钢框架结构计算书-毕业设计.doc

摘要摘要该计算书为滨岛医疗中心门诊楼建筑方案及钢框架结构设计计算书，本设计依据建筑方案及给出的结构类型。参照规范有建筑结构荷载规范（GB 50009-2012）、建筑抗震规范（GB 50011-2010）、混凝土结构规范（GB 50010-2010）、钢结构设计规范（GB 50017-2003）等。完成设计内容有：建筑方案、结构平面布置、结构计算简图确定、荷载统计、内力计算、内力组合、主、次梁、柱选取及布置连接截面验算以及节点设计、楼梯设计、基础设计、工程概预算。结构类型为钢框架结构，梁、柱为钢梁、钢柱，板为组合楼板，柱脚采用埋入式，楼梯为板式钢筋混凝土楼梯、基础采用锥形独立基础。本计算书中列出了框架在恒荷载、活荷载、地震荷载、风荷载作用下的弯矩、剪力、轴力图以及内力组合表。关键词结构设计；钢框架；独立基础；医用建筑I 燕山大学本科生毕业设计（论文）AbstractThe calculations for the BinDao medical center clinic building steel frame building solutions and design calculations, based on the design and construction program structure given type. Design process based on structural loads standard (GB50009-2012) determine the structure of the load, in accordance with the Seismic Design of Buildings (GB50011-2010), design of steel structures (GB50017-2003) and the relevant requirements for structural design and calculation. The main work to complete the structure diagram layout and calculation of the identification, load statistics, internal force calculation and combination of primary and secondary beams and floor cross-section design and checking, node connection design, staircase design, basic design as well as project budget.Type of structure is steel frame structure, beams, columns of steel beams, steel columns, plates of composite slabs, column foot buried, reinforced concrete slab staircase stairs, independent foundation with a tapered base. Meanwhile, The calculations in the framework of the book lists the dead load, live load, seismic loads, wind loads bending moment, shear, axial force, and force combination table.Keywords Structural Design; Steel Frame; single footing medical building; I 目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 内容提要1第2章 工程概况及结构布置22.1 工程概况22.1.1 设计资料22.1.2 结构选型22.2 结构布置22.2.1 框架计算简图22.2.2 截面初选22.2.3 材料初选3第3章 荷载统计63.1 屋面及楼面永久荷载标准值63.2 楼面积屋面可变荷载标准值6第4章 截面设计74.1 组合楼板设计74.1.1 施工阶段验算94.1.2 使用阶段验算104.2 次梁设计114.2.1 次梁1设计采用塑性理论计算114.3 截面初选及线刚度计算204.3.1 截面初选204.3.2 框架梁柱的线刚度计算20第5章 楼梯设计215.1 楼梯示意图215.2 基本资料215.3 计算过程225.3.1 楼梯设计225.3.2 平台板设计235.4 计算结果235.4.1 梯板235.4.2 平台板235.4.3平台梁24第6章 一品框架的受荷计算266.1 重力荷载代表值266.2 横向框架侧移刚度计算286.3横向水平地震作用下框架内里和侧移计算296.3.1 水平地震作用及地震剪力计算306.3.2 水平地震作用下位移验算326.3.3 水平地震作用下横向框架内力计算336.4 横向风荷载作用下框架结构的内力计算386.4.1 风荷载标准值计算386.4.2 风荷载作用下框架的内力计算396.4.3 竖向荷载作用下框架结构的内力计算44第7章 内力组合51第8章 构件截面验算588.1 框架柱588.2 框架梁608.3 节点抗震验算61第9章 节点设计639.1 梁柱连接计算639.2 次梁与主梁的铰接连接设计659.2.1 底层B轴处梁梁节点659.3 柱柱连接节点设计669.3.1 拼接连接计算679.4 柱脚节点设计709.4.1 第一组内力709.4.2 第二组内力计算74第10章 基础设计7510.1 基础示意图7510.2 基本参数7510.2.1 依据资料7510.2.2 材料信息7510.2.3 基础冻深及埋深7610.2.4 荷载计算7610.3 基础尺寸的确定7610.3.1 持力层地基承载力确定7610.3.2 基底尺寸7710.3.3 验算持力层地基承载力7710.4 抗冲切验算7710.5 底板配筋验算78第11章 工程概预算7911.1 编制说明7911.2 工程造价79结论81参考文献82致谢83V第1章 绪论第1章 绪论1.1 课题背景大学四年的生活即将伴随着毕业设计结束，而它也是我们四年学习成果的检验，是一次归纳总结，融会贯通我们四年所学知识的一次检验，通过这次毕业设计，使得我们更好的理论联系实际，提高我们运用理论知识的能力。同时编写毕业设计计算书又提高了我们个人的耐性与修养，同时又让我们练就了严谨的治学态度，为我们今后工作打下了坚实基础。我的毕业设计的题目是滨岛医疗中心门诊楼建筑方案及钢框架结构设计。钢结构具有高强、轻质、韧性好、抗震性能好的特点。近年来在国内外得到了广泛认可与应用，为此我们选取钢结构设计为题，锻炼大家的实际设计能力，提高专业素养。1.2 内容提要本设计题目为滨岛医疗中心门诊楼建筑方案及钢框架结构设计，主要包括以下内容：一、资料收集主要确定建筑功能、场地条件、地理位置、周边环境及相关资料的收集。二、建筑设计建筑方案确定，包括：建筑体型确定、建筑平面设计、建筑立面设计、建筑剖面设计。三、结构设计结构设计主要包括：结构布置、荷载统计、横向框架计算、组合楼板、次梁截面设计、竖向荷载作用下内力计算、水平荷载作用下内力计算、内力组合、截面验算、节点设计、楼梯设计、基础设计。57第2章 荷载统计工程概况及结构布置 第2章 工程概况及结构布置2.1 工程概况2.1.1 设计资料工程名称：滨岛医疗中心门诊楼建筑方案及钢框架结构布置；建设地点：北戴河海滨联丰北路；建筑面积：50005500m2,6层；建筑等级二级；耐火等级二级，采光等级依建筑功能而定；结构体系：钢框架结构，柱采用热轧H型钢，梁为钢-混凝土组合梁，楼板为钢-混凝土组合楼板。气象条件：基本风压0.35KN/m,基本雪压0.25KN/m地震条件：工程所处地区抗震等级二级，烈度7度，设计基本加速度0.1g，场地类别B类。2.1.2 结构选型1.结构体系选型：钢框架结构2.屋面和楼面结构：压型钢板组合楼板3.楼梯结构：钢筋混凝土楼梯2.2 结构布置本工程结构呈将矩形，且平面为对称多层钢结构建筑，可采用纯钢框架结构，结构布置图如图2.1.楼板采用压型钢板组合楼板，该结构具有结构性能好、便于施工等优点。2.2.1 框架计算简图 取具有代表性的14轴框架进行计算,假定框架柱嵌于基础顶面,框架梁与柱刚接,主梁与次梁铰接.框架计算简图如图2.2所示.2.2.2 截面初选 1.框架梁和次梁本工程采用压型钢板-混凝土组合楼板,可视为刚性铺板,能阻止梁上翼缘的侧向失稳因此不用考虑梁的整体稳定只需满足梁的强度、刚度以及局部稳定要求，故本工程采用热轧H型钢梁，计算框架梁时，往往偏于安全的不考虑梁的组合效应，按钢梁计算，初估截面尺寸可按荷载条件取跨度的1/201/12，梁翼缘宽度取梁高的1/61/2，本工程中纵横向框架梁均取HN400*200*8*13,次梁取HN300*150*6.5*9。2.框架柱 多层钢框架柱常采用宽翼缘H型钢，可保证弱轴方向的抗弯能力，框架柱的截面一般按照工程经验确定，本工程均采用热轧H型钢，框架柱截面初选HW400*400*13*21。3.楼板 本工程楼面、屋面均采用钢-混凝土组合楼板，考虑组合效用，选取YXB 75-200-600型钢板肋沿横向布置。2.2.3 材料初选 钢材：Q345；墙体：1.外墙采用加气混凝土砌块，300mm厚，内墙采用加气混凝土砌块 200mm厚；拍片室地面和墙面刷含硫酸3%的1:2.5水泥砂浆，其中地面厚20，楼面厚10；楼板：采用C30混凝土，fc=14.3 KN/m2；铝合金门窗：=0.45 KN/m2；砂浆：1.水刷石=0.5 KN/m2 ，2.水泥粉刷=0.36KN/m2图2.1 结构布置简图图2.2 框架计算简图第3章 荷载统计 第3章 荷载统计3.1 屋面及楼面永久荷载标准值1.屋面（不上人屋面）防水层：10厚细石混凝土保护层 三毡四油铺小石子 找平层：20厚1:2水泥砂浆 找坡层：40厚水泥砂浆找平 保温层：80厚矿渣水泥 结构层：100厚C25钢-混凝土楼板 装饰层： 压型钢板： 合计 2.楼面瓷砖地面（包括粗水泥砂浆打底） 平均厚度100钢筋混泥土板 压型钢板 合计 3.2 楼面积屋面可变荷载标准值1.不上人屋面均布活荷载标准值 2.楼面活荷载标准值医院门诊室 走廊 3.雪荷载标准值 第4章 截面设计第4章 截面设计4.1 组合楼板设计钢材选用Q345，混凝土等级选用C30， ，压型钢板上覆混凝土厚度80mm，楼板总厚度150mm，gk=4.10kN/m2,qk=2.0kN/m2,跨度l=3.3m，采用YXB75-200-600型压型板壁厚1.0mm，波高75mm播剧200mm，如图4.1所示。计算时取单元宽度200mm为对象进行计算，故首先需计算出单位宽度的压型板，带肋混泥土板和压型钢板混凝土组合板截面特性如图4.2，图4.3，图4.4，计算结果见表4-1和表4-2，4-3。图4.1 YXB75-200-600压型钢板图4.2 混凝土板截面特性图4.3 压型钢板截面特性图4.4 组合楼板截面特性表4-1 压型钢板截面特性列表名称 /mmB /mm /mm / mm2 /mm4数值7520030.73232.38105表4-2 混凝土板截面特性列表名称 /mm /mmh /mmB /mm /mm/mm2 / mm4数值807515520059.8224753.303107表4-3 组合楼板截面特性列表（单位:mm）名称B数值110.720064.4其中由钢与混凝土组合结构表4-2查得每米宽板的惯性矩为119.3104 mm4 ，可得单位宽度(200 mm)的板单元的惯性矩为：=119.3104 /5=2.386105 mm4由公式 （4-1）其中=6.87代入数值得：=64.4mm4.1.1 施工阶段验算按单向板计算，且仅验算强边方向的强度和挠度。4.1.1.1 荷载计算(1) 恒荷载 3.44 kN/m2(2) 施工阶段的活荷载 1.5 kN/m2(3) 组合楼板上作用的永久荷载标准值和设计值=3.440.2=0.688 kN/m，=1.20.688=0.826 kN/m(4) 组合楼板上作用的活荷载标准值和设计值=1.50.2=0.3 kN/m，=1.40.3=0.42 kN/m4.1.1.2 内力计算施工阶段压型钢板所受到的最大弯矩为：4.1.1.3 施工阶段强度验算1.696 kN/m3102.386105/(80-30.7)=1.500kN/m1.696 kN/m故组合楼板不满足承载力的要求。4.1.1.4 施工阶段挠度验算即挠度不满足允许挠度要求，并且挠曲效应不可忽略。综上可知，施工阶段应增设支撑以满足强度、刚度要求。在跨中设置支撑，则跨度，有：即抗弯强度与挠度都满足要求。4.1.2 使用阶段验算=50100时，正弯矩和挠度按单向板计算，且都按简支板计算，负弯矩按固端板计算。4.1.2.1 荷载计算1 恒荷载 3.44 kN/m22 使用阶段的活荷载 2.5kN/m23 组合楼板上作用的永久荷载标准值和设计值=3.440.2=0.688 kN/m，=1.20.688=0.826 kN/m4 组合楼板上作用的活荷载标准值和设计值=2.50.2=0.50 kN/m，=1.40.5=0.70 kN/m4.1.2.2 内力计算使用阶段压型钢板所受到的最大弯矩为：kN.m4.1.2.3 采用塑性计算方法验算=323310=100130 N=1.014.320080=228800 kN故组合楼板满足承载力的要求。4.1.2.4 其他验算1.斜截面抗剪承载力由于组合板沿竖向较柔，在截面竖向剪力作用下，截面不易发生斜截面剪切破坏，因此组合板的斜截面抗剪承载力不成为楼板破坏的控制条件，一般无需验算。2.组合板混凝土与压型钢板界面的纵向抗剪承载力为防止压型钢板与混凝土之间产生相对滑移，通常设置栓钉，故无需验算。3.组合板的冲切承载力验算该工程楼板受均布荷载作用，无较大集中荷载，故无需验算。4.组合板的裂缝验算计算区域无负弯矩，无需验算。4.2 次梁设计钢梁的截面可根据跨度和荷载条件来决定，同时受到建筑设计和使用要求的限制。对于一般的民用建筑，如果采用热轧或者焊接的H型钢，初始梁高可以根据荷载条件取跨度的1/201/12，而梁的翼缘宽度可以根据荷载条件取梁高的1/61/2。4.2.1 次梁1设计采用塑性理论计算4.2.1.1 截面尺寸确定1.组合次梁的截面尺寸组合次梁1的跨度：=5800mm，间距：=3300mm组合次梁截面高度：l/15=5800/15=386.67 mm，取=450 mm压型钢板肋高： =75 mm混凝土翼板的厚度：=80 mm2.钢梁的截面尺寸钢梁截面高度：450-80-75=295=300 mm/2.5=180 mm钢梁截面尺寸试选HN3001506.59由于压型钢板的板肋方向与次梁的轴线方向相互垂直，故可不考虑压型钢板顶面以下混凝土的作用，混凝土楼板按无托板考虑。如图4.5所示。图4.5 无托板组合梁 (4-2)取钢梁的上翼缘宽度，即=150mm和的值取决于，和的值，其中：=5800/6=966.67mm680=480mm（偏于安全，未考虑压型钢板板肋中混凝土）=1575 mm图4.6 组合截面次梁的计算简图由于次梁为中间梁，且上部混凝土翼板为连续板，故：=480mm根据式(4-1)得：=150+480+480=1110mm组合截面次梁截面计算简图见图4.64.2.1.2 截面特性计算1.钢梁截面特性钢梁截面面积： =4678 mm2 钢梁截面惯性矩： =6.829107 mm4 钢梁截面抵抗矩： =4.553105 mm3半截面面积矩： =2.61105 mm3钢梁截面y方向回转半径：=32.9 mm弹性模量： =2.06105 N/mm2 2.考虑荷载短期效应影响时换算截面的截面特性钢材弹性模量与混凝土的弹性模量比值：=6.87，又混凝土板换算宽度： (4-2)根据式(4-2)得混凝土板换算宽度为1110/6.87=161.6 mm组合梁换算截面面积：=161.680+4678=17606 mm2换算截面的中和轴距离：=3.164108 mm4 3.考虑荷载长期效应影响（混凝土徐变）时换算截面截面特性=6.87，=1110/（26.87）=80.8 mm组合梁换算截面的面积：=80.880+4678=11142 mm2换算截面中和轴距离：=换算截面惯性矩：=2.60108 mm4 4.2.1.3 施工阶段验算 1.荷载计算钢梁自重： 0.37 kN/m现浇混凝土板自重： 2.5 kN/m2 施工活荷载： 1.5 kN/m2 钢梁上作用的恒荷载标准值和设计值分别为：=0.37+2.53.3=8.62 kN/m，=1.28.62=10.344 kN/m钢梁上作用的施工活荷载标准值和设计值分别为：=1.53.3=4.95kN/m，=1.44.95=6.93kN/m2.内力计算（按简支梁计算）恒荷载产生的弯矩设计值和剪力设计值分别为：=1/810.3445.82=43.497 kNm=1/210.3445.8=29.998kN活荷载产生的弯矩设计值和剪力设计值分别为：=1/86.935.82 =29.141 kNm=1/26.935.8=20.097 kN钢梁上作用的弯矩设计值和剪力设计值分别为：=43.497+29.141=72.638 kNm=29.998+20.097=50.095 kN3 钢梁上应力计算钢梁翼缘弯曲应力：=156.6 N/mm2 =310 N/mm2钢梁腹板剪应力：=29.455 N/mm2 10.5（Q345钢，见钢与混凝土组合梁表5-6），根据钢结构设计规范附录B，可得：=，=0，=由于=0.69+0.131.16=0.84可得钢梁整体稳定系数为：无需对稳定系数进行修正。中和轴位于上翼缘内即：hnx 故承载力满足要求。5 抗剪承载力使用阶段次梁按塑形理论计算时，剪力均由钢梁开承担满足要求6 使用阶段挠度验算组和次梁为简支梁，施工时钢梁下不设临时支撑，且不考虑组合梁滑移交叉点对挠度影响，即荷载计算施工阶段作用于钢梁的恒荷载标准值： 使用阶段作用于钢梁上后增加的荷载标准值：使用阶段作组合梁中钢梁由材料自重值所产生的挠度：组合梁在使用阶段后增加荷载产生的挠度：使用阶段作用于钢梁上后增加的荷载准永久组合值：组合梁挠度： 挠度验算满足要求。4.2.1.5 抗剪连接件计算1 类型采用M16圆柱头焊钉，栓钉高度=110 mm，截面面积=201.1 mm2 ,压型钢板YXB75-200-600，平均宽=130 mm，波高=75 mm，混凝土C30，=3.0104 N/mm2 ，=14.3 N/mm2 。2 梁上最大弯矩点和邻近零弯矩点之间混凝土板与钢梁间纵向剪力=1219.840kN=1450.180 kN=1219.84kN3 单个圆柱头栓钉抗剪连接件的抗弯承载力由于组合次梁为简支梁，梁上无负弯矩区段，故单个圆柱头栓钉连接件抗剪承载力的折减系数，压型钢板的板肋与组合次梁轴线方向垂直，取，可求出单个圆柱头栓钉连接件的抗剪承载力折减系数：=56.6 kN=72.8 kN=56.6 kN=27.50 kN4.组合截面次梁半跨上所需栓钉抗剪件的总数，取46个。5.栓钉的纵向间距沿梁半跨在宽度方向设置双排栓钉，则其纵向间距为：需满足=126.09 mm=64 mm且故取=150 mm最终组合截面次梁上的抗剪连接件为A16圆柱头焊钉，间距为150 mm，高度为110 mm。4.3 截面初选及线刚度计算4.3.1 截面初选主要截面特征见表4-1表4-1 主要构件特征表构件尺寸 /mm截面面积/cm2单位重量/kgm-1截面特性 /cm4/cm3 /cm/cm4/cm3/cm次梁3001506.5946.7836.76829455.312.08507.267.63.29主梁40020081388.3765.422775113916.531735173.54.56柱子4004001321218.7171.766455332317.4322410112010.124.3.2 框架梁柱的线刚度计算中间梁： 左边跨梁： 右边跨梁： 底层柱： 二至六层柱： 第5章 楼梯设计第5章 楼梯设计5.1 楼梯示意图图5.1 楼梯示意图5.2 基本资料1 依据规范：建筑结构荷载规范(GB50009-2012)混凝土结构设计规范(GB50010-2010)2 几何参数：（二六层）楼梯净跨：=3300mm 楼梯高度：=1800mm楼板厚：=100mm 踏步数：=12（阶）上平台楼梯梁宽度：=250mm 下平台楼梯梁宽度：=250mm上平台楼梯梁高度： 下平台楼梯梁高度： 3 荷载标准值：可变荷载：=2.50kN/m2 面层荷载：=0.65kN/m2栏杆荷载：=0.2kN/m24 材料信息：混凝土强度：C30，=14.3N/mm2，=1.43N/mm2，=25.0kN/m3钢筋强度等级：HRB335，=300N/mm2抹灰厚度：=20.0 mm，=20.0 kN/m35.3 计算过程5.3.1 楼梯设计5.3.1.1 楼梯几何参数踏步高度：=150 mm，踏步宽度：=300 mm计算跨度：m 梯段板与水平方向夹角余弦值：5.3.1.2 荷载计算（取B=1 m宽板带）恒荷载：踏步重：斜板重：瓷砖面层：kN/m板底抹灰重：恒荷载标准值：活荷载标准值：荷载设计值：5.3.1.3 内力计算计算跨度：l0=3.5m跨中弯矩：计算系数：得：纵筋（1号）计算面积：支座负筋（2、3号）计算面积：5.3.2 平台板设计几何尺寸：板厚h=70mm，取1m宽板带进行计算。载计算值：P=6.788kN/m平台板的计算跨度：m 弯矩设计值：kN.m计算系数：得：计算面积：5.4 计算结果 5.4.1 梯板1号钢筋计算结果（跨中）计算面积：=505.3mm2/m 采用方案：B10150实配面积：523.0mm2/m2、3号钢筋计算结果（支座）计算面积：=252.65mm2/m 采用方案：B10300实配面积：262.0mm2/m4号钢筋（分布钢筋）计算结果：采用方案：A8300 实配面积：168.0mm2/m5.4.2 平台板5、6号钢筋计算结果：计算面积：=121.55 mm2/m 采用方案：B10200实配面积：393.0 mm2/m 筋配率： 6号钢筋（分布钢筋）计算结果：采用方案：6250 实配面积：113.10 mm2/m5.4.3平台梁5.4.3.1 平台梁基本参数平台梁采用热轧H型钢，HN3001506.59，截面特性5.4.3.2 荷载计算恒荷载平台梁自重 36.79.8=0.36 kN/m平台板传来 2.741.775/2=2.43 kN/m 梯段板传来 6.603.3/2=10.89 kN/m 小计 13.68 kN/m活荷载 2.5(3.3/2+1.775/2)=6.34 kN/m总荷载设计值： P=1.213.86+1.46.34=25.51 kN/m5.4.3.3 内力计算钢梁按简支梁计算，钢梁上作用的弯矩设计值和剪力设计值分别为：kN/m5.4.3.4 钢梁上应力计算钢梁翼缘弯曲应力：72.63 N/mm2 =310 N/mm2钢梁腹板剪应力：24.7 N/mm2 13（Q345钢，见钢与混凝土组合梁表5-6），根据钢结构设计规范附录B，可得：=0.660.6需对稳定系数进行修正：=0.7996.5N/mm2 =310 N/mm2整体稳定满足要求。5.4.3.6 钢梁挠度验算=2.20mmmm 满足要求。第6章 一品框架的受荷计算第6章 一品框架的受荷计算6.1 重力荷载代表值结构抗震分析时一般可取整和房屋或抗震缝区段为计算单元，计算简图为串联多自由度体系，如图6-1所示，集中于各楼层标高处的重力荷载代表值Gi为各层可变荷载乘以相应组合值系数，各构件重力荷载代表值见表6-1至6-3图6.1 各层重力荷载代表值计算简图表6-1 重力荷载代表值层次构件1横梁11.050.6475.80026102.446横梁21.050.6473.0001224.457续表6-1横梁31.050.3665.800920.060横梁41.050.3664.20023.228层次构件1横梁51.050.6473.0001224.457604.742纵梁11.050.6476.6001044.837纵梁21.050.6473.300817.935纵梁31.050.6479.900113.773纵梁41.050.6475.00013.397纵梁51.050.6472.50011.698纵梁61.050.6472.40011.630柱11.101.693.90054391.505柱21.100.4693.900714.8652-5横粱11.050.6475.80026102.446615.424横粱21.050.6473.0001224.457横粱31.050.3665.800920.060横粱41.050.3664.20023.228横粱51.050.6471.80044.891纵梁11.050.6476.6001044.837纵梁21.050.6473.300817.935纵梁31.051.3259.900113.773纵梁41.050.6475.00013.397纵梁51.050.6472.50011.698纵梁61.050.6472.40011.630柱11.101.6903.60054361.390柱21.100.4953.600815.6826横纵梁以及柱1同上614.880柱21.10.4953.600713.721注：为考虑梁柱粉刷层重力荷载代表值增大系数，g为单位长度构件的重力荷载；li为梁柱长度；n为构件数量；Gi为梁柱重力荷载代表值，Gi为各层梁柱重力荷载代表值。表6-2 墙、楼板、屋面板重力荷载代表值层次构件A/m21外墙2.63577.21518.0362626.532内墙2.18967.22108.4962-4