五层钢结构本科毕业设计计算书(2016毕业).doc

五层钢结构本科毕业设计计算书摘要本文为宣化县某教学楼建筑结构设计计算说明书。该建筑层数5层，层高3.3m，建筑总面积5346，结构体系为无支撑钢框架体系，结构安全等级三级，设计使用年限50年。设计基本加速度0.15g，建筑场地类别类，设计地震分组第二组。设计分为建筑设计和结构设计两部分。计算书包括结构布置，截面初选，计算简图，荷载计算，内力计算，内力组合，截面验算，节点设计，楼梯设计，雨篷设计，次要构件设计和基础设计。该结构采用纵向框架承重体系，选取第4榀框架为代表框架进行计算。钢材为Q235B，框架柱选用焊接箱型截面，框架梁选用窄翼缘轧制H型钢，楼板选用非组合楼板，选用YXB42-215-645（B）压型钢板，梁柱节点采用栓焊连接，基础采用柱下独立基础和柱下联合基础。关键词：钢框架，结构设计，教学楼设计。AbstractThis article focuses on a university for xuanhuaxian teaching building structure design. The building layers 5 floor, the height of 3.3 m, total construction area of5346, structure system of no support for steel frame, seismic rating of , designed durable years of 50 years. The design basic acceleration is 0.15g.Class II of building site classification. The design earthquake group is second. The design includes architectural design and structural design.The calculation includes structural arrangement, sectional primaries, calculation diagram, load calculation, calculation of internal forces, internal force combination, section checkup， node design, staircase design, awning design, Secondary Component Design and foundation design.The structure use longitudinal frame load .It is a representative for calculating 4 cross. The brand of steel is Q235B. Frame column adopts welded box section. Frame beam adopts rolling h-beam. Floor adopts pressed steel plate YXB-42-215-645(B). Beam-column joints adopts bolt-weld joint. The foundation adopts Independent and joint basis.Key words: steel frame, structural design, teaching building design引言近年来，钢结构在中国得到了广泛的应用和快速发展，大量钢结构新材料、新技术新工艺得到推广使用，已建成世界上规模最大、难度最高的多项钢结构工程，钢结构已成为建筑业发展的主要方向，展现出良好的发展前景。 然而，我国钢结构人才培养的现状与钢结构行业的蓬勃发展的要求还不相适应，不仅培养的人才数量不够，更重要的是培养的人才不能很好满足钢结构行业快速发展对人才实践能力和创新能力的要求。本科毕业设计是对四年专业知识的考核，是一次实践深化的过程，更是将来走上社会工作岗位的一次练兵。我们必须严谨对待，毕业设计参考最新规范，尽量做到每个计算步骤都有理有据，让毕业设计作品经得起考验，甚至可以直接施工。毕业设计在老师的指导下，循序渐进，在失败中改进优化，经过反复的计算，让建筑实现安全经济适用的目标。在设计中不断创新，增强本领，走向工作岗位做一个合格的土木工程师。第一章 结构设计方案概述要求：宣化县某大学钢框架教学楼建筑结构设计，已知工程概况如下：本建筑为某大学钢框架教学楼，位于甘肃省宣化县。共5层，为教学用房，总建筑面积：5346，层高3.3m。满足防火要求设两个双跑楼梯。墙体采用加气砼砌块，室内地面采用T910地砖。屋面为不上人屋面，采用合成高分子卷材防水，水泥聚苯保温板保温。结构形式为钢框架体系。设计基准期50年，雪荷载0.15。抗震设防烈度为7度，设计基本加速度为0.15，设计地震分组为第一组。地形地貌：建筑场地内地势基本平坦，勘察期间场地内地面相对高程120.17120.39m，相对高差0.22m。地层岩性：勘察场地属冲洪积平原，地层组成受当时古地理、古气候环境的影响，根据沉积物成因类型及岩性特点，将勘察深度内的第四纪地层划分为五层，各层分别描述如下：第层耕土：褐色、松散状态，主要成分为粉土，是第四纪人类活动堆积物，地表有新近一年堆积物的厚度为0.20.5m的杂填土。第层粉土：约在2.5m以上为褐色，以下为黄色，稍湿湿，中密密实状态，上部含有砂砾，含有粉质粘土、粉细砂透镜体。层厚0.5m，平均厚度0.7m，承载力特征值。第粉砂：黄色，湿饱和，稍密状态，局部含有粉土薄层透镜体状分布。层厚1.2m，平均厚度0.8m，承载力特征值。第1层粉土：黄色，湿饱和，中密密实状态，呈透镜体状分布，仅在ZK5中存在。厚度1.02m，承载力特征值。第层砾砂：黄色，饱和，松散稍密状态，局部含有少量卵石和薄层角砾透镜体。层厚度4.01m，平均厚度0.6m，承载力特征值。1.1设计依据 土木（建工）2016届毕业设计任务书（20110113） 民用建筑设计通则（GB503522005）建筑设计防火规范（GB50016-2006)建筑抗震设计规范（GB50011-2010）建筑结构荷载规范（GB50009-2012）钢结构设计规范(GB500172003)混凝土结构设计规范（GB500102010）钢结构焊接规范(GB50661-2011)热轧H型钢和部分T型梁（GB/T11263）地基基础设计规范(GB500072002)钢结构制图深度和表示方法（03G102）多、高层民用建筑钢结构节点构造详图（01SJ519）1.2设计说明1.2.1屋面（不上人屋面）细砂保护层高分子防水卷材一道20mm厚1:3水泥砂浆找平层 30mm厚膨胀珍珠岩找2%坡120mm厚水泥聚苯保温板110mm厚压型钢板YX-B42-215-645(B)及混凝土板V型轻钢龙骨吊顶1.2.2楼面：3mm厚T910地砖30mm1：3干硬性水泥沙浆找平层110mm厚压型钢板YX-B42-215-645(B)及混凝土板V型轻钢龙骨吊顶1.2.3门窗本工程采用实木门和断桥铝合金真空双层玻璃窗1.2.4墙体外墙做法为： 300mm厚加气砼 50mm厚挤塑板保温层 20mm厚双面抹灰内墙做法为： 200mm厚加气砼 20mm厚双面抹灰女儿墙做法为：120mm厚加气砼 20mm厚双面抹灰1.3结构形式采用无支撑钢框架体系结构。框架梁及次梁采用窄翼缘热轧H型钢，柱均用焊接箱型截面柱，梁柱节点采用刚接。楼板采用110mm厚压型钢板YX-B42-215-645(B)钢筋混凝土组合楼盖体系。楼梯为现浇混凝土板式楼梯。基础采用柱下扩展基础和柱下联合基础。根据地基勘测报告，选取第四层砾砂作为持力层，基础埋深3.5.m。采用插入式柱脚，柱脚顶部标高-0.2m，因此一层结构层高为3.5m。1.4 材料选用所有构件及零件均采用Q235B；组合楼板混凝土强度等级C25，基础混凝土强度等级C30，钢筋为HRB400级，焊条采用E43和E50两种型号。1.5主要参数及结构计算方法该建筑抗震设防类别为丙类，地震作用及抗震措施均按设防烈度考虑。具体计算方法如下：采用底部剪力法计算水平地震作用；采用修正反弯点法（D值法）计算水平地震作用下的框架内力；采用弯矩二次分配法，计算竖向荷载作用下框架内第二章 结构布置及截面初选采用钢框架结构。连接方式采用焊缝，螺栓连接。框架梁及次梁采用窄翼缘热轧H型钢，柱采用焊接箱型截面柱，楼板采用110mm厚压型钢板YX-B42-215-645(B)钢筋混凝土组合楼盖体系，楼梯板和平台板采用钢筋混凝土楼板，基础采用柱下独立基础。2.1 计算单元确定选取具有代表性的4轴线的框架进行计算，如图 2.1.1 图 2.1.12.2结构构件截面初选2.2.1梁截面按跨高比初估：框架主梁高h=(1/101/15)L，取h=1/12L=1/12x6.90.6m=600mm 取主梁高h=600mm 主梁的宽 b=1/3h=600/3=200mm 取次梁宽b=200mm 查型钢表选用HN600x200x11x17 次梁的高 h=(1/121/18)L，取h=1/15L=1/15x6.9=0.46m 取次梁的高h=450mm 次梁的宽b=1/3h=450/3=150mm 取次梁的高h=150mm查型钢表选用HN450x200x9x14。图2.22.2.2柱截面按中柱初估： 初步选柱子截面500mm500mm.(图需要换)图2.32.2.3压型钢板选用YXB42215645（B），板厚11mm，有效截面惯性矩33.88cm4/m,有效截面抵抗矩11.11cm3/m，自重0.119。2.2.4结构构件初选截面参数结构构件初选截面参数 表2.1项目截面尺寸构件截面特性重量(mm(mm(mmA()()（）(cm)(cm)MkN/m框架柱5005002038414771214771241.9341.932.95框架梁60020017131.7173749227323.664.151.01横向次梁4502001495.4331973187018.304.430.73第三章 框架梁柱刚度计算3.1 层间侧移刚度计算3.1.1梁线刚度计算钢材的弹性模量2.06x108KN/m2 框架梁线刚度 表3.1梁编号截面尺寸（mmmm）跨度（m）AB(CD)惯性矩=(cm4)（边框架）BC惯性矩=(cm4)（中框架）（kNm）（边框架）（kNm）（中框架）LAB(CD)6002006.9880801101002.63.3LBC6002002.7880801101006.78.43.1.2柱线刚度计算柱的线刚度公式 （底层柱），（2-5层柱）框架柱线刚度 表3.2层柱高h(m)轴柱子线刚度（kNm）5 3.38.343.38.33 3.38.32 3.38.31 3.58.7图3.1 边框架梁柱线刚度图（）图3.2 中框架梁柱线刚度图（）3.1.3柱侧移刚度计算一般层：= 首 层：= 框架柱的值 表3.3层柱子类别(m)抗侧刚度(104KNm修正系数修正系数(104 KN/m)(104 KN/m)25中框架中柱(16根)3.323.41.40.413.7103边柱(16根)3.36.60.40.171.6边框架中柱(4根)3.318.61.120.363.3边柱(4根)3.35.20.310.131.21中框架中柱(16根)3.511.71.340.43.4106边柱(16根)3.53.30.40.17 1.4边框架中柱(4根)3.59.31.10.524.4边柱(4根)3.52.60.30.353.0注：与楼梯相邻处的框架梁应按边框架梁计算，此处简化计算按中框架考虑。第四章 荷载计算4.1屋面均布荷载(不上人屋面)4.1.1恒载 细砂保护层 (较轻不计)高分子防水卷材一道 (较轻不计)20mm厚1:3水泥砂浆找平 0.0220=0.4 20mm厚膨胀珍珠岩 0.0215=0.3 120mm厚水泥聚苯保温板 0.120.196=0.024110mm厚压型钢板YXB42215645（B）及混凝土板 0.1126+0.119=2.981 V型轻钢龙骨吊顶 0.25kN/m2 合 计 3.9544.2.2 活载：不上人屋面 0.5 雪载 0.15重力荷载代表值计算时取雪荷载。竖向荷载作用下结构分析时活荷载和雪荷载不同时考虑，取二者较大值考虑。4.2楼面均布荷载：4.2.1恒载： 3mm厚T910地砖 19.80.003=0.06 30mm厚水泥砂浆找平层 0.0320=0.6110mm厚压型钢板YXB42215645（B）及混凝土板 0.1126+0.119=2.981V型轻钢龙骨吊顶 0.25合 计 3.894.2.2活载： 楼面活荷载 2.5走廊、楼梯的活荷载 3.54.2.3楼梯折算成250mm厚混凝土板 0.2526=6.54.3构件自重4.3.1 柱框架柱 2.95kN/m 4.3.2梁 框架梁 1.01kN/m 横向次梁 0.64kN/m 4.3.3墙体 （1）外墙300 mm厚加气砼 0.36=1.8 50mm厚挤塑板保温层 0.050.5=0.025kN/m2 20mm厚双面抹灰 200.04=0.8 合计 2.625（2）内墙 200 mm厚加气砼 0.26=1.2 20mm厚双面1：3水泥砂浆抹灰 200.022=0.8合 计 2.0 （3）女儿墙120 mm厚加气砼，高900mm. 0.126=0.7220mm厚双面1：3水泥砂浆抹灰 200.022=0.8合计 1.52 （4）楼梯折算成250mm厚混凝土板 0.2526=6.54.4重力荷载代表值计算 根据建筑抗震设计规范GB50011-2010中第5.1.3条，顶层重力荷载代表值包括：屋面及女儿墙自重，50%屋面雪荷载，纵横梁自重，半层柱自重，半层墙自重。其他层荷载代表值包括：楼面恒荷载，50%的楼面均布活荷载，纵横梁自重，楼面上下个半层的柱及墙体自重。（雪荷载取0.15KN/m）A. 屋盖GnA）女儿墙 g1=1.52x0.9x(81.9/16.8+65.1)x2=112.04KNB）屋面荷载 g2=(3.954+0.15x50%)16.8x65.1=4406.44KNC）纵横梁 纵向梁 1.01x65.1x4=263KN横向梁 1.01x10x16.8+0.64x13.9x9=249.74KNg3=263+249.74=512.74KND）半层高外墙恒载 g4=2.625x3.3/2x(65.1x70%x2+16.8x2)=540.28KNE）半层高内墙恒载 g5=2x3.3/2x(65.1x2x85%+6.9x14)=683.99KNF）半层柱自重 g6=2.95x3.3/2x40=194.7KN合计 Gn=6450.19B 楼面重力GiA ）楼梯折算 把楼梯简化为250mm厚混凝土板 g7=(0.25x26+2.5x50%)x3.3x4.42x2=226.08KNB)楼面荷载g8=(3.89+2.5x50%)x(16.8x65.1-2.7x65.1-3.6x6.9x2)+(3.88+3.5x50%)x(2.7x65.1+3.6x6.9x2)/225.45=5723.3KNC)纵横梁 g9= g3=512.74KND)上下半层高外墙恒载（2-4层） g10=2g4=1080.56KN 1层层高为3.5m g10,1=2.625x(3.5/2+3.3/2)x(65.1x2x70%+16.8x2)=1113.3KNE)上下半层高内墙恒载 g11=2g5=1367.98KN g11,1=(3.5/2+3.3/2)/(3.3/2)xg5=1409.43KNF)上下半层高柱自重 g12=2g6=389.4KNg12,1=(3.5/2+3.3/2)/(3.3/2)x g6=401.2KNg1=9386.05KN g2-4=9300.06KN g5=6450.19KN房屋总重力荷载代表值：43736 kN图4.1 重力荷载分布图4.5地震作用计算4.5.1 结构自振周期计算将各层重力荷载代表值集中在相应楼层处作为假想水平荷载计算整体框架的顶点位移。考虑非结构构件的影响取。结构自振周期 表4.1层数(kN)(kN)(104 KN/m)（m）（m）5645064501030.00630.120549300157501030.01530.114239300250501030.02430.098929300343501030.03330.074619386437361030.04130.0413考虑非结构构件影响取=0.9 4.5.2水平地震作用分析（1）采用底部剪力法计算水平地震作用设防烈度7度，设计基本加速度值为0.15g，设计地震分组第二组，则；类场地，阻尼比；=0.53s2.0s=0.10（2）结构总水平地震作用:结构等效荷载取重力荷载代表值的85%：水平地震作用标准值为：0.137175.53717.6kN=0.53s1.4=1.40.4 =0.56s，所以不需要考虑顶部附加水平地震作用。（3）各层水平地震作用标准值及楼层地震剪力结构所在层楼板的计算高度。楼层地震剪力： (1ij5)楼层地震剪力计算 表4.2层(m)(m)(kN)(KNm)(kN)(kN)(kN)(kN)53.316.764501077150.263717.6_966.6966.643.313.493001246200.30_1115.32081.933.310.19300939300.22817.92899.823.36.89300632400.15557.63457.413.53.59386328510.08297.43754.8图4.2 楼层地震作用及剪力（单位：kN）（4）楼层地震剪力调整按抗震规范规定：各楼层地震剪力。7度设防，设计地震加速度0.15g，剪力系数具体计算如表4.3所示：楼层地震剪力调整 表4.3层(kN)(kN)(kN)(kN)备注5966.664506450154.8满足42081.9930015750378满足32899.9930025050601.2满足23457.4930034350824.4满足13754.89386437361049.7满足由以上计算可知各楼层地震剪力均满足要求。（5）楼层地震剪力作用下横向框架侧移楼层地震剪力作用下横向框架侧移等于层间剪力除以楼层侧移刚度，计算如表4.4：地震剪力作用下横向框架侧移 表4.4层（m）(KN)(104 KN/m)层间相对转角备注53.3966.61030.0009均小于满足43.32081.91030.002033.32899.81030.002823.33457.41030.003413.53754.81060.0035 第五章 内力计算5.1水平地震作用下框架内力计算（采用D值法）取轴横向框架计算。5.1.1框架柱的反弯点高度计算反弯点到柱下端结点的距离，即反弯点高度。标准反弯点高度比。上下横粱线刚度比对标准反弯点高度比的修正系数。上层层高变化修正系数。下层层高变化修正系数。根据框架总层数、该柱所在层数和梁柱线刚度比查表得。边柱（中框架A柱、D轴柱）的反弯点高度比 表5.1层(m)53.30.40.250000.2543.30.40.350000.3533.30.40.400000.4023.30.40.500000.5013.50.40.750000.75中柱（中框架B柱、C轴柱）的反弯点高度比 表5.2 层 (m)53.31.410.370000.3743.31.410.420000.4233.31.410.470000.4723.31.410.500000.5013.51.340.610000.615.1.2框架柱端弯矩计算（1）第层第k根柱所受的剪力： =（2）第层第k根柱下端弯矩：（3）第层第k根柱上端弯矩：具体计算过程见表5.3，表5.4边柱（A、D轴）柱端弯矩 表5.3层H(m)(kN/m)(kN/m)(kN)(kN)（）()53.3 1031.6966.6150.2537.112.443.31031.62081.9320.3568.63733.31031.62899.8450.4089.159.423.31031.63457.4540.5089.189.113.51061.43754.8510.7544.6133.9中柱（B、C轴）柱端弯矩 表5.4层H(m)(kN/m)(kN/m)(kN)(kN)（）()53.31033.7966.6350.3772.842.743.31033.72081.9750.42143.610433.31033.72899.81040.47181.9161.323.31033.73457.41240.50204.6204.613.51063.43754.81200.61163.8256.25.1.3框架梁端弯矩、剪力及框架柱轴力计算梁端弯矩可按节点弯矩平衡条件，将节点上下柱端弯矩之和按左右梁得线刚度比例分配。梁端剪力为梁端弯矩之和除以梁长度。边柱轴力为各层梁端剪力按层叠加，中柱轴力为柱俩侧梁端剪力之差，亦按层叠加。 = = 横向框架梁端弯矩、剪力及框架柱轴力 表5.5层数AB跨BC跨柱轴力V（kN）V（kN）537.120.58.352.352.338.78.330.448152.519.3133.8133.89927.679.73126.180.630205.3205.3152.157.6122.12148.5103.236.5262.7262.7194.694.1158.11133.7103.934.4264.5264.5195.9128.5161.5由于结构对称，故CD跨框架梁与AB跨相同。（柱受压为正，受拉为负）由于本结构的自振周期=0.53s1.5s，故柱轴力不予修正。5.1.4地震作用下框架内力图图5.1 地震作用下横向框架弯矩图（单位：kNm）图5.2 地震作用下横向框架梁端剪力及轴力图（单位：kN）5.2竖向荷载作用下框架结构内力横向框架在竖向荷载作用下的内力分析采用弯矩二次分配法。弯矩二次分配法是一种近似计算方法，即将各节点的不平衡弯矩同时作分配和传递，分配两次传递一次。图5.1.1计算单元格均布荷载： 1屋顶：屋面+框架梁 2楼面：楼面+框架梁+内墙集中荷载： 1屋顶：屋面+次梁+框架梁+女儿墙 2楼面：楼面+次梁+框架梁+柱+外墙5.2.1恒载作用下计算简图及活荷载作用下计算简图图5.3 恒荷载作用下计算简图图5.4 活荷载作用下计算简图5.2.2竖向荷载作用下梁固端弯矩计算竖向荷载作用下梁固端弯矩计算见表5.6 竖向荷载作用下梁固端弯矩计算 表5.6层号作用固端弯矩（kNm）恒载（kN/m）活载(kN/m)恒载作用活载作用均布力均布力AB跨BA跨BC跨CB跨AB跨BA跨BC跨CB跨515.231.8-60.460.4-9.39.3-7.1-7.1-1.1-1.1420.419-8181-12.412.4-35.7-35.7-5.5-5.5320.419-8181-12.412.4-35.7-35.7-5.5-5.5220.419-8181-12.4-12.4-35.7-35.7-5.5-5.5120.419-8181-12.4-12.4-35.7-35.7-5.5-5.55.2.3梁、柱分配系数计算对称结构荷载对称可以取一半结构进行内力计算，走廊处梁长度为原来的一半，故线刚度为原来2倍。固定转动刚度，滑动端转动刚度。梁柱线刚度如图5.5，梁柱分配系数见表5.7图5.5 梁柱线刚度图（）梁柱分配系数 表5.7层号A柱（上）A柱（下）AB梁BA梁B柱（上）B柱（下）BC梁500.7160.2840.20900.5250.26740.4170.4170.1660.1370.3440.3440.17430.4170.4170.1660.1370.3440.3440.17420. 4170.4170.1660.1370.3440.3440.17410.4170.4170.16660.1370.3440.3440.1745.2.3竖向荷载作用下框架弯矩计算恒载作用下的弯矩二次分配上柱下柱右梁左梁上柱下柱右梁0.7160.2840.2090.5250.267五层下数值为结点力偶下值为梁端弯矩下数值为结点力偶-60.4060.40-9.3043.2517.15-10.68-26.83-13.6413.6416.89-5.348.58-11.806.82-6.82-8.27-3.28-0.75-1.89-0.960.9651.87-51.8757.54-40.52-17.0817.080.4170.4170.1660.1370.3440.3440.174四层下数值为结点力偶下值为梁端弯矩下数值为结点力偶-81.0081.00-12.4033.7833.7813.45-9.40-23.60-23.60-11.9411.9423.6021.6216.89-4.706.72-13.41-11.805.97-5.9713.41-14.10-14.10-5.611.724.314.312.18-2.18-4.3141.3036.57-77.8780.04-32.70-31.09-16.1916.1932.700.4170.4170.1660.1370.3440.3440.174三层下数值为结点力偶下值为梁端弯矩下数值为结点力偶-81.0081.00-12.4033.7833.7813.45-9.40-23.60-23.60-11.9411.9423.6016.8916.89-4.706.72-11.80-11.805.97-5.9711.80-12.13-12.13-4.831.493.753.751.90-1.90-3.7538.5438.54-77.0879.82-31.65-31.65-16.4716.4731.650.4170.4170.1660.1370.3440.3440.174二层下数值为结点力偶下值为梁端弯矩下数值为结点力偶-81.0081.00-12.40033.7833.7813.45-9.40-23.60-23.60-11.9411.9423.6016.8916.89-4.706.72-11.80-11.805.97-5.9711.80-12.13-12.13-4.831.493.753.751.90-1.90-3.7538.5438.54-77.0879.82-31.65-31.65-16.4716.4731.650.4170.4170.1660.1370.3440.3440.174一层下数值为结点力偶下值为梁端弯矩下数值为结点力偶-81.0081.00-12.4033.7833.7813.45-9.40-23.60-23.60-11.9411.9423.6016.89-4.706.72-11.805.97-5.9711.80-5.08-5.08-2.02-0.12-0.31-0.31-0.160.160.3145.5828.69-74.2878.20-35.70-23.91-18.5218.5235.70图5.6 恒载作用下弯矩分配图（单位：kNm）活荷载作用下弯矩二次分配上柱下柱右梁左梁上柱下柱右梁左梁上柱0.7160.2840.2090.5250.2670.267五层下数值为结点力偶下值为梁端弯矩下数值为结点力偶-7.107.10-1.101.15.082.02-1.25-3.15-1.601.607.44-0.631.01-5.190.80-0.80-4.88-1.940.711.780.90-0.907.65-7.657.56-6.57-1.001.000.4170.4170.1660.1370.3440.3440.1740.1740.344四层下数值为结点力偶下值为梁端弯矩下数值为结点力偶-35.7035.70-5.505.5014.8914.89