钢结构高层写字楼结构设计计算书.doc

天宇高层写字楼设计1 绪论1.1钢结构的特点和应用钢结构是用钢板、热轧型钢或冷加工成型的薄壁型钢制造而成的，和其他材料的结构相比，钢结构有如下一些特点：材料的强度高，塑性和韧性好，材质均匀和力学计算的假定比较符合，钢结构制造简便，施工周期短、质量轻。但它存在一些不足：钢材的耐腐蚀性差，耐热但不耐火。钢结构的应用范围除须根据钢结构的特点作出合理选择外，还须结合我国国情针对具体情况进行综合考虑。目前我国在工业与民用建筑中钢结构的应用，大致有如下几个范围：大跨度结构、重型厂房结构、受动力荷载影响的结构、高耸结构和高层建筑、轻型钢结构等1。钢结构体系具有自重轻、安装容易、施工周期短、抗震性能好、投资回收快、环境污染少等综合优势，与其他结构相比具有“高、大、轻”三个方面发展的独特优势。我国钢结构工程市场前景非常广阔，它符合保护环境和土地资源的国策，我国二十几年来的改革开放和经济发展，已经为钢结构的应用创造了极为有利的发展环境。自1996年开始，我国钢产量就已超过1亿吨，雄居世界首位，为大力发展钢结构工程提供了物质基础。随着我国钢材产量的连年增长并且已经超过5亿吨，在建设行业和冶金行业的共同努力下，人们已经开始认识到钢结构住宅的优点，钢结构住宅大发展的春天很快就要到来。钢结构住宅具有刚度大，抗震性好，自重轻，基础造价低，大空间分隔灵活，施工污染少，钢材可回收利用，建造速度快等特点，正在开始受到广大开发商、用户和建筑师的青睐。1.2 高层钢结构的发展近年来，世界各国在城市建筑方面，有逐步向高层发展的趋势，最高的建筑物已达百层以上，而高度为五十层左右的高层建筑物，正在各国大规模的普遍的兴建，这些高层建筑物的承重骨架基本上是以采用钢结构为主。另外，在工来建筑方面，由于工艺流程的要求，多层和高层的工业建筑物也在不断的增加，在高层的工业建筑工地中，通常负荷很大，且要求较大柱距，为了加快建设速度，提前投产，也多以采用钢结构的承重骨架为主。随着我国钢产量的在大力增展，钢结构建筑也得到了大力的发展，80年代我国建造的11栋高层钢结构基本上都是国外设计、施工承建。目前我国已建和在建的高度超过100m的钢结构有48栋。可以预见高层钢结构以后是一个很好的发展方向。1.3 钢结构设计特点和要求 钢结构由于结构自重轻、构件体积小、装配化程度高，对高屋建筑特别有利。因些，在高层建筑，特别是超高层建筑中，采用钢结构或钢结构与钢筋混凝土筒体相结合的组合结构正成为一个建筑结构新的发展潮流。因些本设计中采用钢结构并在设计时采用一些新的技术和设计方法。通过毕业设计使我掌握高层钢结构建筑设计的特点及优点，熟悉高层钢结构中各构件的设计计算，掌握节点的设计与具体构造。同时熟悉并掌握工程的设计步骤、方法，学会运用国家规范、标准、图集和资料，达到较熟练地绘图和校准确的文字表达的程度，同时逐步提高计算机应用的综合能力水平钢结构设计除了要执行相关的技术规范确保质量以外，还要注意国家的技术经济政策，做到技术先进，经济合理、安全适用。在本设计中，按下列基本要求设计：（1）设计时，从工程实际出发，选用合理的结构体系，钢材品种、连接形式以及节点的构造措施。（2）除了满足结构在使用荷载状态下强度、稳定性及刚度条件以外，还要根据工程的具体条件，考虑结构在运输、安装过程中的强度、稳定性及刚度条件。（3）优先采用定型的和标准化的结构和构件减少制定、安装工程量。（4）特别注意符合钢结构的防火要求和抗腐蚀性能。（5）节约钢材、降低造价。1.4 设计过程 本毕业设计分成三个部分组成，即建筑设计、结构设计和施工组织设计。建筑设计是毕业设计的基础，结构设计是毕业设计的重点2。建筑设计部分拟根据现已完成的建筑初步设计，由学生加深至施工图的深度，要求完成高层综合楼设计的建筑方案设计、设计说明书、绘制施工图。结构设计的计算部分以手算为主，通过手算的各个步骤掌握结构选型、总体布局、截面估算、框架和剪力墙的刚度计算、协同分析、各种荷载作用下的内力分析、内力组合和截面设计。由于计算机在建筑结构设计中，发挥越来越重要的作用，因此，计算框架内力和变形时采用手算。利用工程界广泛采用PKPM的STS模块结构分析计算软件，对结构的内力组合及截面设计进行分析计算。依据本设计中采用的建筑设计方案，结构施工图和各项假定条件，完成施工组织设计。2 建筑设计本设计的建筑是天宇高层写字楼设计。一层为商服，2-11层为高级写字办公楼。本建筑采用钢框架结构，造型美观，设计合理，占地面积906.84m2。2.1 总 述设计方案包括休息、办公、娱乐、健身、餐饮，大、中、小会议室，管理、公用房间和设备房间。主体结构共11层，主体高度43.30m，建筑面积达9874.08m2。该建筑结构方案为钢框架结构。位于抗震设防烈度7度区，场地类别类，设计地震分组为第一组。基本雪压S。=0.45kN/m，该房屋为乙类建筑。建筑整体耐火等级二级，使用年限达50年，符合二级建筑耐火年限3。2.2 平面设计此建筑为钢框架结构，选用陶粒砼空心砌块作为外墙及内墙的材料，满足哈尔滨地区的冬季防寒的特性，外墙取400mm，隔墙200mm。中间定位轴线与柱中心线重合，边柱中心线与定位轴线有偏离，柱外皮与梁外皮一致。办公室按面积指标，家具与设备布置，确定适宜的开间与进深，柱网布置整齐 ，有利于构件统一化及立面造型处理。根据各功能区的使用性质确定房间之间的组合关系进行平面组合。高层建筑交通设计包括楼梯的位置、数量及宽度、走廊的宽度及长度、电梯的位置和数量、门厅及它们之间的相互关系。写字楼充分考虑办公的需要，布置合理，有大中小房间。按结构设计规范确定墙体的伸缩缝的设置。按建筑防火规范确定防火分区，及防火门的设置。2.3 剖面设计第一层层高为3.9m，第二层至第十一层层高3.6m。设两部楼梯，两部电梯，所有楼梯均采用双跑，这样即可以节省空间，又有利于消防疏散。楼梯设计采用踏步高为15cm，楼梯为26步、24步。楼梯间进深6.3m ，开间3.6m。为了满足防烟要求，在楼梯间设置前室。2.4 立面设计该建筑正立面设计线条明确，凹凸有致。根据该建筑的功能性质，将其外墙贴红色釉面砖，窗户采用塑钢窗，经济适用。2.5 经济技术指标及建筑设计总说明建筑面积：9874.08m2占地面积：906.84m2耐火等级：二级层 数：11层结构方案：钢框架结构基 础：采用桩基3 结构设计3.1工程概况本工程为天宇高层写字楼设计，总层高为11层，1层为商服，2-11层为商务写字楼，一层层高为3.9米，其余各层层高3.6米。拟建房屋的所在地的设计资料如下：抗震烈度为7度，设计分组第一组，类场地，基本雪压So=0.45kN/m2。3.2 结构布置及计算简图 根据房屋使用功能及建筑设计的要求，结构体系为钢框架支撑体系，框架梁柱均采用焊接H型钢截面，采用Q235-BF钢，框架梁与框架柱连接均为刚接，纵向梁柱连接为铰接。框架梁与框架柱的拼接均采用栓焊混接：翼缘为完全焊透的坡口对接焊缝连接，腹板采用10.9级的摩擦型高强螺栓连接，接触面为喷砂处理。柱运输单元为1层为一个单元，2-11层为一个单元，楼板为压型钢板现浇混凝土组合楼板，选用Q235钢，压型钢板型号为YX70-200-600，其上浇80厚C20砼4。柱脚采用整体式柱脚，柱下为钢筋混凝土桩基础。 3.3梁柱布置图3-1 梁柱布置采用7.86.3，7.82.4，96.3，92.4，96.3，的柱网。柱梁、次梁布置位置及尺寸如上图（图3-1）所示：底层计算高度为3.9+1.60=5.50 (1.60位预估室内地坪至柱脚地板底面的高度)211层为3.6米，如图3-2所示图。图3-2 计算简图3.4 荷载计算3.4.1 恒载标准值（1）楼面0.8厚压型钢板： 0.12 80 厚C20钢筋混凝土板： 0.0825=2.0020 厚1：2水泥砂浆找平层： 0.02 20=0.40瓷砖地面（包括水泥、水泥粗砂打底）： 0.55 吊顶及吊挂荷载： 0.30 合计： 3.37 （2） 屋面 0.8厚压型钢板： 0.1280厚C20钢筋混凝土板： 0.0825=2.0020 厚1：2水泥砂浆找平层： 0.0220=0.40100聚温苯板保温层： 0.100.5=0.05 4 后改性沥青防水 0.05吊顶及吊挂荷 0.30 合计： 2.92 （3）内墙200厚陶粒混凝土砌块： 0.26.0=1.20 8 厚水泥砂浆找平层： 0.08202=0.32 25瓷砖墙面 0.5 8厚1：1：6水泥石膏砂浆： 0.08142=0.22 合计： 2.24 （4）外墙400厚陶粒混凝土砌块（砌块中加泡沫）： 0.40(6.0+0.5)=2.6010 厚1：3水泥砂浆找平层： 0.10202=0.4010 厚1：1：6水泥石膏砂浆： 0.10142=0.28 10 厚水泥砂浆找平： 0.10202=0.40贴瓷砖外墙面： 0.5 合计： 4.18（5）女儿墙 按外墙做法，高度900，自重为： 4.180.9=3.763.4.2 活载标准值（1） 写字楼楼面 2.0 （2） 上人屋面 2.0 3.4.3雪荷载标准值 0.45 准永久分区：类 雪荷载不与活荷载同时组合，取其中的最不利组合3.4.4 构件截面尺寸 初估截面尺寸： 钢梁的截面可根据跨度和荷载条件决定，同时受到建筑设计和使用要求的限制，本设计中采用H型钢，初始梁高可以根据荷载条件取跨度的1/201/12，本设计中取跨度的1/15。而梁的翼缘宽度可以取梁高的1/61/2，本设计中取梁高的1/2。柱截面一般凭经验来确定，也可以通过预先假定柱子长细比的方法来实现，设计时先估算柱在竖向荷载作用下的轴力N，以1.2N作为设计轴力按轴心受压构件来确定框架柱的初始截面，即如果1.2N1500kN，取 =80100；如果1.2N的值在30003500kN之间，可假定=6070，同时还应满足相应抗震设防烈度下的长细比限制的要求。经过估算本设计的轴力在30003500kN之间，所以取=60。假定柱子的长细比后，可以根据附录45各种截面回转半径的近似值，确定截面的轮廓尺寸和截面面积。经过按上步初估截面后，选定的梁截面尺寸及其截面几何特性如下表3-1所示：构件如图3-3所示：图33 构件ht1t2b表3-1 截面特性表项目截面尺寸（mm）截面面积/2/4柱横梁横次梁纵梁HW 4883001118HN6002001117HN450200914HN 5002001016164.4135.297.41114.2608007820033700478003.4.5 梁、柱、墙、窗、门荷载计算表3-2 梁、柱、墙、窗、门荷载层次构件截面尺寸/()()1层柱横梁横次梁纵梁楼梯间过梁HW4883001118HN 6002001117HN 450200914HN 5002001016HN 3961967111.291.060.7650.8960.5675.56.32.46.37.893.638198132442269.61126.8820.3562.65167.7332.264.08683.56683.56211层柱横梁横次梁纵梁楼梯间过梁HW4883001118HN 6002001117HN 450200914HN 5002001016HN 3961967111.291.060.7650.8960.5673.66.32.46.37.893.638198132442176.47126.8820.3562.65167.7332.264.08590.42电梯楼梯房柱横梁横次梁纵梁HW4883001118HN 6002001117HN 450200914HN 50020010161.291.060.7650.8962.86.36.37.8914714250.5746.754.8227.9616.13146.231层 ： 外墙净面积：366.11 内墙净面积：595.16211层： 外墙净面积：333.92 内墙净面积：623.97楼、电梯房： 外墙净面积：110.24内墙净面积：90.24窗采用铝合金窗，单位面积重力荷载：0.4kN/m2，木门单位面积重力荷载为0.2kN/m2，塑钢窗0.45kN/m2，防火门单位面积重力荷载：0.45kN/m2 。3.5 重力荷载计算 3.5.1 楼盖重力荷载代表值Gn计算9(1)女儿墙及挑檐恒载： =单位长度重总长度=2.83293.4=830.32(2)梁恒载： =509.61 （表3-2）(3)半层柱恒载： =138.81(4)屋面荷载： =（屋面荷载+屋面雪荷载50）总轴线面积=（2.92+0.4550）837=2632.37(5)半层高外墙恒荷载： =单位面积重总净面积 =4.18（110.24+333.92/2）=870.41(6)半层高内墙恒荷载： =单位面积重总净面积 =2.24(90.24+623.97/2)=900.98(7)门窗自重： =180.4+6.60.45+11.440.2=12.46合计：=+=830.32+509.61+138.81+2632.37+870.41+900.98+12.46=5894.963.5.2 311层楼层重力计算(1)梁、柱重力荷载： =590.42 （表3-2）(2)楼面重力荷载： =(楼面恒荷+楼面活荷50%)总轴线面积 =（3.37+2.050%）837m2=3657.69(3)上下层总高1/2外墙荷载： =单位面积重总净面积 =4.18333.92=1048.51(4) 上下层总高1/2内墙荷载： =单位面积重总净面积 =2.24623.97=1397.69(5) 门窗自重： =14.520.45+42.240.2+104.40.4=56.74 合计： =590.42+3657.69+1048.51+1397.69+56.74=6751.053.5.3 2层楼层重力荷载(1)梁、柱重力荷载： =771.79(2)楼面重力荷载： =(楼面恒载+楼面活载50%)总轴线面积 =（3.37+2.050%）837=3657.69(3)上下层总高1/2外墙荷载： =单位面积重总净面积 =4.18（366.11+333.92/2）=1673.84(4) 上下层总高1/2内墙荷载： =单位面积重总净面积 =2.24(595.16+623.97/2)=2032(5) 门窗自重： =22.440.45+41.80.2+106.410.4+56.74=117.76 合计： =771.791+3657.69+1673.84+2032+117.76=8253.08图3-4 各质点的重力用荷载代表值 (kN) 3.6 水平地震作用下框架的侧移计算3.6.1 梁线刚度 刚框架结构中，考虑现浇钢筋混凝土楼板与钢梁的共同作用，在计算梁线刚度时，对中框架梁取=，对边框架取=10以底层横梁为例，梁惯性矩为：=+2（）=11(600-172)+220017()=7.441084 =2.06 1057.44 108/2.4103=63860梁线刚度见表3-3。表3-3 梁线刚度表类别/4/（）中框边框1.5(104) 1.2(104) 边横梁中横梁2.061052.061057.441087.441086300240024328638603.659.582.927.663.6.2 柱线刚度（1）柱惯性矩=11(488-182)+230018()=6.811084（2）1层柱线刚度=2.06 1056.81 108/(5.5103) =2.55104（3）211层柱线刚度=2.06 1056.81 108/（3.6103）=3.91043.6.3 横向框架柱抗侧刚度D值D值即两端固定的柱上下端产生相对水平位移时需要在柱顶施加的水平力。以底层边框中柱为例：=(2.92+7.66)/2.55=4.15=0.765=120.7652.55104/5.52=0.765104底层有4根边框中柱=40.765104=3.06104底层中框中柱：=5.188=0.791=120.7912.55104/5.52=0.8104=150.8104=1.2105则底层所有中柱：=（3.06+12）104=1.506105框架抗侧刚单计算见表3-4。表3-4 横向框架柱抗侧刚度D值计算楼层柱位或（底层）或（底层）层高（104）()柱根数小计每层总计211层边框边柱3.95.840.7490.27236.0.98243.9363.59中柱21.162.7130.5762.0848.32中框边柱7.30.9360.3191.1521517.28中柱26.463.3920.6292.2711534.061层边框边柱2.552.921.1450.5235.50.52942.1225.73中柱10.584.150.7560.76543.06中框边柱3.651.4310.5630.57158.55中柱13.235.1880.7910.81512由此可知一层侧向刚度较小，所以加设十字交叉支撑。支撑选用HW150150710，A=40.55。一层支撑计算：63005500图35 一层支撑图 加支撑后的横向框架柱抗侧刚度为：一层： =25.73+41.41=67.13 211层：=63.59 3.6.4 横向框架结构自振周期按顶点位移法计算框架基本自振周期T1=1.7T 按弹性静力方法计算所得到的顶层侧移见表3-5。表3-5 横向框架顶点位移计算层数Gi/kNGi/kNDi/(104 )层间相对位移Si=Gi/ Di /mi/m115894.965894.96 63.5930.00930.4653106751.05 12646.01 63.5930.01990.456096751.05 19397.06 63.5930.03050.436186751.05 26148.11 63.5930.04110.405676751.05 32899.16 63.5930.05170.364566751.05 39650.21 63.5930.06230.312856751.05 46401.26 63.5930.07300.250546751.05 53152.31 63.5930.08360.177636751.05 59903.36 63.5930.09420.310426751.05 66654.41 63.5930.10480.216318253.0874907.49 67.1360.11160.1116T1=1.7T=1.70.9=1.043.6.5 横向框架水平地震作用计算此建筑是高度不超过60且平面和竖向较规则的以剪切变形为主的建筑，故地震作用计算采用底部剪力法，阻尼比为0.03513。Geq=0.85Gi=0.8574907.49=63671.37Tg=0.35s T1=1.04s1.4Tg=0.49s n=0.08 T1+0.07=0.081.04+0.07=0.15顶点附加水平地震作用：Fn=n FEK=0.152101.15=315.17kN各层水平地震作用标准计算：以第11层为例： Fi= FEK(1-) GiHi/GjHj =0.1422101.15(1-0.15) =254.34加Fn后，F11=254.34+315.17=569.51（1）各层地震作用及楼层剪力各层地震作用及剪力见表3-6，楼层地震作用见图3-6，地震作用楼层剪力见图3-7。表3-6 横向框架各层地震作用及楼层地震剪力楼层hi/mHi/mGi/kNGiHi(kN.m)GiHi/GjHFi/kNVi/kN113.641.55894.96244640.840.142569.51569.51103.637.96751.05255864.800.149266.01835.5293.634.36751.05231561.020.135240.741076.2683.630.76751.05207257.240.121215.471291.7373.627.16751.05182953.460.106190.211481.9463.623.56751.05158649.680.092164.941646.8853.619.96751.05134345.900.078139.671786.5543.616.36751.05110042.120.064114.401900.9533.612.76751.0585738.340.05089.141990.0923.69.16751.0561434.560.03663.872053.9615.55.58253.0845391.940.02647.192101.15注：表中第十一层Fi加入了Fn。(2)各楼层地震剪力最小值取值验算各梯层地震剪力最小值验算见表3-7，满足Vi图3-6 楼层地震作用（kN） 图3-7 地震作用下楼层剪力图（kN）表3-7 楼层地震剪力最小值验算（=0.016）层数V i/G i/11569.515894.96 94.3210835.526751.05 202.3491076.266751.05 310.3581291.736751.05 418.3771481.946751.05 526.3961646.886751.05 634.4051786.556751.05 742.4241900.956751.05 850.4431990.096751.05 958.4522053.966751.05 1066.4712101.158253.08 1198.523.6.6 横向框架侧移计算框架的水平位移分为两部分：由框架梁弯曲变形产生的位移Um和由柱子轴向变形产生的位移Un，框架顶端位移为U=Um+Un，式中Um可由D值法求得，见表3-8。由表3-8可知，最大弹性位移角发生在第二层，其值为1/11151/300，所以满足要求。以第十一层为例： =0.0009 mUm=高层钢框架轴力较大，由柱子的轴向变形产生的框架顶点水平位移也较大，不能忽略。框架受倒三角分布水平荷载（将集中水平地震作用折算成倒三角形分布的水平荷载，顶部荷载强度为q时14因为 ： n= =1 （柱截面沿高度不变） 所以 ： Fn= qHH=FiHiq=3(569.5141.5+266.0137.9+240.7434.3+215.4730.7+190.2127.1+164. 9423.5+139.6719.9+114.4016.3+89.1412.7+63.879.1+47.195.5)/41.52=111.89 =0.07985mU=Um+Un=0.02614+0.07985=0.10599式中：A1、Am底层、顶层边柱横截面面积； H 框架总高度 B 平行与水平荷载作用方向的框架总宽度。框架的层间相对位移见图3-8。表3-8 横向框架侧移层数层间剪力V i/层间刚度Di()层间位移Vi/Di ()层高hi /Um11569.516359300.00090 3.60.02614 1/402010835.526359300.00132 3.60.02301 1/274091076.266359300.00169 3.60.01978 1/212781291.736359300.00203 3.60.01665 1/177271481.946359300.00233 3.60.01366 1/154461646.886359300.00259 3.60.01085 1/139051786.556359300.00281 3.60.00826 1/128141900.956359300.00299 3.60.00593 1/120431990.096359300.00313 3.60.00390 1/115022053.966359300.00323 3.60.00221 1/111512101.156713600.00313 5.50.00090 1/1757图3-8 层间位移（m）3.7 框架在水平地震作用下的内力计算3.7.1反弯点高度比根据框架总层数及该层所在的层数，梁柱线刚度比K值且荷载近似倒三角形，查得反弯点高度比yn，见表3-9，取轴线横向框架。表3-9 横向框架柱弯矩计算楼层柱位层间剪力/Di()D()每柱剪力/yyh /柱弯矩/柱顶柱底11层边柱中柱569.511.1522.27163.5910.3220.340.300.451.261.6224.1440.2713.0032.9510层边柱中柱835.521.1522.27163.5915.1429.840.4180.51.501.8031.7853.7122.7053.719层边柱中柱1076.261.1522.27163.5919.5038.430.450.51.621.8038.669.1831.5869.188层边柱中柱1291.731.1522.27163.5923.4046.130.450.51.621.8046.3383.0337.9183.037层边柱中柱1481.941.1522.27163.5926.8552.920.4680.51.681.8051.5495.2645.1095.266层边柱中柱1646.881.1522.27163.5929.8358.810.50.51.801.805.7105.865.70105.865层边柱中柱1786.551.1522.27163.5932.3663.800.50.51.801.8058.25114.8458.25114.844层边柱中柱1900.951.1522.27163.5934.4467.880.50.51.801.8061.98122.1961.98122.193层边柱中柱1990.091.1522.27163.5936.0571.070.50.51.801.8064.89127.9264.89127.922层边柱中柱2053.961.1522.27163.5937.2173.350.50.51.801.8066.971