组合楼盖设计

1组合楼盖课程设计一、设计资料1、工程概况某多层办公楼的标准层建筑平面如图 1-1 所示，房屋总长度 36.1m，总宽度 16.2m。结构设计使用年限 50 年，结构安全等级二级，环境类别一类，耐火等级二级，抗震设防烈度六度。图 1-1 标准层平面图2、建筑做法楼面做法：20mm 水泥砂浆找平，5mm 厚 1：2 水泥砂浆加“108”胶水着色粉面层；板底为V 形轻钢龙骨吊顶。外墙做法：采用 240mm 加气混凝土砌块，双面粉刷。外粉刷 1：3 水泥砂浆底，厚 20mm，外墙涂料，内粉刷为混合砂浆粉面，厚 20mm，内墙涂料。内墙做法：采用 240mm 加气混凝土砌块，双面粉刷。内粉刷为混合砂浆粉面，厚 20mm，内墙涂料。3、可变荷载办公楼楼面可变荷载标准值 2.0kN/m2，组合值系数 c=0.7，准永久值系数 q=0.4；走廊、楼梯可变荷载标准值 2.5kN/m2，组合值系数 c=0.7，准永久值系数 q=0.5。4、设计内容试对组合楼盖和组合梁进行设计。2二、结构布置主体结构拟采用横向框架承重方案，横向刚接、纵向铰接；在轴和轴之间设置十字形交叉中心支撑，如图 1-2 所示，纵向形成框架 -支撑体系。框架梁、柱均采用 H 型钢，框架柱截面形心与纵横轴线重合。楼板拟采用压型钢板-混凝土组合楼板，在 与 轴之间及 与 轴之间沿纵向布置一道次梁， A B C D压型钢板沿横向布置，最大跨度为 3.3m。结构布置如图 1-2 所示。图 1-2 结构平面布置图三、组合楼盖设计组合楼盖设计包括组合板设计和组合梁设计，应考虑使用阶段和施工阶段的不同要求。1组合板截面尺寸估选(1)压型钢板 用于组合楼板的压型钢板净厚度( 不包括涂层) 不应小于 0.75mm，也不得超过1.6mm，一般宜取 1.0mm。波槽平均宽度(对闭口式压型钢板为上口槽宽 )不应小于 50mm；当在槽内设置栓钉时，压型钢板的总高度不应大于 80mm。3根据上述构造要求，选用型号为 YX70-200-600 的压型钢板，厚度 1.2mm，展开宽度1000mm，截面尺寸如图 1-3 所示。重量 g=162kg/m，有效截面惯性矩 Ief=1.28106mm4/m，有效截面抵抗矩 Wef=3.596104mm3/m，压型钢板截面基本尺寸如图 1-3 所示。压型钢板基材采用 Q235级钢，设计强度 f=205N/mm2。图 1-3 压型钢板截面基本尺寸（2)混凝土厚度 hc 组合板总厚度不应小于 90mm，压型钢板顶面以上的混凝土厚度不应小于50mm。当压型钢板用做混凝土板底部受力钢筋时，还需进行防火保护，对于无防火保护层的开口压型钢板，顶面混凝土厚度不应小于 80mm。此外，对于简支组合板的跨高比不宜大于 25，连续组合板的跨高比不宜大于 35。根据以上构造要求，压型钢板上混凝土厚度取 hc=80mm(图 1-4)，此时压型钢板底部不需设置防火保护层。图 1-4 压型钢板- 混凝土组合楼板断面尺寸示意2压型钢板施工阶段的验算(1)计算简图 计算单元取一个波宽，按强边(顺肋)方向的单向板计算正、负弯矩和挠度，对弱边( 垂直肋) 方向可以不进行计算。4施工阶段压型钢板的计算简图视实际支承跨数及跨度尺寸有关。但考虑到下料的不利情况，对 轴、 轴之间的压型钢板按两跨连续板计算，跨度 3.3m；对 轴之间的压型钢 A B C D B C板按单跨简支板计算，跨度 2.0m。计算简图如图 1-5 所示。图 1-5 压型钢板计算简图a) 轴、 轴 b) 轴 A B C D B C(2)荷载计算 施工阶段压型钢板作为浇筑混凝土的底模，一般不设置支撑，由压型钢板承担组合楼板自重和施工荷载。施工阶段验算时应考虑下列荷载：1)永久荷载标准值混凝土自重标准值 m0.07m+0.20m0.08m 25kN/m3=0.505kN/m2)07.5(1.0mm 压型钢板自重16.29.8 10-3kN/m=0.053kN/m6.0小计 gk=0.558kN/m2)可变荷载标准值施工荷载 qk=1.0kN0.2m=0.20kN/m3）荷载组合标准组合值Pk=0.558kN/m+0.20kN/m=0.758kN/m基本组合值P=1.2gk+1.4qk=1.20.558kN/m+1.40.20kN/m=0.95kN/m（3）内力计算 轴、 轴间： A B C D跨中最大正弯矩 Mmax=0.125pl2=0.1250.953.32=1.29KNm支座最大弯矩 Mmax= -0.125pl2= -0.1250.953.32= -1.29KNm 轴间： B CMmax= pl2= 0.952.02=0.46KNm815（3）抗弯强度验算= = =35.87N/mm2 M =1.903 KNmmax说明中和轴位于压型钢板肋，按宽度为 b0=60mm 的矩形截面梁计算。s= = =0.131201hbfMc26130.49=1- =1- =0.141Asmin=0.238%(6070+80200)mm2=48.08 mm2，选用8150（200mm 宽度范围内的钢筋面积 As=67.07mm2） 。注： min=(0.2%，45 )max=0.238%ytf3)斜截面受剪承载力组合楼板一个波宽(b=200mm)内的受剪承载力：0.7ftbh0=0.71.43200(80+26.89)N=21.40103N=21.40kNVmax=2.883Kn(满足要求)（5)挠度计算 组合楼板的挠度计算包括荷载效应标准组合下的挠度和荷载效应准永久组合下的挠度。前者采用短期刚度，后者采用长期刚度。1）短期刚度。取一个波宽 (b=200mm) 范围作为计算单元，对于肋内的混凝土近似按平均肋宽 b0=60mm 的矩形截面考虑，如图 1-7 所示。9a) b) c)图 1-7 组合楼板截面特性a)压型钢板部分 b)混凝土部分 c)换算截面一个波宽压型钢板的截面面积 Ap=385.7mm2，自身形心轴的惯性矩 Ip=3.05105mm4，形心距顶面距离 y0=26.89mm。混凝土部分的截面面积 Ac=20200mm2，对自身形心的惯性矩 Ic=28.96106mm4，形心距混凝土顶板距离为 =55.59mm。ch钢材与混凝土的弹性模量之比 E= = =6.87cp4510.36则等效截面形心距混凝土板顶的距离 ：nx= = mm=61.54mmnxPECcAh00 7.385.6209695则等效截面的惯性矩 Iep：Iep=1/EIC+AC( - )2+ Ip+Ap(h0- )2nx0nx=1/6.8728.96106+20200(61.54-55.59)2+3.05105+385.7(106.89-61.54)2=5.42106(mm4)2)长期刚度。计算长期刚度时，将混凝土按 2E 换算为钢材，按单一等效截面计算截面惯性矩。等效截面形心距混凝土板顶的距离 ：nx= = mm=66.25mmnxPECcAh2007.385.620910659.等效截面的惯性矩 Iep：Iep=1/2EIC+AC( - )2+ Ip+Ap(h0- )2nx0nx=1/26.8728.96106+20200(61.54-55.59)2+3.05105+385.7(106.89-66.25)2=3.22106(mm4)3)挠度计算。荷载的标准组合值 Pk=1.098kN/m，采用短期刚度 EpIep，简支单向板跨中最大挠度 ：= mm =1.52mm15Hz(满足要求)0965.1780注意：上式中 单位为 cm。(7)裂缝宽度验算 验算组合楼板负弯矩部位混凝土的裂缝宽度时，可近似地忽略压型钢板的作用，即按混凝土板及其负钢筋计算板的最大裂缝宽度。取一个波宽 b=200mm 作为计算单元。s= N/mm2=170.78 N/mm240.7138.0957. 6skAhM te= 0.235.7810.26561skteCs=15mm(一类环境， C30)， dep=8mmWmax=cr mcEteps )01.85.91(2609).9( =0.049mm13，需要验算整体稳定。=l1t1/b1h=780011/(175350)=1.401f=215 N/mm2(不满足要求)56108.7432xbwM施工时在跨中设置两个侧向支撑点，则 l1=7.8m/3=2.6m，l 1/b1=2600/175=14.860.7vAstf=0.70.52283.51.67215N=37.05103N=37.05kN取 =37.05kNc计算每个剪跨区段内作用在钢梁与混凝土翼板交接面上的纵向剪力 Vs，位于正弯矩区段的剪跨，V s=minAf，b ehc1fc。对于 CL、KL-4 Vs=minAf，b ehc1fc= min|6366215，19758014.3|=1368.6910 3N=1368.69kN一个剪跨段所需的栓钉数量：nf= Vs/ =1368.69/37.05=36.94，取 nf=37cvNnr=3900/200=2050%，为部分抗剪连接。对于 KL-3 Vs=minAf，b ehc1fc= min|6366215，1131.258014.3|=1294.1510 3N=1294.15kN一个剪跨段所需的栓钉数量：nf= Vs/ =1294.15/37.05=34.93，取 nf=35cvNnr=3900/200=19.5，取 nr=2050%，为部分抗剪连接。(5)受弯承载力计算1)CL、KL-4混凝土翼板受压区高度(图 1-9a)：x= mm=26.24mm3.1497502cevrfbNn钢梁受压面积：Ac= mm2=1459.74mm22510.7623fcvr组合梁塑性中和轴位置 xp=1459.74mm/175=8.34mmMmax=218.95 kNm(满足要求)2）KL-3混凝土翼板受压区高度：x= mm=45.81mm3.142507cevrfbNn钢梁受压面积：Ac= mm2=1459.74mm2510.763fcvr组合梁塑性中和轴位置 xp=1459.74mm/175=8.34mmMmax=179.40kNm(满足要求)(6)受剪承载力计算 组合梁截面上的全部剪力 V 假定仅由钢梁腹板承受，按式(2-32) 计算：Vu=hwtwfv=(350-211) 7125N=287103N=287.0kNVmax=112.28kN(满足要求)(7)变形验算 组合梁的挠度分别按荷载的标准组合值和荷载的准永久组合值进行验算，分别取用不同的换算截面。对于压型钢板组合梁，混凝土翼板取不包括肋部的薄弱截面，且不考虑压型钢板的作用。抗弯刚度采用考虑滑移影响效应后的折减刚度。1)计算换算截面惯性矩 混凝土翼板和钢梁的截面特征见表 1-3，换算截面的惯性矩见表 1-4。表 1-3 混凝土翼板和钢梁的截面特征混凝土翼缘 钢梁组合梁名称 截面面积 Acf/mm2截面惯性矩 Icf/mm4形心至组合梁顶的距离yc/mm截面面积As/mm2截面惯性矩 Is/mm4形心至组合梁顶的距离ys/mmCL、KL-4 158000 84.27106 40 6366 1.37108 325KL-3 90500 48.27106 40 6366 1.37108 325注：A cf=hc1，I cf=be /12，y c= hc1/2，y s=hc+hs/2。31c表 1-4 换算截面的惯性矩计算短期刚度 计算长期刚度组合梁名称形心至组合梁顶的距离y/mm换算截面的惯性矩 Ieq/mm4形心至组合梁顶的距离y/mm换算截面的惯性矩Ieq/mm4CL、KL-4 101.79 554.25106 141.56 475.96106KL-3 132.85 497.88106 180.07 406.08106计算短期刚度时，形心到组合梁顶的距离 ，换算截面的惯性矩 sEcfAyy/Ieq=Icf+Acf(y-yc)2/E+Is+As(y-ys) 2计算长期刚度时，形心到组合梁顶的距离 ，换算截面的惯性矩sEcf)2/(Ieq=Icf+Acf(y-yc)2/2E+Is+As(y-ys) 22)刚度计算。抗剪连接件列数 ns=1；连接件刚度系数 k= =37050N/mm，连接件的纵向平均cvN间距 p=200mm；组合梁截面高度 h=500mm；钢梁截面形心到混凝土翼板截面形心 dc=ys-yc=(325-40)18mm=285mm。组合梁刚度的计算过程列于表 1-5。3)挠度计算。由于施工阶段未在钢梁下设置临时支撑，故挠度由两部分组成：第一部分为钢梁在组合板及钢梁自重(对应施工阶段验算时的永久荷载部分) 下的挠度；第二部分为组合梁在后加荷载作用下的挠度。计算过程列于表 1-6。组合梁的允许挠度=l/250=7800mm/250=31.2mm组合梁的施工图如图 1-10 所示。表 1-5 组合梁刚度计算过程CL 及 KL-4 KL-3计算项目短期刚度 长期刚度 短期刚度 长期刚度混凝土翼板面积 Acf/mm2 158000 158000 90500 90500钢梁面积 Asmm2 6366 6366 6366 6366短期 A0= efE4985.9 - 4291.9 -长期 A0= f2- 4097.6 - 3237.2混凝土翼板惯性矩 Icf/mm4 84.27106 84.27106 84.27106 84.27106钢梁惯性矩 Is/mm4 1.37108 1.37108 1.37108 1.37108短期 I0=Is+Ief/E 1.493108 - 1.440108 -长期 I0=Is+Ief/2E - 1.431108 - 1.405108A1=（I 0+A0 ）/A 02cd111.17103 116.15103 114.78103 124.63103J=0.81 =0.0243Pkns11/mIA6.6310-4 6.9210-4 6.8610-4 7.2410-4042075.36hlpsc1.87 1.54 1.61 1.21刚度折减系数 =0.4-3/(jl)2 0.538 0.457 0.475 0.370换算截面惯性矩 Ieq/mm4 554.25106 475.96106 497.88106 406.08106刚度 B=EIeq/(1+)/(Nmm2) 74.241012 67.291012 69.531012 61.061012表 1-6 挠度计算过程计算项目 CL KL-4 KL-3施工阶段荷载标准值 gk/(N/mm) 9.70 9.702.65/3.3=7.79 9.701.85/3.3=5.44钢梁刚度 EI/(Nmm2) 2.821013 2.821013 2.821013施工阶段挠度 = mEIlk/384516.58 13.31 9.30分布荷载标准组合值增量 )/(Ngpk18.66-9.70=8.96 22.78-7.79=14.99 18.49-5.44=13.05短期刚度 Bs/(Nmm2) 74.241012 74.241012 69.53101219使用阶段新增短期挠度 s2=mBlpsk/38455.82 9.73 9.05短期总挠度 s=1+s2/mm 22.452.47mm(满足要求)mtbws 96280加劲肋厚度应满足：t sb s/15=96/15mm=6.4mm，取 ts=8mm(2)支承加劲肋的稳定计算 支承加劲肋进行腹板平面外的稳定计算时，考虑每侧 范围ybwft2351的腹板面积，如图 1-11 所示。轴力 N=2V=292.47Kn=184.94kN截面面积 A=(21588+2008)mm2=3520mm2；惯性矩 IZ=(1/12) 82003+2(1/12) (158) 83mm4=5.34106mm4回转半径 iz= =38.95mmmA5014.6图 1-11 加劲肋稳定计算时的有效面积构件长细比 z=h0/iz=(400-213)/38.95=9.6，按 b 类截面，查钢结构设计规范(GB 500172003)附表 C-2，得到稳定系数 =0.993。=N/A=184.94103/(0.9933520)N/mm2=52.91 N/mm2f=215 N/mm2(3)连接螺栓计算 每侧采用摩擦型高强度螺栓 10.9 级，6M20，一个高强度螺栓的预拉力P=155kN。在连接构件接触面采用喷砂丸处理，摩擦面的抗滑移系数 =0.45，传递摩擦面的数目nf=2。每个高强度螺栓承载力设计值： =0.9nfp=0.920.45155kN=125.55 kNbvN在次梁端部垂直剪力作用下，连接一侧的每个高强度螺栓受力：N v=V/n=92.47/3kN=30.82kN由于偏心力矩 Me=Ve1=92.470.1kNm=9.247 kNm 作用，单个高强度螺栓的最大受力：2166.05103N=66.05kNNyMNie262max7014.9在垂直剪力和偏心弯矩共同作用下，一个高强度螺栓受力：NS= 72.89kN =125.55kN(满足要求)kMv 2225.68.3bvN(4)加劲肋与主梁的连接焊缝计算 加劲肋承受剪力 V=92.47kN，偏心力矩Me=Ve2=92.47kN0.151m=13.96kNm。采用焊缝尺寸 hf=6mm，焊缝计算长度仅考虑与主梁腹板连接部分有效，l w=(400-213-216)mm=342mm，则Tv=V/(20.7hflw)=92.47103/(20.76342)N/mm2=32.19 N/mm2M= 83.60 N/mm2226/4