钢结构毕业设计计算书(7层).doc

钢结构设计实例
要求：试设计沈阳某公司办公楼，已知工程概况如下：
本建筑为沈阳某公司办公楼，位于沈阳市区。共七层，全部为办公用房，总建筑面积：7100，占地面积：3400，底层层高4.5m，顶层层高4.5m，其余层均为4.2m。室内外高差0.600m，室外绝对标高为+46.200m。
满足防火要求设两个双跑楼梯和两部电梯。墙体采用聚氨酯PU夹芯墙板，室内地面采用大理石装饰。屋面为不上人屋面，采用改性沥青防水，苯板保温。
结构形式为钢框架——支撑体系。设计基准期50年，雪荷载0.50，基本风压：0.55。抗震设防烈度为7度，设计基本加速度为0.1。
地质条件：拟建场地地形平坦，地下稳定水位距地坪-9.0m以下，冰冻深度-1.20m，土质分布具体情况见表9.1，Ⅱ类场地。
建筑地层一览表 表9.1
序号
岩土分类
土层深度
(m)
厚度范围
(m)
地基土承载力
(kPa)
桩端阻力
(kPa)
桩周摩擦力
(kPa)
1
杂填土
0.0—0.5
0.5
—
—

2
粉土
0.5—1.5
1.0
120
—
10
3
中砂
1.5—2.5
1.0
200
—
25
4
砾砂
2.5-6.5
4.0
300
2400
30
5
圆砾
6.5-12.5
6.0
500
3500
60
注：地下稳定水位距地表-9m，表中给定土层深度由自然地坪算起。

第一部分 方案设计概述
一、建筑方案概述
1. 设计依据
《总图制图标准》GB/T 50103-2001
《建筑制图标准》GB/T 50104-2001
《民用建筑设计通则》JGJ 37-87（试行）
《办公建筑设计规范》JGJ 67-89
《高层民用建筑设计防火规范》GB 50045—95(2001年修订版）
《建筑设计防火规范》GBJ16-87(2001版)
2．设计说明
（1）屋面（不上人屋面）
防水层：改性沥青防水卷材；
20mm厚1:3水泥沙浆找平层；
100mm厚水泥珍珠岩保温层
焦渣找坡（最薄处30mm厚，最厚处150mm）；
压型钢板混凝土组合板（总厚度150mm，折算厚度100mm）；
轻钢龙骨吊顶。
（2）楼面：
20mm大理石面层；
20mm1：3干硬性水泥沙浆找平层；
100mm厚压型钢板混凝土组合结构层；
轻钢龙骨吊顶。
（3）门窗
本工程采用实木门和塑钢玻璃窗。
（4）墙体
外墙为双层聚氨酯PU夹芯墙板300mm（内塞岩棉）；
内墙为双层聚氨酯PU夹芯墙板180mm厚聚氨酯PU夹芯墙板；
卫生间采用C型轻钢龙骨隔墙。
二、结构方案概述
1. 设计依据
本设计依据以下现行国家规范及规程设计。
《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001)
《钢结构设计规范》（GBJ50017-2003）
《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)
《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ 99-98
2. 结构形式及布置
采用钢框架-支撑结构。纵向设置十字交叉柔性支撑两道，支撑杆件用双角钢截面，焊缝连接。框架梁、柱均采用焊接工字形截面。楼板采用压型钢板钢筋混凝土组合结构；楼梯为钢楼梯；基础采用柱下独立基础，结构布置如下：

图9.1 结构布置图

底层计算高度为4.5m+1.5m=6.0m，其中1.5m为初估室内地坪至柱脚底板的距离。
3. 材料选用
所有构件及零件均采用Q235B；组合楼板混凝土强度等级C20，基础混凝土强度等级C25，钢筋为HRB335级及HPB235。
4.主要参数及结构计算方法
该建筑抗震设防类别为丙类，地震作用及抗震措施均按设防烈度考虑。具体计算方法如下：采用底部剪力法计算水平地震作用；采用修正反弯点法（D值法）计算水平地震作用下的框架内力；采用弯矩二次分配法，计算竖向荷载作用下框架内力。

图9.2 结构竖向布置图

第二部分 结构布置及截面初选
一、计算简图及构件截面初选
1. 计算单元

图9.3 结构计算单元

2. 结构构件截面初选
（1）柱截面按中柱初估：
钢框架－支撑结构按每平米5～8计算竖向荷载，此处取6，柱的长细比＝（60～120）。
轴压力设计值（3.3+3）×8.4×6×1.3×7＝2889.4kN；1.3荷载分项系数平均值。
取长细比＝80 (按较小刚度y轴考虑)，计算长度系数=1（设有侧向支撑），按b类截面查得稳定系数＝0.688，则所需要面积：
A≥
考虑弯矩及倾覆压力作用的影响取:
（1.3～1.5）A＝（1.3～1.5）×20486.4 =26632～30730 mm2
所需截面回转半径：iy＝6000/80＝75mm。
（2）钢梁截面初估
纵向框架梁高＝8400/15～8400/20＝560mm～420mm；
横向框架梁高=6600/15～6600/20=440mm～330mm；
（3）压型钢板：YX70－200－600（V200），板厚1mm，有效截面惯性矩＝100.64cm4/m,有效截面抵抗矩＝27.37cm3/m，一个波距宽度内截面面积 =321.42，自重0.15。
柱、梁选用见下表：

图9.4 构件截面参数

结构构件初选截面参数 表9.2
项目
截面尺寸
构件截面特性
重量
（kN/m）

(mm)

(mm)

(mm)

(mm)

(mm)
A
()

()

(mm)

(mm)
框架柱
500
450
22
456
14
26184
1242416352
334229272
217.8
113.0
2.042
纵向框架梁
500
260
14
472
8
11056
500098325
41030805
212.7
60.9
0.862
横向框架梁
500
260
14
472
8
11056
500098325
41030805
212.7
60.9
0.862
纵向次梁
450
240
10
430
8
8240
285364667
23058347
186.1
52.9
0.643
横向次梁
400
240
10
380
8
7840
219141333
23056213
167.2
54.2
0.612

第三部分 荷载汇集
一、屋面均布荷载
1．恒载
APP改性防水 0.35
20mm厚1：3水泥砂浆找平层 20×0.02=0.40
100mm厚水泥珍珠岩保温层 3.5×0.1=0.35
焦渣找坡（最薄处30 ，最厚150） 10×0.14=1.40
100mm厚现浇混凝土结构层（折算厚度） 25×0.10=2.50
1mm厚压型钢板 0.15
轻钢龙骨吊顶 0.12
合 计 5.27
2. 活载：
不上人屋面 0.5
雪载 0.5
重力荷载代表值计算时取雪荷载。竖向荷载作用下结构分析时活荷载和雪荷载不同时考虑，取二者较大值考虑。
二、楼面均布荷载：
1．恒载：
大理石面层 28×0.02=0.56
20mm厚水泥砂浆找平层 20×0.02=0.40
100mm厚现浇钢筋混凝土结构层 25×0.1=2.50
1mm厚压型钢板 0.15
轻钢龙骨吊顶 0.12
合 计 3.73
2.活载：
楼面活荷载 2.0
走廊、楼梯的活荷载 2.5
为简化计算，本设计偏于安全楼面均布荷载统一取2.5计算。
三、构件自重（单个）
1. 柱
1层 2.042×4.5=9.19 kN
2-6层 2.042×4.2=8.58 kN
7层 2.042×4.5=9.19 kN
2. 梁
横向框架梁 0.862×6.6=5.69kN
纵向框架梁 0.862×8.4=7.24kN
横向次梁 0.612×6.6=4.04kN
纵向次梁 0.643×8.4=5.40kN

3.墙体
（1）外墙
双层聚氨酯夹芯墙板（含龙骨）300厚 0.65
合 计 0.65

（2）内墙
双层聚氨酯夹芯墙板（含龙骨）180厚 0.50
合 计 0.50

（3）隔墙
C型轻钢龙骨隔墙 0.43

4. 门窗
木门 0.2
塑钢窗 0.3
四、重力荷载代表值计算
各楼层重力荷载代表值的具体计算过程略，计算结果如下：
6897.95kN
574.73+5949.63=6564.80kN
538.57 +5990.07 =6528.64kN
538.57 +6027.89=6566.47kN
房屋总重力荷载代表值：
＝6897.95+6564.80+6528.64×4+6566.74 =46143.78 kN

图9.5 重力荷载分布图

第四部分 水平地震作用下结构分析
（Ⅰ） 横向框架地震作用分析
一、地震作用计算
1. 层间侧移刚度计算
（1）梁线刚度计算
钢材的弹性模量N/mm2
框架梁线刚度 表9.3
层
跨度
L(mm)
截面惯性矩
(mm4)
边框架
中框架
=1.2
(mm4)

（×kN·m）
=1.5
(mm4)

（×kN·m）
1～7
6600
500098325
600117990
1.8731
750147488
2.3414
（2）柱线刚度计算
柱的线刚度按式计算
框架柱线刚度 表9.4
层
柱高h(m)
A,D轴柱惯性矩
(×)
A,D轴柱子线刚度
（×kN·m）
B,C柱轴惯性矩
(×)
B B,C轴柱子线刚度
（×kN·m）
7
4.5
1.2424
5.6875
1.2424
5.6875
6
4.2
1.2424
6.0938
1.2424
6.0938
5
4.2
1.2424
6.0938
1.2424
6.0938
4
4.2
1.2424
6.0938
1.2424
6.0938
3
4.2
1.2424
6.0938
1.2424
6.0938
2
4.2
1.2424
6.0938
1.2424
6.0938
1
6.0
1.2424
4.2656
1.2424
4.2656

（3）柱侧移刚度计算

一般层：=
首 层：=
框架柱的值 表9.5
层
柱子类别

(m)

(×104KN·m)

(×104KN·m)

(×104 KN/m)

(×104 KN/m)
7
中框架
中柱(10根)
4.5
9.37
5.69
0.8233
0.2916
0.9829
20.8279
边柱(10根)
4.5
4.68
5.69
0.4117
0.1707
0.5753
边框架
中柱(4根)
4.5
7.49
5.69
0.6587
0.2477
0.8350
边柱(4根)
4.5
3.75
5.69
0.3293
0.1414
0.4765
2
～6
中框架
中柱(10根)
4.2
9.37
6.09
0.7684
0.2776
1.1507
24.2945
边柱(10根)
4.2
4.68
6.09
0.3842
0.1612
0.6680
边框架
中柱(4根)
4.2
7.49
6.09
0.6148
0.2351
0.9746
边柱(4根)
4.2
3.75
6.09
0.3074
0.1332
0.5522
1
中框架
中柱(10根)
6.0
4.68
4.27
1.0978
0.5158
0.7334
18.0982
边柱(10根)
6.0
2.34
4.27
0.5489
0.4115
0.5851
边框架
中柱(4根)
6.0
3.75
4.27
0.8782
0.4788
0.6809
边柱(4根)
6.0
1.87
4.27
0.4391
0.3850
0.5475
注：与楼梯相邻处的框架梁应按边框架梁计算，此处简化计算按中框架考虑。
2. 结构自振周期计算
将各层重力荷载代表值集中在相应楼层处作为假想水平荷载计算整体框架的顶点位移。考虑非结构构件的影响取。

结构自振周期 表9.6
层数

(kN)

(kN)

(×104 KN/m)

（m）
（m）
7
6897.95
6897.95
20.8279
0.033
0.834
6
6564.80
13462.75
24.2945
0.055
0.801
5
6528.64
19991.39
24.2945
0.082
0.745
4
6528.64
26520.03
24.2945
0.109
0.663
3
6528.64
33048.67
24.2945
0.136
0.554
2
6528.64
39577.31
24.2945
0.163
0.418
1
6566.47
46143.78
18.0982
0.255
0.255

=1.397
3.水平地震作用分析
（1）采用底部剪力法计算水平地震作用
设防烈度7度，设计基本加速度值为0.1g（第一组），则；Ⅱ类场地，，阻尼比；＜=1.397s＜5＝5×0.35=1.75。

==0.0251
（2）结构总水平地震作用:
＝0.0251×0.85×46143.78＝988.40kN
=1.397s＞1.4=1.4×0.35=0.49s，需要考虑顶部附加水平地震作用。
=0.08+0.07=0.08×1.397+0.07=0.182
顶部附加地震作用179.66 kN
（3）各层水平地震作用标准值及楼层地震剪力

——结构所在层楼板的计算高度。
楼层地震剪力：
(1ij7)

楼层地震剪力计算 表9.7
层

(m)

(m)

(kN)

(KN·m)

(kN)

(kN)

(kN)

(kN)
7
4.5
31.5
6897.95
217285.47
0.251
808.74
179.66
203.19
382.86
6
4.2
27
6564.80
177249.54
0.205
—
165.75
548.61
5
4.2
22.8
6528.64
148853.01
0.172
—
139.20
687.81
4
4.2
18.6
6528.64
121432.72
0.140
—
113.56
801.37
3
4.2
14.4
6528.64
94012.43
0.109
—
87.92
889.28
2
4.2
10.2
6528.64
66592.14
0.077
—
62.27
951.56
1
6
6
6566.47
39398.81
0.046
—
36.84
988.40

（4）楼层地震剪力调整
按抗震规范规定：各楼层地震剪力，剪力系数，具体计算如下表所示：
楼层地震剪力调整 表9.8
层

(kN)

(kN)
(kN)
(kN)
备注
7
382.86
6897.95
6897.95
110.37
满足
6
548.61
6564.80
13462.75
215.40
满足
5
687.81
6528.64
19991.39
319.86
满足
4
801.37
6528.64
26520.03
424.32
满足
3
889.28
6528.64
33048.67
528.78
满足
2
951.56
6528.64
39577.31
633.24
满足
1
988.40
6566.47
46143.78
738.30
满足
由以上计算可知各楼层地震剪力均满足要求。
（5）楼层地震剪力作用下横向框架侧移
楼层地震剪力作用下横向框架侧移等于层间剪力除以楼层侧移刚度，计算如下表：

地震剪力作用下横向框架侧移 表9.9
层
（m）
(KN)
(×104 KN/m)
(m)
7
4.5
382.86
20.8279
0.001838
6
4.2
548.61
24.2945
0.002258
5
4.2
687.81
24.2945
0.002831
4
4.2
801.37
24.2945
0.003299
3
4.2
889.28
24.2945
0.003660
2
4.2
951.56
24.2945
0.003917
1
6.0
988.40
18.0982
0.005461

（6）侧移修正
1）考虑节点域剪切变形对侧移的修正
由于本结构横向框架梁及框架柱截面没有改变，故每层的侧移修正系数相同，计算如下：
由横向框架梁的截面参数可知：
梁的腹板平均高度度：=472mm
梁截面的平均惯性矩：=750147488
柱的腹板平均高度度：=456mm
柱截面的平均惯性矩：= 1242416352
节点域腹板平均厚度：=14mm
=456×472×14×79000=2.3805×
=1.375＞1，需要修正。

=(17.5×1.375-1.8×1.3752-10.7)×=11.401
修正系数：

2）考虑节点柔性的侧移修正
规范规定修正幅度一般应控制在5%以内，故取修正系数

框架侧移及修正 表9.10
层
层高
（m）

7
4.5
0.001943
1.108
0.05
0.002128
0.026937
1/2114
1/300
6
4.2
0.002399
1.108
0.05
0.002615
0.024809
1/1606
5
4.2
0.003009
1.108
0.05
0.003278
0.022194
1/1281
4
4.2
0.003506
1.108
0.05
0.003819
0.018916
1/1100
3
4.2
0.003890
1.108
0.05
0.004238
0.015097
1/991
2
4.2
0.004163
1.108
0.05
0.004535
0.010859
1/926
1
6.0
0.004611
1.108
0.05
0.006323
0.006323
1/949

从上表计算可知层间位移角＜，满足要求。
（7）框架的顶点水平侧移
框架的顶点水平侧移可分为两部分：由框架梁的弯曲变形产生的侧移和由柱子轴向变形产生的侧移，框架顶端侧移=+。可由值法求的：
，
的计算如下：
将地震作用下折算成倒三角形水平分布荷载，顶端荷载为：
== =72.39kN/m
（边柱截面沿高度没有变化）
参数；
==0.006179 m
顶点位移：
=+=0.026937+0.006179=0.0331 m
，满足要求。
从以上表计算可知，地震作用下侧移满足要求。
（8）框架质心侧移验算
规范规定框架顶端侧移不应超过质心侧移的1.3倍，计算如下。
1）质心高度
==m
由于m<=18.742m<m，所以1.3倍的质心位移：
1.3=1.3
=1.3×[0.018916+0.003278×(18.742-18.6)/4.2]=0.02473 ＜=0.0331，满足。

图9.6 地震作用下的层间剪力
二、水平地震作用下框架内力计算（采用D值法）
取④轴横向框架计算。
1.框架柱的反弯点高度计算

—反弯点到柱下端结点的距离，即反弯点高度。
—标准反弯点高度比。
—上下横粱线刚度比对标准反弯点高度比的修正系数。
—上层层高变化修正系数。
—下层层高变化修正系数。
根据框架总层数、该柱所在层数和梁柱线刚度比查表得。
边柱（中框架A柱、D轴柱）的反弯点高度比 表9.11
层
(m)

7
4.5
0.4117
0.206
0.000
0.000
0.000
0.206
6
4.2
0.3842
0.342
0.000
0.000
0.000
0.342
5
4.2
0.3842
0.392
0.000
0.000
0.000
0.392
4
4.2
0.3842
0.442
0.000
0.000
0.000
0.442
3
4.2
0.3842
0.500
0.000
0.000
0.000
0.500
2
4.2
0.3842
0.558
0.000
0.000
-0.050
0.508
1
6.0
0.5489
0.726
0.000
0.000
0.000
0.726
中柱（中框架B柱、C轴柱）的反弯点高度比 表9.12
层
(m)

7
4.5
0.8233
0.350
0.000
0.000
0.000
0.350
6
4.2
0.7684
0.400
0.000
0.000
0.000
0.400
5
4.2
0.7684
0.450
0.000
0.000
0.000
0.450
4
4.2
0.7684
0.450
0.000
0.000
0.000
0.450
3
4.2
0.7684
0.500
0.000
0.000
0.000
0.500
2
4.2
0.7684
0.500
0.000
0.000
-0.050
0.450
1
6.0
1.0978
0.645
0.000
0.000
0.000
0.645
2.框架柱端弯矩计算
（1）第层第k根柱所受的剪力： =
（2）第层第k根柱下端弯矩：
（3）第层第k根柱上端弯矩：
具体计算过程见下表
边柱（A、D轴）柱端弯矩 表9.13
层
H(m)

(kN/m)

(kN/m)

(kN)

(kN)

（）

()
7
4.5
0.5753
20.8279
382.86
10.58
0.206
-37.79
-9.80
6
4.2
0.6680
24.2945
548.61
15.09
0.342
-41.68
-21.68
5
4.2
0.6680
24.2945
687.81
18.91
0.392
-48.29
-31.15
4
4.2
0.6680
24.2945
801.37
22.04
0.442
-51.63
-40.92
3
4.2
0.6680
24.2945
889.28
24.45
0.500
-51.35
-51.35
2
4.2
0.6680
24.2945
951.56
26.17
0.508
-54.08
-55.81
1
6.0
0.5851
18.0982
988.40
31.95
0.726
-52.62
-139.11

中柱（B、C轴）柱端弯矩 表9.14
层
H(m)

(kN/m)

(kN/m)

(kN)

(kN)

（）

()
7
4.5
0.9829
20.8279
382.86
18.07
0.350
-52.85
-28.46
6
4.2
1.1507
24.2945
548.61
25.98
0.400
-65.48
-43.65
5
4.2
1.1507
24.2945
687.81
32.58
0.450
-75.25
-61.57
4
4.2
1.1507
24.2945
801.37
37.96
0.450
-87.68
-71.74
3
4.2
1.1507
24.2945
889.28
42.12
0.500
-88.45
-88.45
2
4.2
1.1507
24.2945
951.56
45.07
0.450
-104.11
-85.18
1
6.0
0.7334
18.0982
988.40
40.05
0.645
-85.28
-155.03

3.框架梁端弯矩、剪力及框架柱轴力计算
根据节点平衡，由柱端弯矩求梁端弯矩。梁端按其线刚度分配。
=
=

横向框架梁端弯矩、剪力及框架柱轴力 表9.15
层

A轴柱
AB跨
A轴柱
B轴柱
BC跨
B轴柱

()

()

()

()

()

()

()

()

()

()

()

()
7
6.6
-9.80
-37.79
1.0
37.79
26.42
-9.73
9.73
-28.46
-52.85
0.5
26.42
26.42
-8.01
1.72
6
6.6
-21.68
-41.68
1.0
51.48
46.97
-14.92
24.65
-43.65
-65.48
0.5
46.97
46.97
-14.23
2.41
5
6.6
-31.15
-48.29
1.0
69.96
59.45
-19.61
44.25
-61.57
-75.25
0.5
59.45
59.45
-18.02
4.00
4
6.6
-40.92
-51.63
1.0
82.78
74.62
-23.85
68.10
-71.74
-87.68
0.5
74.62
74.62
-22.61
5.24
3
6.6
-51.35
-51.35
1.0
92.27
80.09
-26.12
94.22
-88.45
-88.45
0.5
80.09
80.09
-24.27
7.08
2
6.6
-55.81
-54.08
1.0
105.43
96.28
-30.56
124.78
-85.18
-104.11
0.5
96.28
96.28
-29.18
8.47
1
6.6
-139.11
-52.62
1.0
108.43
85.23
-29.34
154.12
-155.03
-85.28
0.5
85.23
85.23
-25.83
11.98
由于结构对称，故CD跨框架梁与AB跨相同；C、D轴框架柱内力分别与A、B轴框架柱内力相同。
由于本结构的自振周期=1.397s<1.5s，故柱轴力不予修正。
4. 地震作用下框架内力图

图9.7 地震作用下横向框架内力图
（Ⅱ）纵向框架地震作用分析
一、侧移刚度计算
1．支撑布置在A轴（或D轴）框架各两道，详见结构布置图9.8。每道支撑的竖向布置如下图所示。

图9.8 柱间竖向支撑布置图

2. 中心支撑杆件的选取
本设计中心支撑杆件杆件采用双角钢截面，按拉杆设计，7度设防，要求。中心支撑杆件的计算长度，按拉杆设计时：支撑平面内取节点中心到交叉点的距离，支撑平面外，支撑截面初估如下表所示。
中心支撑杆件截面参数 表9.16
层
规格
重量
()
面积()
回转半径(cm)
支撑杆件
长度(m)

7
2∟125×8节点板厚12
31.01
39.5
3.88
5.55
9.53
122.81
171.71
6
2∟125×8节点板厚12
31.01
39.5
3.88
5.55
9.39
121.01
169.19
5
2∟125×8节点板厚12
31.01
39.5
3.88
5.55
9.39
121.01
169.19
4
2∟125×8节点板厚12
31.01
39.5
3.88
5.55
9.39
121.01
169.19
3
2∟125×8节点板厚12
31.01
39.5
3.88
5.55
9.39
121.01
169.19
2
2∟125×8节点板厚12
31.01
39.5
3.88
5.55
9.39
121.01
169.19
1
2∟125×8节点板厚12
31.01
39.5
3.88
5.55
10.32
132.99
185.95

3. 中心支撑（X型）的等效侧移刚度：

、——支撑杆件的弹性模量和截面面积；
——支撑的水平倾角；
——框架柱轴线距离。

图9.9 支撑尺寸

具体计算见下表。
中心支撑（X型）的等效侧移刚度 表9.17
层
()
()
L(m)

()
()
7
39.5
2.06
8.4
0.8815
66347.17
265388.66
6
39.5
2.06
8.4
0.8944
69313.85
277255.39
5
39.5
2.06
8.4
0.8944
69313.85
277255.39
4
39.5
2.06
8.4
0.8944
69313.85
277255.39
3
39.5
2.06
8.4
0.8944
69313.85
277255.39
2
39.5
2.06
8.4
0.8944
69313.85
277255.39
1
39.5
2.06
8.4
0.8137
52195.32
208781.28
4.框架结构的纵向侧移刚度
计算方法同前。

框架结构的纵向侧移刚度 表9.18
层
柱子类别

(m)

(×104KN·m)

(×104KN·m)

(×104 kN/m)

(×104 kN/m)
7
中框架
中柱(10根)
4.5
7.36
1.53
2.4047
0.5459
0.4950
11.9348
边柱(4根)
4.5
3.68
1.53