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鑫悦花园钢结构住宅毕业设计摘 要随着经济快速增长，具有强度高、质量轻等优点的钢结构住宅在国内外得到广泛的应用。本文阐述了珠海某地区的一栋10层高钢结构住宅-“鑫悦花园”的设计过程，抗震设防烈度为8级。设计内容包括建筑设计、结构体系方案选择与结构设计三部分。结构体系方案主要通过比较不同方案抗震性能确定。结构设计包括手算设计楼板以及一品框架的竖向内力作用、地震作用以及风荷载作用，配合电算进行构件截面设计、节点设计以及施工图的绘制等。此外，还提出了一些关于钢结构住宅发展的问题。关键词：钢结构住宅；建筑设计；结构体系方案选择；结构设计；抗震性能目 录1.钢结构住宅简介与工程概况11.1 钢结构住宅简介11.2 工程概况11.3 钢结构住宅设计方法22.建筑设计22.1 首层建筑平面图32.2 二十层建筑平面图32.3 建筑正立面图42.4 建筑A-A剖面图53.结构体系初选53.1 结构体系初步选择53.2 结构平面布置图64.楼盖与屋盖设计64.1 屋面楼面荷载计算74.2 施工阶段验算74.3 使用阶段验算84.4 剪切-粘结验算84.5 挠度验算84.6 自振频率验算95.框架初步设计95.1 梁截面初选95.2 柱截面初选95.3 支撑截面初选105.4 构件平面布置图106.结构体系确定106.1不同种类支撑体系的比较106.2 框架体系与框架支撑体系的结构性能比较126.3 构件立面布置图137.竖向内力计算137.1 结构计算简图与各构件线刚度计算137.2 恒荷载作用下的内力计算137.3 活荷载作用下的内力计算228.抗震内力计算248.1 重力荷载计算248.2 刚度计算258.3 自振周期计算278.4 地震作用计算288.5 变形验算288.6 地震作用下的内力计算299.风荷载内力计算329.1 风荷载作用计算329.2 变形验算339.3 风荷载作用下的内力计算3310.内力组合3510.1 梁内力组合3510.2 柱内力组合3610.3 各控制截面最大内力组合值3811.手算与电算结果分析比较3911.1 竖向荷载分析比较3911.2 水平地震力计算分析比较4111.3 电算主要计算指标4212.截面验算4412.1 框架柱的计算长度4412.2 框架柱截面验算4512.3 框架梁截面验算4712.4 支撑截面验算4812.5 组合次梁设计4812.6 钢框架梁柱节点全塑性承载力验算4912.7 节点域抗剪强度验算4912.8 抗震构造措施验算4913.节点设计5013.1 柱脚节点设计5013.2 柱与柱的拼接连接设计5113.3 梁柱节点设计5113.4 次梁与主梁连接节点设计5213.5 支撑节点设计5314.楼梯设计与基础设计5414.1 楼梯设计5414.2 基础设计5515.防锈防火设计5515.1 防锈处理5515.2 防火处理5516.结语57参考文献：581.钢结构住宅简介与工程概况1.1 钢结构住宅简介钢结构住宅是以钢结构为骨架，同时配以多种其它材料的墙体和楼板拼装而成的一种住宅体系，是住宅建筑的一个重要分支。钢结构住宅是以工厂化生产的H型钢梁、钢柱(包括H型钢柱、钢管柱、箱形柱、钢骨混凝土柱或圆、方或矩形钢管混凝土柱)为承重骨架，同时配以新型轻质的保温、隔热、高强的墙体材料作为围护结构，并与功能配套的水暖电卫设备和部品优化集成的节能和环保型住宅。与传统的砖混和混凝土结构住宅相比，钢结构住宅是一种更符合“绿色生态建筑”1：1特征的结构形式。它具有强度高、质量轻，构建界面小、有效空间大，材料均匀，塑性、韧性好，抗震性能优越，制造简单、施工周期短，节能、环保等优点。2因此，钢结构住宅是我国住宅产业化的发展方向，大力发展钢结构住宅符合我国人口日益增长与经济实力不断提升的国情。同时钢结构住宅的发展依然存在耐火能力弱与容易腐蚀等问题。1.2 工程概况工程名称：鑫悦花园建设地点：珠海市区某地；场地概况：场地大小为30m30m，812层，建筑总高度不超过40m，室内外高差为0.3m，设计使用年限为50年；结构形式：多高层钢结构基本风压：w0=0.8kN/m2，地面粗糙程度为C类；抗震要求：抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为8度，类场地土，设计地震分组为第一组；场地土层情况：表1-1层次层厚（m）层底标高（m）（标高0.00）土体类型土体参数1.00-1.00杂填土2.50-3.50淤泥质土3.00-6.50粉质粘土含水率，塑限，液限5.50-12.00粉土孔隙比-中密的中砂屋面做法：压型钢板混凝土组合楼板，20厚水泥混凝土找平，100mm厚钢筋混凝土楼板，20mm厚石灰砂浆抹底，八层作法防水层（三毡四油上铺小石子）；楼面做法：压型钢板混凝土组合楼板，水磨石面层，20厚水泥混凝土找平，100mm厚钢筋混凝土楼板，20mm厚石灰砂浆抹底；墙身做法：外墙采用150mm厚ALC板，内隔墙采用100mm厚ALC板，自重6.5KN/m3；要加支撑的墙选用混凝土空心小砌块，自重11.8KN/m3；女儿墙做法：V-125型压钢板外加100厚彩色钢板岩棉夹芯板，自重0.545 kN/m2；门窗做法：门为木门，自重0.2 kN/m2，窗为钢窗玻璃窗，自重0.4 kN/m2。1.3 钢结构住宅设计方法50年代中期至60年代末,有限元法出现并迅猛发展,由于当时理论尚处于初级阶段，计算机的硬件及软件也无法满足需求，有限元法和有限元程序无法在工程上普及。到60年代末70年代初出现了大型通用有限元程序，它们以功能强、用户使用方便、计算结果可靠和效率高而逐渐形成新的技术商品，成为结构工程强有力的分析工具。有限元法是建立在固体流动变分原理基础之上的，用有限元进行分析时，首先将被分析物体离散成为许多小单元，其次给定边界条件、载荷和材料特性，再者求解线性或非线性方程组，得到位移、应力、应变、内力等结果，最后在计算机上，使用图形技术显示计算结果。由于采用有限元法可以模拟任何形式的结构，且对结构的简化近似可以做到最少，因此有限元计算精度很高，能反映结构的真实受力状态，能够分析复杂结构在复杂受力状态下的效应。3本结构可以利用PKPM系列软件对结构进行有限元分析，配合手算及结构设计知识完成主体结构的设计。2.建筑设计以下根据住宅建筑模数协调标准（GB/T 501002001）4、住宅建筑规范（GB503682005）5以及住宅设计规范（GB 500961999）6进行建筑设计。本结构建筑设计满足建筑使用要求，空间布局协调，同时风格以简洁为主，以适合当地的经济状况，属于休闲经济型住宅。2.1 首层建筑平面图图2-1 首层平面图2.2 二十层建筑平面图图2-2 二十层建筑平面图2.3 建筑正立面图图2-3 建筑正立面图2.4 建筑A-A剖面图图2-4 建筑A-A剖面图3.结构体系初选3.1 结构体系初步选择高层钢结构住宅结构体系主要有钢框架体系、框架支撑体系、框架剪力墙体系、框架核心筒体系。根据高层民用钢结构技术规程（JGJ9998）7规定，各种结构体系的钢结构房屋有一定的适用高度：表3-1 钢结构房屋的适用高度（m）结构体系抗震设防烈度6、7度8度9度框架1109070框架支撑（剪力墙板）220200140各种筒体300260180钢框架体系是多层钢结构住宅最常见的结构体系之一，这种体系的抗侧移刚度小。钢框架支撑体系借助支撑来承受水平力和提供侧向刚度。当房屋较高时,它比纯框架经济，比较适用于715层的住宅。支撑框架主要可分为中心支撑框架、偏心支撑框架。一般而言,地震区不超过12层的楼房,可用中心支撑；超过12层的楼房,抗震等级达到8度、9度时宜采用偏心支撑等耗能支撑。鉴于本结构高度较小，后两种结构体系不再叙述。本结构适用的结构体系有钢框架体系与框架支撑体系。考虑到本结构建筑高度为29.75m，属于不超过12层的高层钢结构，且珠海地区抗震设防烈度为8级，初步选取框架支撑体系中的中心支撑框架体系作为本结构的结构体系。3.2 结构平面布置图根据建筑设计进行结构平面布置。本结构各层结构布置相同，以下是结构平面图，立面布置图有待确定（图中描黑处为支撑）。图3-1 结构平面布置图4.楼盖与屋盖设计楼盖与屋盖均采用压型钢板混凝土组合楼板，且两者结构布置相同，故只需取楼盖与屋盖荷载较大的进行设计。8根据钢混凝土组合楼板结构设计与施工规程（YB923892）9第2.1.6条规定，选用适用于组合板的国产压型钢板YX75-230-690（II），钢材等级Q235，板厚1.0mm，强肋沿建筑横向布置。混凝土厚度100mm，且l/h=15.8827，可视为单向简支板计算。根据结构布置，可知板的最大跨度为2.7m，故取2.7m的单向板按高层民用钢结构技术规程（JGJ9998）7规定设计。下面查建筑结构荷载规范（GB500092001）10进行荷载计算。4.1 屋面楼面荷载计算4.1.1 楼盖荷载恒荷载标准值：水磨石面层 0.65 kN/m220厚水泥混凝土找平 0.0220=0.46kN/m2100mm厚钢筋混凝土楼板 0.1025=2.50kN/m220mm厚石灰砂浆抹底 0.0217=0.34kN/m2压型钢板自重 0.133kN/m2小计 4.083kN/m2荷载设计值：4.1.2 屋盖荷载恒荷载标准值：20厚水泥混凝土找平 0.0220=0.40kN/m2八层作法防水层 0.4kN/m2100mm厚钢筋混凝土楼板 0.125=2.50kN/m220mm厚石灰砂浆抹底 0.0217=0.34kN/m2压型钢板自重 0.133kN/m2小计 3.773kN/m2荷载设计值：楼盖比屋盖的荷载大，取楼盖作验算。4.2 施工阶段验算查压型钢板规格表，压型钢板强度f=205N/mm2，面积Ap1656mm2，压型钢板自重0.133kN/mm2,Ief=110cm4,Wef=26.2cm3,混凝土选用C20，面层自重为1.11kN/m2，重心距底板高度为39.1mm。平均板厚度为：（100mm690mm+3（88mm+118mm）275mm）690mm134.6mm荷载计算：取一米板宽计算。恒载： 活载：弯矩：抗弯强度： 图4-1挠度计算：4.3 使用阶段验算抗弯强度：，组合截面塑性中和轴在压型钢板顶面以上，则：斜截面抗剪承载力：4.4 剪切-粘结验算荷载为均布荷载，a=1/4l=675mm，则：4.5 挠度验算荷载标准组合下的刚度计算：根据压型钢板一个波宽截面的尺寸（图4-1）计算组合截面的形心位置以及组合惯性矩。组合截面形心位置: 组合截面惯性矩一个波宽内的标准荷载挠度验算：4.6 自振频率验算 自震频率验算： 5.框架初步设计该建筑选用轴框架进行截面初步设计，对于AB跨梁与次梁选用Q235钢材，对于CD跨梁选用Q345钢材，柱子选用Q345钢材。框架的承重体系为横向框架体系。5.1 梁截面初选楼板为单向板，因此荷载的传递路线为板次梁主梁。由第4章计算得楼面恒载为4.083 kN/m2，活载为2.0kN/m2。墙面为25mm厚的水刷石墙面，自重0.5kN/m2 ；粉刷为20mm厚的石灰粗砂粉刷，自重0.35kN/m2 。则内墙墙体荷载（假定梁高150mm）：（6.5kN/m30.1m+0.35kN/m2+0.5kN/m2）（2.9m0.15m）=4.125kN/m。选取CD梁估算最大弯矩（暂不考虑梁自重）。作用于梁上的均布荷载q=1.24.125=4.95 kN/m；集中荷载F1= F2=1.24.08352.4+1.42.052.4=99.12kN则其固端弯矩为：内力组合时梁的最不利组合多是：恒荷载+活荷载+风荷载，将计算弯矩乘以一个1.2的放大倍数，可得： 作为初始梁高可根据梁的跨度的1/201/12（360mm600mm）选取，且考虑到梁的自重和要有一定安全储备，选取HN396199711,Wnx=1010cm3。5.2 柱截面初选不考虑自重，选用轴力最大的C柱估算截面，并考虑楼面活荷载的折减系数。标准层的作用压力为278.9kN，屋面层作用的压力为154.8kN。底层受力为278.9kN9+154.8kN2664.9kN。根据经验公式：。考虑到抗震要求中的柱长细比要求：，15层选用HW400400，610层选用HW300300，强轴沿横向布置。5.3 支撑截面初选可初估横向荷载，以支撑承受100的横向荷载作用初选截面，并满足长细比要求。选用HW250250914，Q235钢材。为了满足住宅的使用要求，框架支撑体系的高层住宅一般会在山墙，分户墙，楼梯间布置支撑。对于本结构，在山墙与分户墙处布置支撑，以增强结构抗侧刚度。而纵向则在与列框架之间的C轴隔墙上布置支撑。5.4 构件平面布置图其余梁柱支撑等也用上述的步骤选择，最终构件平面布置如图5-1所示：图5-1 构件平面布置图6.结构体系确定6.1不同种类支撑体系的比较框架中心支撑体系是常用的双重抗侧力体系之一。该类体系具有较大抗侧刚度,保证了正常使用极限状态要求，在常遇地震作用下能有效防止非结构构件的破坏。但是设计不当的框架-中心支撑结构在罕遇地震中易遭到破坏。地震中当某一层钢支撑出现刚度、强度退化后,很容易在该层形成软弱层，甚至会引起整体结构的倒塌。1111 连尉安,张耀春钢支撑及框架中心支撑重抗侧力体系研究现状、不足及改进D.哈尔滨.地震工程与工程振动因此，选择正确的支撑对结构的性能也有不容忽视的的影响。高层建筑钢结构的中心支撑宜采用十字交叉斜杆、单斜杆、人字形斜杆或V形斜杆体系。抗震设防的结构不得采用K形斜杆体系。根据高层民用钢结构技术规程（JGJ9998）7第6.4.1条规定，当采用只能受拉的单斜杆体系时，应同时设不同倾斜方向的两组单斜杆，且每层中不同方向单斜杆的截面面积在水平方向的投影面积之差不得大于10%。因此，本结构不适合采用单斜杆支撑。以本结构框架为基础，使用PKPM12, 13, 14分别对十字交叉斜杆支撑、人字形斜杆支撑和V形斜杆支撑体系进行建模与有限元计算分析。支撑均使用相同截面HW250250914，两端铰支。通过自振周期、地震力和结构位移等方面比较各种支撑的性能。以下是三种支撑体系的轴框架立面布置图15：图6-1 三种支撑体系的轴框架立面布置图表6-1 三种支撑体系的结构性能比较支撑体系结构自重（t）结构自振周期（s）底部地震力（kN）最大层间位移角最大层间位移（mm）支撑最大轴力（kN）十字支撑2610.1940.98772566.181/77127.81046.3人字支撑2587.3490.97232666.611/78026.9758.3V字支撑2581.2251.00662513.51/74128.2958.5由以上比较可以看出在采用相同支撑截面的情况下，人字形支撑体系的周期最小，即其刚度最大。因此其层较位移角与层间位移最小，但其底部地震力也最大。另一方面，十字形支撑体系的用钢量比人字形支撑体系、V字形支撑体系大。人字形支撑的承担的轴力在三者之中最小。结构在刚度增加同时，所受到地震作用增大，支撑所受内力也加大。人字支撑在地震作用增大的情况下，能承受更大的轴力，达到耗能功能。综上所述，考虑住宅的舒适性、安全性与经济性的需求。本结构采用人字形支撑体系。6.2 框架体系与框架支撑体系的结构性能比较为更进一步了解支撑对结构性能的影响，对纯框架结构建模计算，对比其主要的性能指标。以下是纯框架体系的轴框架立面布置图：图6-2 纯框架体系的轴框架立面布置图纯框架体系的第一自振周期为1.1938s，地震作用下的最大层间位移角为1/464，大多数构件的效应偏大，使结构存在不安全因素。而人字形中心支撑体系的结构周期为0.9723s，最大层间位移角为1/774，而支撑的用钢量只占整个结构用钢量的15%。由此可见，支撑使结构的抗震性能大大提高，主要是因为结构的抗侧刚度提高，使变形大大减小，梁柱弯矩也相应地减小。除此以外，在下面的地震力计算中还将对两种体系的手算计算结果进行比较。6.3 构件立面布置图本结构确定使用人字形框架中心支撑结构体系，以下是构件立面布置图：图6-3 构件立面布置图7.竖向内力计算7.1 结构计算简图与各构件线刚度计算根据高层民用建筑钢结构技术规程（JGJ98-99）7规定，压型钢板组合楼盖中梁的惯性矩对两侧有楼板的梁宜取1.5I0，对仅一侧有楼板的梁宜取1.2I0，I0为钢梁惯性矩。结构计算简图和各构件的线刚度经计算16, 17, 18后如图7-1所示：AC跨梁： CD跨梁：柱510层：柱15层： 7.2 恒荷载作用下的内力计算恒荷载作用下的内力计算采用分层法。510层的中间层为第一标准层，15层 图7-1的中间层为第二标准层。 7.2.1 顶层计算荷载计算：梁自重 56.79.810-30.56kN/m小计 0.56kN/mA节点纵向主梁自重 0.56（1.8+2.5）2.41kN屋盖传来的荷载 3.7734.31.3521.90kN小计 24.31kNB节点纵向主梁自重 0.56（1.8+2.5）2.41kN屋盖传来的荷载 3.7734.32.743.80kN小计 46.21kNC节点纵向主梁自重 0.56（1.8+2.5）2.41kN屋盖传来的荷载 3.773(4.31.35+51.2)44.54kN小计 46.95kNE与F节点纵向主梁自重 0.56（1.8+3.2）2.8kN屋盖传来的荷载 3.77352.445.28kN小计 48.08kND节点纵向主梁自重 0.56（1.8+3.2）2.8kN屋盖传来的荷载 3.77351.222.64kN小计 25.44kN则顶层荷载与计算简图如图7-2所示：图7-2分层法计算中，除底层柱外，其余各层柱的线刚度乘以0.9的折减系数，弯矩传递系数取1/3。荷载计算如表7-1所示：表7-1 顶层梁弯矩分配节点ACD项目下柱右梁左梁下柱右梁左梁下柱分配系数0.534 0.466 0.345 0.396 0.259 0.396 0.604 固端弯矩-32.5532.55-79.3579.3517.382 15.168 -31.423 -47.927 7.584 -15.711 18.950 21.751 14.226 9.475 7.113 -5.060 -4.415 -2.817 -4.296 -2.208 -1.408 1.248 1.432 0.937 12.32 -12.32 58.12 23.18 -81.31 52.22 -52.22 图7-37.2.2 第一标准层计算荷载计算：梁自重 0.56kN/m墙自重 (6.5kN/m30.1m+0.35kN/m2+0.5kN/m2) (2.9-0.199)=4.05kN/m小计 4.61kN/mA节点纵向主梁自重 0.56（1.8+2.5）2.41kN墙自重 (6.5kN/m30.15m+0.35kN/m2+0.5kN/m2) (2.9-0.199) 4.2=20.71kN楼盖传来的荷载 4.0834.31.3523.70kN柱自重 94.59.810-32.92.69kN小计 49.51kNB节点纵向主梁自重 0.56（1.8+2.5）2.41kN墙自重 4.052.5=10.13kN楼盖传来的荷载 4.0834.32.747.40kN柱自重 94.59.810-32.92.69kN小计 62.63kNC节点纵向主梁自重 0.56（1.8+2.5）2.41kN墙自重 4.051.8=7.29kN楼盖传来的荷载 4.083(4.31.35+51.2)48.20kN柱自重 94.59.810-32.92.69kN计 60.59kNE与F节点纵向主梁自重 0.56（1.8+3.2）2.8kN楼盖传来的荷载 4.08352.449.00kN柱自重 94.59.810-32.92.69kN小计 54.49kND节点纵向主梁自重 0.56（1.8+3.2）2.8kN墙自重 4.934.9=24.16kN楼盖传来的荷载 4.08351.224.50kN柱自重 94.59.810-32.92.69kN小计 54.15kN则顶层荷载与计算简图如图7-4所示：图7-4荷载计算如表7-2所示：表7-2 第一标准层梁弯矩分配节点ACD项目上柱下柱右梁左梁上柱下柱右梁左梁下柱上柱分配系数0.3480.348 0.304 0.248 0.283 0.283 0.186 0.246 0.377 0.377 固端弯矩-53.4853.48-107.1107.118.611 18.611 16.258 -26.347 -40.377 -40.377 8.129 -13.173 14.549 16.602 16.602 10.912 7.274 5.456 -2.531 -2.531 -2.211 -1.342 -2.057 -2.057 -1.106 -0.671 0.441 0.503 0.503 0.330 16.08 16.08 -32.16 75.49 17.10 17.10 -109.70 84.87 -42.43 -42.43 图7-57.2.3 第一标准层与第二标准层连接层计算表7-3 第一标准层梁与第二标准层连接层弯矩分配节点ACD项目上柱下柱右梁左梁上柱下柱右梁左梁下柱上柱分配系数0.1950.6350.1700.1510.1730.5630.1130.1330.6630.204固端弯矩-53.4853.48-107.1107.110.429 33.960 9.092 -14.244 -71.007 -21.848 4.546 -7.122 8.486 9.722 31.639 6.350 4.243 3.175 -0.827 -2.694 -0.721 -0.422 -2.105 -0.648 -0.361 -0.211 0.086 0.099 0.322 0.065 9.60 31.27 -40.87 66.24 9.82 31.96 -108.02 95.61 -73.11 -22.50 图7-67.2.4 第二标准层计算截面改变后荷载值发生改变，但只是柱节点荷载因柱截面改变而发生变化，故在其他荷载不必重复计算，利用以前的数据即可。HM350350的柱自重为2.69kN，HM400400的柱自重为4.89kN，故个节点自重均增加2.2kN。A节点荷载为51.71kN，B节点荷载为64.83kN，C节点荷载为62.79kN，E与F节点荷载为56.69kN，D节点荷载为56.35kN。表7-4第二标准层弯矩分配节点ACD项目上柱下柱右梁左梁上柱下柱右梁左梁下柱上柱分配系数0.4410.4410.1180.1090.4050.4050.0810.0920.4540.454固端弯矩-54.9654.96-110.62110.6224.237 24.237 6.485 -10.177 -50.221 -50.221 3.243 -5.089 6.268 23.290 23.290 4.658 3.134 2.329 -1.382 -1.382 -0.370 -0.214 -1.057 -1.057 -0.185 -0.107 0.032 0.118 0.118 0.024 22.86 22.86 -45.71 64.32 23.41 23.41 -111.13 102.56 -51.28 -51.28 图5-77.2.5 底层计算底层的荷载与第二标准层相同，但底层柱的线刚度不乘以0.9，且传递系数为1/2。表7-4第二标准层弯矩分配节点ACD项目上柱下柱右梁左梁上柱下柱右梁左梁下柱上柱分配系数0.4200.4670.1130.1040.3880.4300.0780.0870.4810.432固端弯矩-54.9654.96-110.62110.62