北京某商场多层钢框架结构设计_secret.doc

前 言

毕业设计是专业学习的总结性作业，是综合性和实践性极强的最后一个教学环节，是理论与实际相结合的训练阶段；是我们运用所学的基本理论、专业知识和基本技能进行建筑、结构等设计的重要实践过程，毕业设计使理论知识更加系统、更加完整。同时，它培养我们的独立工作能力（包括应用规范、手册、查阅资料、设计计算、撰写论文及科学研究等方面）和绘图技能，并提高我们综合分析、解决问题的能力。是一个全面的提高和锻炼过程。
本人的毕业设计题目为《北京某商场多层钢框架结构设计》。在毕设前期，我温习了《结构力学》、《钢结构设计原理》、《建筑结构抗震设计》等知识，并借阅了《钢结构设计规范》、《建筑抗震设计规范》、《建筑结构荷载规范》等规范。在毕设中期，我通过所学的基本理论知识和基本技能进行建筑、结构设计。在毕设后期，主要进行计算书的电脑输入，并得到了导师的悉心指导.
钢框架结构是一种常用的钢结构形式，其优点是可采用较大的柱距和提供较大的使用空间，建筑平面布置灵活，能适应多种类型的使用功能，结构简单，构件易于标准化和定型化，施工速度快。因而目前广泛应用于多层的办公楼、旅馆及商场等建筑。通过这一次对钢框架结构的设计，使我能够更好的将所学的基本理论及专业知识应用到实际工作中去，为我将来走上工作岗位打下了坚实的基础。
钢框架结构设计的计算工作量很大，在计算过程中以手算为主，辅以一些计算软件的校正。由于自己水平有限，难免有不妥和疏忽之处，敬请各位老师批评指正。

内容摘要

本设计主要进行了结构方案中横向框架④号轴框架的结构设计。在确定框架布局之后，先计算了竖向荷载（恒载及活荷载）作用下的结构内力，接着进行了重力荷载代表值的计算,然后利用顶点位移法求出自震周期，进而按底部剪力法计算横向框架水平地震作用，接着求出在水平荷载作用下的结构内力（弯矩、剪力、轴力）。接着进行内力组合,找出最不利的一组或几组内力组合。选取最安全的结果进行计算并绘图。此外还进行了结构方案中的基础设计、节点设计、楼板设计、楼梯设计。
关键词： 框架 结构设计 抗震设计 内力组合
Abstract

The purpose of the design is to do the structure design in the longitudinal frames of axis 4. When the directions of the frames is determined, firstly the determination of the internal force under the dead and live loads is calculated, Then the weight of each floor is calculated .Then the vibrate cycle is calculated by utilizing the peak-displacement method, then making the amount of the horizontal seismic force can be got by way of the bottom-shear force method. The seismic force can be assigned according to the shearing stiffness of the frames of the different axis. Then the internal force (bending moment, shearing force and axial
force ) in the structure under the horizontal loads can be easily calculated. Then the combination of internal force can be made by using the Excel software, whose purpose is to find one or several sets of the most adverse internal force of the wall limbs and the coterminous girders, which will be the basis of protracting the reinforcing drawings of the components. The design of the foundation、the node、the building plank and the stairs is also be approached by calculating the internal force
Keywords : frames, structural design, anti-seismic design, internal force combination

目 录
第一部分：工程概况…………………………………………………………7
第二部分: 结构布置及计算简图…………………………………………8
构件截面尺寸 ……………………………………………………………………8
荷载计算…………… ……………………………………………………………9
计算简图…………… ……………………………………………………………10
第三部分：竖向荷载作用下横向框架的内力计算……………………12
分配系数计算 ……………………………………………………………………12
荷载计算 …………………………………………………………………………13
用二次分配法计算框架弯矩 ……………………………………………………14
梁端剪力及柱轴力计算 …………………………………………………………14
第四部分：水平地震作用下框架的侧移计算 ………………………24
柱刚度修正系数 …………………………………………………………………24
重力荷载代表值 …………………………………………………………………25
横向框架结构自振周期 …………………………………………………………25
横向框架水平地震作用计算 ……………………………………………………26
横向框架侧移计算…… …………………………………………………………29
第五部分：框架在水平地震作用下的内力计算………………………30
反弯点高度比 ……………………………………………………………………30
框架柱剪力及弯矩计算 …………………………………………………………30
框架梁端弯矩、剪力及柱轴力计算 ……………………………………………31

第六部分：内力组合…………………………………………………………35
框架梁内力组合 …………………………………………………………………35
框架柱内力组合 …………………………………………………………………36
第七部分：构件验算…………………………………………………………43
框架梁验算 ………………………………………………………………………43
框架柱验算 ………………………………………………………………………44
第八部分：节点域设计………………………………………………………52
节点域稳定性验算 ………………………………………………………………52
节点域抗剪强度验算 ……………………………………………………………52
第九部分：节点设计…………………………………………………………53
梁柱连接节点设计 ………………………………………………………………53
主次梁连接节点设计 ……………………………………………………………58
第十部分：钢柱脚设计………………………………………………………61
边柱柱脚设计 ……………………………………………………………………61
中柱柱脚设计 ……………………………………………………………………63
第十一部分：基础设计………………………………………………………64
边柱基础设计 ……………………………………………………………………64
中柱基础设计 ……………………………………………………………………69
第十二部分：压型钢板组合楼盖设计……………………………………73
荷载和内力计算 …………………………………………………………………74

组合板验算… ……………………………………………………………………75
跨中正弯矩配筋计算 ……………………………………………………………76
支座负弯矩配筋计算 ……………………………………………………………76
第十三部分：楼梯设计………………………………………………………77
楼梯梁设计… ……………………………………………………………………77
平台梁设计… ……………………………………………………………………79
第十四部分：结论……………………………………………………………82
致谢……………………………………………………………83
主要参考文献 ………………………………………………84
外文资料翻译 ………………………………………………85

1、 工程概况

⑴、工程名称：北京某商场多层钢框架结构设计
⑵、建筑面积：10560平方米
⑶、结构型式：钢框架结构
⑷、总层数为五层，无地下室
⑸、抗震设防烈度8度，近震
⑹、建筑场地Ⅱ类，基本风压W0=0.45KN/M2 ，基本雪压 S0=0.4KN/M2 ，
⑺、地面粗糙度B类，属甲类建筑。
⑻、层高：首层4.2米，标准层3.6米
⑼、钢材等级：Q235、Q345型钢或焊接工字型
⑽、基础型式：柱下独立基础
⑾、地质条件：天然地基，以粉质粘土为持力层，基础埋深2.0米。
地基承载力的特征值
⑿、建筑物等级：二级
⒀、耐火等级：二级

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，结构体系选为钢框架支撑体系，横向为框架结构体系，纵向为支撑体系。框架梁柱均选用工形截面，采用Q235钢。框架柱与框架梁刚接，主梁与次梁铰接。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YX-75-230-690，其上浇80mm厚C20混凝土。柱脚采用埋入式柱脚，柱下为钢筋混凝土独立基础。

2.1、构件截面尺寸
（1）框架梁的截面尺寸
主梁：～～
次梁：～～
故横向框架梁选用：
纵向框架主梁选用：
纵向框架次梁选用：
（2）框架柱的截面尺寸
框架柱选用：
验算：
满足

2.2、荷载计算
（1）、屋面
恒荷载：SBS防水层 4mm 0.1KN/m2
找平层 20mm 200.02=0.4KN/m2
保温层 200mm 80.2=1.6KN/m2
楼板 100mm 250.1=2.5KN/m2

总计：4.6 KN/m2
活荷载：0.5 KN/m2
雪荷载：0.4 KN/m2
（2）、楼面
恒荷载：大理石地面 100mm 200.1=0.2KN/m2
焦渣层 100mm 180.1=1.8KN/m2
楼板 100mm 250.1=2.5KN/M2

总计：6.3 KN/m2
活荷载：3.5 KN/m2
（3）、墙面
岩棉夹心板 100mm 1KN/m
（4）、其他
风荷载： 0.45 KN/m
横向钢梁自重：0.1579.8=1.5 KN/m

纵向钢梁自重：0.1299.8=1.3 KN/m
钢柱自重：0.1729.8=1.7 KN/m
2.3、计算简图
取④轴横向框架作为计算单元，则
五层荷载：

一～四层荷载：

计算简图如图所示

计算简图

95

3、竖向荷载作用下横向框架的内力计算
3.1、分配系数计算
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
( 1 )
( 2 )
( 3 )
( 4 )
( 5 )
( 6 )
( 7 )
( 8 )
( 9 )
( 10 )
( 11 )
( 12 )
( 13 )
( 14 )
( 15 )
( 16 )
( 17 )
( 18 )
( 19 )
( 20 )
( 21 )
( 22 )
( 23 )
( 24 )
( 25 )
( 26 )
( 27 )
( 28 )
( 29 )
( 30 )
( 31 )
( 32 )
( 33 )
( 34 )
( 35 )

得

得

得

得

得

得
3.2、荷载计算
固端弯矩计算：
以五层AB跨恒载为例计算框架梁固端弯矩为：

计算结果列入表3.1中

表3.1 梁固端弯矩计算
位置
恒载
（KN/m）
活载
（KN/m）
恒载固端弯矩（KN/m）
活载固端弯矩（KN/m）
AB跨
BC跨
AB跨
BC跨
5层
36.8
4
196.27
196.27
21.33
21.33
4层
50.4
28
268.8
268.8
149.33
149.33
3层
50.4
28
268.8
268.8
149.33
149.33
2层
50.4
28
268.8
268.8
149.33
149.33
1层
50.4
28
268.8
268.8
149.33
149.33

3.3、用二次分配法计算框架弯矩
考虑对称框架在对称荷载作用下，取半框架进行计算，切断的横梁刚度为原来的一半
恒载作用下，框架的弯矩分配计算见表3.2，弯矩图如图所示。
活载作用下，框架的弯矩分配计算见表3.3，弯矩图如图所示。
3.4、 梁端剪力及柱轴力计算
梁端剪力

式中：Vq—梁上荷载引起的剪力，
Vm—梁端弯矩引起的剪力，
表3.2 恒载作用下的弯矩分配

表3.3 活载作用下的弯矩分配

柱轴力
式中：V—梁端剪力
P—梁上集中力
以AB跨五层梁在恒载作用下梁端剪力及柱轴力为例：
柱自重：1.7×3.6=6.1KN 纵梁重：1.3×8=10.4KN 横梁重：1.5×4=6KN
五层梁端弯矩：
五层梁上荷载引起剪力：

五层梁端弯矩引起剪力：

五层A柱柱顶及柱底轴力：

梁端剪力及柱轴力见表3.4～3.8

表3.4 恒载作用下梁端剪力（KN）

位置
荷载引起剪力
弯矩引起剪力
总剪力
AB跨
BC跨
AB跨
BC跨
AB跨
BC跨

5层
147.2
147.2
-19.5
0
127.7
166.7
147.2
4层
201.6
201.6
-20.28
0
181.32
221.88
201.6
3层
201.6
201.6
-20.28
0
181.32
221.88
201.6
2层
201.6
201.6
-20.28
0
181.32
221.88
201.6
1层
201.6
201.6
-20.52
0
181.08
222.12
201.6

表3.5 活载作用下梁端剪力（KN）

位置
荷载引起剪力
弯矩引起剪力
总剪力
AB跨
BC跨
AB跨
BC跨
AB跨
BC跨

5层
16
16
-2.12
0
13.88
18.12
16
4层
112
112
-11.27
0
100.73
123.27
112
3层
112
112
-11.27
0
100.73
123.27
112
2层
112
112
-11.27
0
100.73
123.27
112
1层
112
112
-11.4
0
100.6
123.4
112

表3.6 恒载作用下A柱轴力（KN）
楼层
截面位置

纵梁重
横梁重
柱自重
柱轴力
5
柱顶
127.7
10.4
6

144.1
柱底
127.7
10.4
6
6.1
150.2
4
柱顶
181.32
10.4
6

347.92
柱底
181.32
10.4
6
6.1
354.02
3
柱顶
181.32
10.4
6

551.74
柱底
181.32
10.4
6
6.1
557.84
2
柱顶
181.32
10.4
6

755.56
柱底
181.32
10.4
6
6.1
761.66
1
柱顶
181.08
10.4
6

959.14
柱底
181.08
10.4
6
7.1
966.24

表3.7 恒载作用下B柱轴力（KN）
楼层
截面位置

纵梁重
横梁重
柱自重
柱轴力
5
柱顶
166.7
147.2
10.4
12

336.3
柱底
166.7
147.2
10.4
12
6.1
342.4
4
柱顶
221.88
201.6
10.4
12

788.28
柱底
221.88
201.6
10.4
12
6.1
794.38
3
柱顶
221.88
201.6
10.4
12

1240.26
柱底
221.88
201.6
10.4
12
6.1
1246.36
2
柱顶
221.88
201.6
10.4
12

1692.24
柱底
221.88
201.6
10.4
12
6.1
1698.34
1
柱顶
221.12
201.6
10.4
12

2143.46
柱底
221.12
201.6
10.4
12
7.1
2150.56

表3.8 活载作用下A、B柱轴力（KN）
楼层
A柱
B柱

柱轴力

柱轴力
5
13.88
13.88
18.12
16
34.12
4
100.73
100.73
123.27
112
235.27
3
100.73
100.73
123.27
112
235.27
2
100.73
100.73
123.27
112
235.27
1
100.6
100.6
123.4
112
235.4

4、 水平地震作用下框架的侧移计算
4.1、 柱刚度修正系数
一般层：

底层：

故该框架为规则框架
4.2、 重力荷载代表值

4.3、 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

按弹性静力方法计算所得到的顶层侧移，计算见表4.1
表4.1 横向框架顶点位移计算
层数

层间相对位移

5
979.4
979.4
27.56
0.0359
0.8247
4
1606.1
2585.5
27.56
0.0938
0.7888
3
1606.1
4191.6
27.56
0.1521
0.6950
2
1606.1
5797.7
27.56
0.2104
0.5429
1
1606.1
7405.8
22.27
0.3325
0.3325

4.4、 横向框架水平地震作用计算
此建筑是高度不超过40m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
查抗震规范，得
结构等效总重力荷载

结构总水平地震作用等效的底部剪力标准值

顶点附加水平地震作用系数

取
顶点附加水平地震作用

各层水平地震作用标准值计算：
以第五层为例

加后，

（1）、各层地震作用及楼层剪力
各层地震作用及楼层剪力见表4.2。楼层地震作用如图所示，地震作用下楼层剪力如图所示。

表4.2 横向框架各层地震作用及楼层地震剪力
层数

5
3.6
18.6
979.4
18216.84
0.228
99.56
99.56
4
3.6
15
1606.1
24091.5
0.301
74.09
173.65
3
3.6
11.4
1606.1
18309.54
0.229
56.36
230.01
2
3.6
7.8
1606.1
12527.58
0.157
38.64
268.65
1
4.2
4.2
1608.1
6754.02
0.085
20.92
289.57
注：表中第五层加入了

（2）、各楼层地震剪力最小取值验算
各楼层地震剪力最小取值验算见表4.3，满足

表4.3 楼层地震剪力最小取值验算
层数

5
99.56
979.4
31.34
4
173.65
1606.1
82.74
3
230.01
1606.1
134.13
2
268.65
1606.1
185.53
1
289.57
1608.1
236.99
注：表中
4.5、横向框架侧移计算
框架的水平位移可分为两部分：由框架梁弯曲变形产生的位移和柱子轴向变形产生的位移。
由柱子轴向变形产生的位移可忽略不计
由框架梁弯曲变形产生的位移可由D值法求得，见表4.4
以五层为例：
层间位移：

表4.4 层间位移计算
层数
层间剪力
层间刚度

层间位移
层高

5
99.56

0.00361
3.6
0.04101
4
173.65

0.00630
3.6
0.03740
3
230.01

0.00835
3.6
0.03110
2
268.65

0.00975
3.6
0.02275
1
289.57

0.01300
4.2
0.01300
框架的层间相对位移如图所示（，。满足）

5、框架在水平地震作用下的内力计算
5.1、 反弯点高度比
根据该框架总层数及该层所在层数、梁柱线刚度比k值，且荷载近似倒三角形，查出反弯点高度比y，结果见表5.1
5.2、 框架柱剪力及弯矩计算
在水平荷载作用下,框架内力及位移可采用D值法进行简化计算.
以五层边柱为例:
层间剪力

每柱剪力

反弯点高度:
柱顶截面处弯矩为

柱底截面处弯矩为

横向框架柱弯矩计算见表5.1
5.3、框架梁端弯矩、剪力及柱轴力计算
以五层AB跨梁为例：

五层边柱轴力：
梁端弯矩、剪力及柱轴力计算见表5.2。地震作用下框架梁弯矩、剪力及柱轴力如图所示。

表5.1 横向框架柱弯矩计算
楼
层
柱位
层间
剪力

每柱
剪力

y
yh
(m)
柱弯矩

柱顶
柱底
5
边柱
99.56

6.088
27.56
21.99
0.432
1.55
45.08
34.08
中柱
7.691
27.78
0.450
1.62
55.00
45.00
4
边柱
173.65
6.088
27.56
38.36
0.482
1.73
71.73
66.36
中柱
7.691
48.46
0.500
1.80
87.23
87.23
3
边柱
230.01
6.088
27.56
50.81
0.500
1.80
91.46
91.46
中柱
7.691
64.19
0.500
1.80
115.54
115.54
2
边柱
268.65
6.088
27.56
59.34
0.500
1.80
106.81
106.81
中柱
7.691
74.97
0.500
1.80
134.95
134.95
1
边柱
289.57
5.157
22.27
67.05
0.573
2.41
120.02
161.59
中柱
5.979
77.74
0.550
2.31
146.93
179.58

表5.2 横向框架梁端弯矩、剪力及柱轴力
位置

AB跨
BC跨
柱轴力

5层
8
45.08
27.5
9.07
27.5
27.5
6.88
-9.07
2.19
4层
8
105.81
66.12
21.49
66.12
66.12
16.53
-30.56
7.15
3层
8
157.82
101.39
32.4
101.39
101.39
25.35
-62.96
14.2
2层
8
198.27
125.25
40.44
125.25
125.25
31.31
-103.4
23.33
1层
8
226.83
140.94
45.97
140.94
140.94
35.24
-149.37
34.06

6、 内力组合
6.1、 框架梁内力组合
对于本设计,取梁端和跨中三分点作为梁承载力设计的控制截面.因此,梁的最不利组合内力是:
梁端截面:、
梁跨中截面:
以五层梁为例:
（1）、无震时
恒载跨中弯矩:
设x为跨中最大正弯矩截面至A支座的距离,则

令上式求导等于零, 解得:
即
BC跨最大正弯矩截面位于正中间,故

活载跨中弯矩:

（2）、左震时

令上式求导等于零, 解得:

令上式求导等于零, 解得:

（3）、右震时

令上式求导等于零, 解得:

令上式求导等于零, 解得:

梁的内力组合见表6.1
6.2框架柱内力组合
框架柱取每层柱顶和柱底两个控制截面
组合结果见表6.2和表6.3

表6.1 梁内力组合表
楼层
位置
内力
荷载类别
无震组合
有震组合
恒载①
活载②
地震荷载③
1.2①+1.4②
1.35①+0.98②
1.2(①+0.5②)±1.3③
5

M
-73.54
-8
45.08
-99.45
-107.12
-34.44
-151.65
V
127.7
13.88
-9.07
172.67
186
149.78
173.36

M
-229.57
-24.95
-27.5
-310.41
-334.37
-326.2
-254.7
V
-166.7
18.12
9.07
225.41
242.8
222.7
199.12

M
-215.2
-23.39
27.5
-290.99
-313.44
-236.52
-308.02
V
147.2
16
-6.88
199.04
214.4
177.3
195.18
跨中

148.03
16.08

200.15
215.6
254.66
235.64

79.2
8.61

107.09
115.36
168.57
182.9
4

M
-149.1
-82.83
105.81
-294.88
-282.46
-91.07
-366.17
V
181.32
100.73
-21.49
358.61
343.5
250.09
305.96

M
-311.32
-172.95
-66.12
-615.71
-589.77
-563.31
-391.4
V
221.88
123.27
21.49
438.83
420.34
368.16
312.28

M
-285.67
-158.7
66.12
-564.98
-541.18
-352.07
-523.98
V
201.6
112
-16.53
398.72
381.92
287.63
330.61
跨中

177.06
98.36

350.18
335.42
394.53
360.63

117.53
65.3

232.46
222.66
290.25
324.65
3

M
-149.1
-82.83
157.82
-294.88
-282.46
-23.45
-433.78
V
181.32
100.73
-32.4
358.61
343.5
235.9
320.14

M
-311.32
-172.95
-101.39
-615.71
-589.77
-609.16
-345.55
V
221.88
123.27
32.4
438.83
420.34
382.34
298.1

M
-285.67
-158.7
101.39
-564.98
-541.18
-306.22
-569.83
V
201.6
112
-25.35
398.72
381.92
276.17
342.08
跨中

177.06
98.36

350.18
335.42
408.61
361.95

117.53
65.3

232.46
222.66
285.94
338.7
2

M
-149.1
-82.83
198.27
-294.88
-282.46
29.13
-486.37
V
181.32
100.73
-40.44
358.61
343.5
225.45
330.59

M
-311.32
-172.95
-125.25
-615.71
-589.77
-640.18
-314.53
V
221.88
123.27
40.44
438.83
420.34
392.79
287.65

M
-285.67
-158.7
-125.25
-564.98
-541.18
-275.2
-600.85
V
201.6
112
-31.31
398.72
381.92
268.42
349.82
跨中

177.06
98.36

350.18
335.42
423.76
362.15

117.53
65.3

232.46
222.66
284.19
349.26
1

M
-147.38
-81.87
226.83
-291.47
-279.2
68.9
-520.86
V
181.08
100.6
-45.97
358.14
343.05
217.9
337.42

M
-311.54
-173.08
-140.94
-616.16
-590.2
-660.92
-294.47
V
222.12
123.4
45.97
439.3
420.79
400.35
280.82

M
-286
-158.89
140.94
-565.65
-541.81
-255.31
-621.76
V
201.6
112
-35.24
398.72
381.92
263.31
354.93
跨中

177.92
98.85

351.89
337.07
437.54
363.09

117.2
65.11

231.79
222.03
282.98
356.31

表6.2 A柱内力组合表
楼层
位置
内力
荷载类别
无震组合
有震组合
恒载①
活载②
地震荷载③
1.2①+1.4②
1.35①+0.98②
1.2(①+0.5②)±1.3③
5
柱
顶
M
73.54
8
-45.08
99.45
107.12
34.44
151