大部分。

课程大作业的目的和任务是：通过课程大作业，使学生掌握建筑结构概念设计的基本原理与方法，培养学生具有一定工程结构概念设计计算能力。

课程大作业是对学生综合素质与工程实践能力的全面锻炼。着重培养学生综合分析和解决问题的能力，以及严谨、扎实的工作作风，是后续毕业设计的全面演练，同时为将来走上工作岗位，顺利完成相关设计任务奠定坚实基础。

二、课程大作业的能力培养要求

（1）建模能力：具有基本结构设计概念，将常见建筑结构简化为结构动力学计算简图的能力。 （2）设计能力：能使用抗震设计规范、规程、设计手册和设计图集，进行常规建筑结构的概念设计及编制必要的设计说明书。

（3）制图能力：具有绘制结构设计施工图纸的能力。

三、设计要求

（1）时间要求 下发任务书至课程结束前1周上交成果。一般不少于2周；

（2）任务要求 在教师指导下，独立完成给定的设计任务，编写出符合要求的设计说明书，并绘制必要的施工图。

（3）知识和能力要求 能综合应用所学知识与技能，分析和解决工程实际问题；学会依据设计任务进行资料收集和整理，能正确运用工具书，掌握抗震结构设计程序、方法和技术规范；培养工程设计计算、理论分析、技术文件编写的能力。

四、考核与成绩评定

课程大作业成绩，与课程设计成绩评定方法相同。依据平时考勤、设计成果质量、答辩成绩评定。 （1）平时考查：主要检查学生的出勤情况、学习态度、是否独立完成设计等几方面。 （2）设计成果的检查：着重检查设计图纸和说明书的完整性和正确性。

（3）成绩的评定要按课程的目的要求：突出学生独立解决工程实际问题的能力和创新性的评定。 （4）课程设计的成绩按百分制评定。凡大作业成绩不及格者，课程必须重修。 考核标准如下

实践环节名称 考 核 内 容 荷载计算项目齐全，取值正确，荷载组合恰当； 计算简图选取正确，计算方法选择恰当； 说明书（50分） 所选用结构材料的品种、规格型号、标号齐全、准确； 构件设计正确、合理 书写格式正确，计算书整洁、规范。 按规定完成了应画的结构施工图； 施工图符合任务书要求、符合制图标准、设计符合有关规范； 设计图纸（50分） 图面布置均匀，图面整洁，线型使用恰当，线条规整； 尺寸、标高等数据标准齐全，字体工整，符合规范要求； 投影关系正确，能满足施工要求 2

考核单元

题： 工程概况：

某教学楼位于8度烈度区，设计基本地震加速度为0.2g；场地为II类；总层数为10层，底层一层层高5.5m，二层5m，其他层为4.1m，总高为5.5+5+8*4.1=43.3m；整个结构为现浇，本题中不考虑风荷载作用；楼面荷载计算中，雪载、使用荷载取50%，永久荷载取100%。

第一步、确定结构方案与结构布置

一、建筑结构体系选型 (一) 合理选用结构材料

建筑结构材料是形成结构的物质基础，根据不同结构类型的特点，正确选用材料，就成为经济合理地选型的一个重要方面。按材料分类的结构类型如下：

砌体结构体系

按建筑材料分类的结构类型 钢筋混凝土结构体系 钢结构体系

钢——混凝土组合结构体系 (二) 合理选择结构受力体系

现代建筑中，建筑物的造型可划分为两大类：多层及高层建筑、单层大跨度建筑，按结构受力形式分类，常用的结构体系大体如下：

混合结构体系 框架结构体系

多层及高层建筑 剪力墙结构体系(包括框架——剪力墙、全剪力墙结构) 筒体结构体系(包括框筒、筒中筒、成束或组合筒体结构) 巨型结构体系

单层大跨度建筑 平面结构体系：门式刚架、薄腹梁结构、桁架结构、拱结构 空间结构体系：壳体结构、网架结构、悬索结构、膜结构 框架结构体系

多层与小高层常采用框架结构体系。 (1)框架结构体系的特点：框架是由梁、柱构件通过节点连接形成的骨架结构，框架结构的特点是由梁、柱承受竖向和水平荷载，墙仅起维护作用。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，也可构成丰富多变的立面造型。框架结构可通过合理的设计，使之具有良好的延性，成为“延性框架”。在地震作用下，这种延性框架具有良好的抗震性能。

(2)钢筋混凝土框架：钢筋混凝土框架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。

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地震区框架结构宜优先考虑选择现浇框架结构体系，其次是装配整体式框架结构体系，现已很少采用装配式框架结构体系；非地震区的框架结构则可以根据施工条件等因素具体选定。

(3)钢框架：钢框架的受力骨架为钢梁、钢柱，根据梁柱连接型式可分为半刚接框架和刚接框架。钢框架的抗震性能优于钢筋混凝土框架；钢梁、钢柱相对混凝土梁、柱截面较小，增大了有效使用面积；钢框架自重较轻，大大降低了基础造价；且施工周期短，具有良好的综合经济效益。钢框架多用于办公楼、旅馆、商场等公共建筑。

(4)框架结构体系选用限值：框架结构体系的抗侧刚度主要取决于梁柱的截面尺寸，一般梁柱截面惯性矩较小，在水平荷载作用下的侧向变形较大，抗侧移能力较弱，属较柔结构。当层数较多、侧向荷载较大时，为满足侧向刚度和强度要求，需加大截面，很不经济。而且高度增加时，框架结构顶点位移和层间相对位移较大，使得非结构构件(如填充墙、建筑装饰、管道设备等)在地震时破坏较严重。因此，框架结构的最大高度受到限制。

钢筋混凝土框架结构的合理层数是6～15层，最经济是10层左右；规范规定不超过12层的钢结构房屋可采用钢框架结构；框架结构高宽比不宜超过表1-2的限值；抗震等级见表1—3所示。

表1-1 建筑结构体系适用的最大高度（m） 结 构 体 系 框 架 钢筋混 凝土结 框架——剪力墙 构 和框架——筒体 现 浇 剪 力 墙 钢结构 现 浇 装配整体 现 浇 装配整体 无框支墙 部分框支墙 框 架 框架——支撑 框架——剪力墙 非抗震 抗 震 设 防 设防 6 度 度 8 度 9 度 60 50 130 100 140 120 110 240 60 50 130 100 140 120 110 220 55 35 120 90 120 100 110 220 45 25 100 70 100 80 90 200 25 不应采用 50 不应采用 60 不应采用 50 140

表1-2 高宽比限值

结 构 体 系 框 架 钢筋混 框架——剪力墙 凝土结 和框架——筒体 构 剪 力 墙 二、结构布置

结构体系确定后，应当密切结合建筑设计进行结构总体布置，使建筑物具有良好的造型和合理的传力路线。

建筑结构的总体布置，是指其对高度、平面、立面和体型等的选择，除应考虑到建筑使用功能、建筑美学要求外，在结构上应满足强度、刚度和稳定性要求。地震区的建筑，在结构设计时，还应保证建筑物具有良好的抗震性能。设计要达到先进合理，首先取决于清晰合理的概念，而不是仅依靠力学分析来解决。

非抗震 抗 震 设 防 设防 6、7 度 8 度 9 度 5 7 8 7 4 6 7 6 3 5 6 5 — 4 4 4 4

确定结构布置方案的过程就是一个结构概念设计的过程。 （一） 结构总体布置原则

1、 控制高宽比

在高层建筑中，结构的位移常常成为结构设计的主要控制因素、而且随着建筑高度的增加，倾覆力矩将迅速增大。因此，高层建筑的高宽比不宜过大。一般应满足表1-2的要求。对于满足表1-2的高层建筑，一般可不进行整体稳定验算和倾覆验算。

2、减少平面和竖向布置的不规则性

结构平面应尽量设计成规则、对称而简单的形状，使结构的刚度中心和质量中心尽量重合，以减少因形状不规则产生扭转的可能性。

结构的竖向布置要做到刚度均匀而连续，避免刚度突变，避免薄弱层。结构上部形成缩小面积的突出部分，这种刚度突变在地震作用下会产生鞭梢效应，要采取特殊的措施加强。 3、变形缝的设置

在多层与高层建筑中，为防止结构因温度变化和混凝土收缩而产生裂缝，常隔一定距离用温度缝分开；在高层部分和低层部分之间，由于沉降不同，往往由沉降缝分开；建筑物各部分层数、质量、刚度差异过大，或有错层时，用防震缝分开。温度缝、沉降缝和防震缝将高层建筑划分为若干个结构独立的部分，成为独立的结构单元。 （二） 框架结构体系布置 1、结构布置原则

(1)结构平面形状和立面体型宜简单、规则，使各部分刚度均匀对称，减少结构产生扭转的可能性。 (2)控制结构高宽比，以减少水平荷载下的侧移，其高宽比限值见表1-2。 (3)尽量统一柱网及层高，以减少构件种类规格，简化设计及施工。

(4)房屋的总长度宜控制在最大温度伸缩缝间距内，当房屋长度超过规定值时，可设伸缩缝将房屋分成若干温度区段。 2、柱网和层高

框架结构的柱网尺寸，即平面框架的柱距(开间)与跨度(进深)和层高，首先要满足生产工艺和其他使用功能的要求，其次是满足建筑平面功能的要求，还要力求做到柱网平面简单规则、受力合理，同时施工方便，有利于装配化、定型化和施工工业化。 3、钢筋混凝土承重框架的布置

柱网确定后，沿房屋纵横方向布置梁系，形成横向框架和纵向框架，分别承受各自方向上的水平作用。根据承重框架布置方向的不同，框架承重体系可分为三种。

(1)横向框架承重方案：横向框架承重方案是在横向上布置主梁，在纵向上设置连系梁。楼板支承在

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横向框架上，楼面竖向荷载传给横向框架主梁。由于横向框架跨数较少，主梁沿框架横向布置有利于增加房屋横向抗侧移刚度。由于竖向荷载主要通过横梁传递，所以纵向连系梁往往截面尺寸较小，这样有利于建筑物的通风和采光。不利的一面是由于主梁截面尺寸较大，对于给定的净空要求使结构层高增加。 (2)纵向框架承重方案；纵向框架承重方案是在纵向上布置框架主梁，在横向上布置连系梁。楼面的竖向荷载主要沿纵向传递。由于连系梁截面尺寸较小，这样对于大空间房屋，净空较大，房屋布置灵活。不利的一面是进深尺寸受到板长度的限制，同时房屋的横向刚度较小。

(3)纵横向框架混合承重方案：框架在纵横两个方向上均布置主梁。楼板的竖向荷载沿两个方向传递。柱网较大的现浇楼盖，通常布置成井字形式；柱网较小的现浇楼盖，楼板可以不设井字梁直接支承在框架主梁上。由于这种方案沿两个方向传力，因此各杆件受力较均匀，整体性能也较好，通常按空间框架体系进行内力分析。

在地震区，考虑到地震方向的随意性以及地震产生的破坏效应较大，因此应按双向承重进行布置。高层建筑承受的水平荷载较大，应设计为双向抗侧力体系，主体结构不应采用铰接，也不应采用横向为刚接、纵向为铰接的结构体系。 （三）、绘出框架平面柱网布置

标出柱距，对框架进行编号。

第二步、初步选定梁柱截面尺寸及材料强度等级

一、 初估梁柱截面尺寸

（1）框架梁截面尺寸：框架梁的截面尺寸应该根据承受竖向荷载的大小、梁的跨度、框架的间距、是否考虑抗震设防要求以及选用的混凝土材料强度等诸多因素综合考虑确定。

一般情况下，框架梁的截面尺寸可参考受弯构件按下式估算：梁高h=(1/8～1/12)l，其中l为梁的跨度。梁宽b=(1/2～1/3)h。在抗震结构中，梁截面宽度不宜小于200mm，梁截面的高宽比不宜大于4，梁净跨与截面高度之比不宜小于4。

(2)框架柱截面尺寸：框架柱的截面形式通常大多为方形、矩形。柱截面的宽与高一般取层高的1/15～1/20，同时满足h?l0/25、b?l0/30，l0为柱计算长度。多层房屋中，框架柱截面的宽度和高度不宜小于300mm；高层建筑中，框架柱截面的高度不宜小于400mm，宽度不宜小于350mm。柱截面高度与宽度之比为1～2。柱净高与截面高度之比宜大于4。

为了减少构件类型，简化施工，多层房屋中柱截面沿房屋高度不宜改变。

在计算中，还应注意框架柱的截面尺寸应符合规范对剪压比(Vc/fcbchc0)、剪跨比(??M/Vhc)、轴压比(?N?N/fcbchc)限值的要求，如不满足应随时调整截面尺寸，保证柱的延性。抗震设计中柱截面尺寸主要受柱轴压比限值的控制，如以ω表示柱轴压比的限值，则柱截面尺寸可用如下经验公式粗略确定：

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A?a?2GnF? 3fc(??0.1)?10式中；A——柱横截面面积，m2，取方形时边长为a；

n——验算截面以上楼层层数；

F——验算柱的负荷面积，可根据柱网尺寸确定，m2； fc——混凝土轴心抗压强度设计值；

ω——框架柱最大轴压比限值，一级框架取0.7，二级框架取0.8，三级框架取0.9。

φ——地震及中、边柱的相关调整系数，7度中间柱取1、边柱取1.1，8度中间柱取1.1、边柱取1.2； G——结构单位面积的重量(竖向荷载)，根据经验估算钢筋混凝土高层建筑约为12～18kN／m2。 二、 材料强度等级

1、 混凝土的强度等级：抗震等级为一级的框架梁、柱和节点不宜底于C30，其他各类构件不应底于

C20。

2、 钢筋的强度等级：纵向钢筋宜采用II、III级变形钢筋，箍筋宜采用I、II级钢筋。 三、 确定计算简图、选取计算单元

1、 画出水平计算简图，标注框架编号（横向为1、2、3-----，纵向为A、B、C---）、框架梁编号（材

料、截面和跨度相同的编同一号），确定梁的计算跨度。

2、 选取计算单元（所需计算的一榀或几榀框架），画出计算简图，标出计算跨度、柱的计算高度，并

对柱编号（材料、截面和高度相同的编同一号）。

第三步、确定各层重力荷载代表值和地震荷载代表值

一、计算各层重力荷载代表值

1、 屋面竖向恒载：按屋面的做法逐项计算均布荷载×屋面面积； 2、 屋面竖向活载：屋面雪荷载×屋面面积；

3、 楼面竖向恒载：按楼面的做法逐项计算均布荷载×楼面面积； 4、 楼面竖向活载：楼面均布活荷载×楼面面积；

5、 梁柱自重（包括梁侧、梁底、柱的抹灰）：梁侧、梁底抹灰、柱周抹灰，近似按加大梁宽及柱宽考

虑，一般加40mm。

G?(0.40?b)?h?l?容重 混凝土容重：25kN/m3

梁柱自重可列表，以方便后面的计算。如：

编号 截面(m2) 长度(m) L1 ….

根 数 每根重量（KN） 7

宽×高= 每层根数×层数= Z1 …. 6、 墙体自重：（包括女儿墙和各种纵横隔墙） 墙体两面抹灰，近似按加厚墙体40mm考虑。

（0.40?墙厚）?墙体容重 ?墙体面积?单位面积上墙重量 G?墙高?墙宽? 黏土砖的容重：19kN/m3

同上列表：

墙 体 女儿墙 底层纵墙 底层横墙 每片面积 高×宽= 片 数 重量 每层片数×层数= 其他层纵墙 其他层横墙 7、 荷载分层总汇 屋面重力荷载代表值

Gi=屋面恒载+50%屋面活荷载+纵横梁自重+楼面下半层的柱及纵横墙自重； 各楼层重力荷载代表值

Gi=楼面恒荷载+50%楼面活荷载+纵横梁自重+楼面上下各半层的柱及纵横墙自重： 总重力荷载代表值 G??Gi?1ni

二、计算地震荷载标准值 1、计算结构自振周期

顶点位移法计算基本周期： T1?1.7?T?T 式中，?T——基本周期调整系数，对一般民用框架取0.6。

?T——结构顶点侧向位移，即为把集中在各楼层处的重力荷载代表值视为作用在楼面处的水平力时，按弹性刚度计算得到的结构顶点侧向位移（m）。

?T???i ， ?i?Vi/?Dik?Vi/Di

i?1k?1nm式中，Vi——上述水平力作用下第i层的层间剪力，Vi? Di——第i层柱的侧移刚度之和。

?Gk?ink;

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2、计算多遇地震烈度下的结构弹性地震作用

对满足底部剪力法适用条件的框架结构，可用底部剪力法求解，列表计算。

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