北京某商场多层钢框架结构设计_secret.doc

北京某商场多层钢框架结构设计毕业设计目 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 851、 工程概况、工程名称：北京某商场多层钢框架结构设计、建筑面积：10560平方米、结构型式：钢框架结构、总层数为五层，无地下室、抗震设防烈度8度，近震、建筑场地类，基本风压W0=0.45KN/M2 ，基本雪压 S0=0.4KN/M2 ， 、地面粗糙度B类，属甲类建筑。、层高：首层4.2米，标准层3.6米、钢材等级：Q235、Q345型钢或焊接工字型、基础型式：柱下独立基础、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、建筑物等级：二级、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/m2.3、计算简图取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 933、竖向荷载作用下横向框架的内力计算3.1、分配系数计算123456789101112131415161718192021222324( 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36.84196.27196.2721.3321.334层50.428268.8268.8149.33149.333层50.428268.8268.8149.33149.332层50.428268.8268.8149.33149.331层50.428268.8268.8149.33149.333.3、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：1.73.6=6.1KN 纵梁重：1.38=10.4KN 横梁重：1.54=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3.43.8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147.2147.2-19.50127.7166.7147.24层201.6201.6-20.280181.32221.88201.63层201.6201.6-20.280181.32221.88201.62层201.6201.6-20.280181.32221.88201.61层201.6201.6-20.520181.08222.12201.6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1616-2.12013.8818.12164层112112-11.270100.73123.271123层112112-11.270100.73123.271122层112112-11.270100.73123.271121层112112-11.40100.6123.4112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127.710.46144.1柱底127.710.466.1150.24柱顶181.3210.46347.92柱底181.3210.466.1354.023柱顶181.3210.46551.74柱底181.3210.466.1557.842柱顶181.3210.46755.56柱底181.3210.466.1761.661柱顶181.0810.46959.14柱底181.0810.467.1966.24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166.7147.210.412336.3柱底166.7147.210.4126.1342.44柱顶221.88201.610.412788.28柱底221.88201.610.4126.1794.383柱顶221.88201.610.4121240.26柱底221.88201.610.4126.11246.362柱顶221.88201.610.4121692.24柱底221.88201.610.4126.11698.341柱顶221.12201.610.4122143.46柱底221.12201.610.4127.12150.56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513.8813.8818.121634.124100.73100.73123.27112235.273100.73100.73123.27112235.272100.73100.73123.27112235.271100.6100.6123.4112235.44、 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5979.4979.427.560.03590.824741606.12585.527.560.09380.788831606.14191.627.560.15210.695021606.15797.727.560.21040.542911606.17405.822.270.33250.33254.4、 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53.618.6979.418216.840.22899.5699.5643.6151606.124091.50.30174.09173.6533.611.41606.118309.540.22956.36230.0123.67.81606.112527.580.15738.64268.6514.24.21608.16754.020.08520.92289.57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599.56979.431.344173.651606.182.743230.011606.1134.132268.651606.1185.531289.571608.1236.99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599.560.003613.60.041014173.650.006303.60.037403230.010.008353.60.031102268.650.009753.60.022751289.570.013004.20.01300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5.15.2、 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5.15.3、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yyh(m)柱弯矩柱顶柱底5边柱99.566.08827.5621.990.4321.5545.0834.08中柱7.69127.780.4501.6255.0045.004边柱173.656.08827.5638.360.4821.7371.7366.36中柱7.69148.460.5001.8087.2387.233边柱230.016.08827.5650.810.5001.8091.4691.46中柱7.69164.190.5001.80115.54115.542边柱268.656.08827.5659.340.5001.80106.81106.81中柱7.69174.970.5001.80134.95134.951边柱289.575.15722.2767.050.5732.41120.02161.59中柱5.97977.740.5502.31146.93179.58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845.0827.59.0727.527.56.88-9.072.194层8105.8166.1221.4966.1266.1216.53-30.567.153层8157.82101.3932.4101.39101.3925.35-62.9614.22层8198.27125.2540.44125.25125.2531.31-103.423.331层8226.83140.9445.97140.94140.9435.24-149.3734.066、 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6.16.2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活载地震荷载1.2+1.41.35+0.981.2(+0.5)1.35M-73.54-845.08-99.45-107.12-34.44-151.65V127.713.88-9.07172.67186149.78173.36M-229.57-24.95-27.5-310.41-334.37-326.2-254.7V-166.718.129.07225.41242.8222.7199.12M-215.2-23.3927.5-290.99-313.44-236.52-308.02V147.216-6.88199.04214.4177.3195.18跨中148.0316.08200.15215.6254.66235.6479.28.61107.09115.36168.57182.94M-149.1-82.83105.81-294.88-282.46-91.07-366.17V181.32100.73-21.49358.61343.5250.09305.96M-311.32-172.95-66.12-615.71-589.77-563.31-391.4V221.88123.2721.49438.83420.34368.16312.28M-285.67-158.766.12-564.98-541.18-352.07-523.98V201.6112-16.53398.72381.92287.63330.61跨中177.0698.36350.18335.42394.53360.63117.5365.3232.46222.66290.25324.653M-149.1-82.83157.82-294.88-282.46-23.45-433.78V181.32100.73-32.4358.61343.5235.9320.14M-311.32-172.95-101.39-615.71-589.77-609.16-345.55V221.88123.2732.4438.83420.34382.34298.1M-285.67-158.7101.39-564.98-541.18-306.22-569.83V201.6112-25.35398.72381.92276.17342.08跨中177.0698.36350.18335.42408.61361.95117.5365.3232.46222.66285.94338.72M-149.1-82.83198.27-294.88-282.4629.13-486.37V181.32100.73-40.44358.61343.5225.45330.59M-311.32-172.95-125.25-615.71-589.77-640.18-314.53V221.88123.2740.44438.83420.34392.79287.65M-285.67-158.7-125.25-564.98-541.18-275.2-600.85V201.6112-31.31398.72381.92268.42349.82跨中177.0698.36350.18335.42423.76362.15117.5365.3232.46222.66284.19349.261M-147.38-81.87226.83-291.47-279.268.9-520.86V181.08100.6-45.97358.14343.05217.9337.42M-311.54-173.08-140.94-616.16-590.2-660.92-294.47V222.12123.445.97439.3420.79400.35280.82M-286-158.89140.94-565.65-541.81-255.31-621.76V201.6112-35.24398.72381.92263.31354.93跨中177.9298.85351.89337.07437.54363.09117.265.11231.79222.03282.98356.31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活载地震荷载1.2+1.41.35+0.981.2(+0.5)1.35柱顶M73.548-45.0899.45107.1234.44151.65N144.113.88-9.07192.35208.14169.46193.04柱底M-74.55-41.4134.08-147.43-141.22-70-158.61N150.21.88-9.07199.67216.37176.78200.364柱顶M74.5541.42-71.73147.45141.2321.06207.56N347.92100.73-30.56558.53568.41438.21517.67柱底M-74.55-41.4166.36-147.43-141.22-28.04-200.57N354.02100.73-30.56565.85576.64364.66444.113柱顶M74.5541.42-91.46147.45141.23-4.59233.21N551.74100.73-62.96803.11843.56640.68804.37柱底M-74.55-41.4191.46-147.43-141.224.59-233.2N557.84100.73-62.96810.43851.8648811.692柱顶M74.5541.42-106.81147.45141.23-24.54253.17N755.56100.73-103.41047.691118.72832.691101.53柱底M-75.42-41.9106.81-149.16-142.8823.21-254.5N761.66100.73-103.41055.011126.96840.011108.851柱顶M71.9639.97-120.02142.31136.32-45.69266.36N959.14100.6-149.371291.811393.431017.151405.51柱底M-35.98-19.99161.59-71.16-68.16154.9-265.24N966.24100.6-149.371300.331403.011025.671414.03表6.3 B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活载地震荷载1.2+1.41.35+0.981.2(+0.5)1.35柱顶M-14.37-1.56-55-19.43-20.93-89.6853.32N336.334.122.19451.33487.44426.88421.19柱底M12.827.124525.3524.2878.16-38.84N342.434.122.19458.65495.68434.2428.514柱顶M-12.83-7.13-87.23-25.38-24.31-133.0793.73N788.28235.277.151275.311294.741096.391077.8柱底M12.827.1287.2325.3524.28133.06-93.74N794.38235.277.151282.631302.981103.711085.123柱顶M-12.83-7.13-115.54-25.38-24.31-169.88130.53N1240.26235.2714.21817.691904.921647.931611.01柱底M12.827.12115.5425.3524.28169.86-130.55N1246.36235.2714.21825.011913.151655.251618.332柱顶M-12.83-7.13-134.95-25.38-24.31-195.11155.76N1692.24235.2723.332360.072515.092202.182141.52柱底M12.426.9134.9524.5623.53194.48-156.39N1698.34235.2723.332367.392523.322209.52148.841柱顶M-13.12-7.29-146.93-25.95-24.86-211.13170.89N2143.46235.434.062901.713124.362757.672669.11柱底M6.563.65179.5812.9812.43243.52-223.39N2150.56235.434.062910.233133.952766.192677.637、 构件验算7.1、框架梁验算最不利内力的组合: 无震时: 有震时: (1) 梁的抗弯强度梁的抗弯强度应满足 无震时 有震时 (2) 梁的抗剪强度梁的抗剪强度应满足 无震时 有震时(3) 梁的宽厚比验算翼缘部分: 满足要求腹板部分: 满足要求(4) 梁的整体稳定 故不需计算整体稳定性(5) 梁的挠度验算 满足要求7.2、 框架柱验算（1）、柱的计算长度 边柱以底层柱为例: 上端梁线刚度和 柱线刚度 则系数 柱下端与基础为刚接,则 由、可查得:柱计算长度系数为,则此柱计算长度为 中柱以底层柱为例: 上端梁线刚度和 柱线刚度 则系数 柱下端与基础为刚接,则 由、可查得:柱计算长度系数为,则此柱计算长度为 （2）、A、C柱截面验算最不利内力的组合: 无震时: 有震时: 1）、强度验算 无震时有震时2)、平面内稳定验算 查表(b类截面)得稳定系数:欧拉力: 等效弯矩系数,截面塑性发展系数,则无震时 有震时 3)、平面外稳定验算 面外等效弯矩系数:,查表(c类截面)得,则无震时 有震时 4)、局部稳定验算翼缘部分: 满足要求腹板部分:应力梯度 满足要求长细比: （3）、B柱截面验算最不利内力的组合: 无震时: 有震时: 1）、强度验算 无震时有震时2)、平面内稳定验算 查表(b类截面)得稳定系数:欧拉力: 等效弯矩系数,截面塑性发展系数,则无震时 有震时 3)、平面外稳定验算 面外等效弯矩系数:,查表(c类截面)得,则无震时 有震时 4)、局部稳定验算翼缘部分: 满足要求腹板部分: 满足要求长细比: 8、 节点域设计8.1、 节点域稳定性验算按7度及以上抗震设防的结构,工字型截面柱腹板在节点域范围的稳定性应符合 柱在节点域的腹板厚度:梁腹板高度:柱腹板高度:满足工字型截面柱腹板在节点域范围的稳定性.8.2、 节点域抗剪强度验算(1) 节点域体积 (2) 抗剪强度验算以底层边柱A节点(无震时)为例 合格(3) 屈服承载力验算以边柱节点域为例 不合格 将柱腹板在节点域范围内更换为厚度为22mm9、 节点设计9.1、 梁柱连接节点设计梁柱连接为刚性连接,梁翼缘与柱采用完全焊透的坡口对接焊缝连接,梁腹板与柱采用单连接板由M24的10.9级高强度螺栓摩擦型连接,摩擦面采用喷砂处理.孔径,预应力设计值,抗滑移系数,.焊条采用E43型,二级焊缝,以底层AB梁和底层B柱连接节点为例,有震时内力:,梁柱的连接如图所示主梁与柱连接节点图(1) 螺栓布置及计算按螺栓布置要求，螺栓至连接板端部，取60mm。c至少取（20为安装缝隙），取., 。设螺栓每排数目；螺栓间距（满足要求）(2) 梁翼缘完全焊透的对接焊缝强度 可以(3) 梁腹板与柱之间的高强度螺栓连接计算梁翼缘的塑性截面模量故梁腹板与柱的连接螺栓可采用单排，节点可采用常用设计法计算。根据剪力确定高强度螺栓数目：每个高强螺栓的承载力设计值 根据梁腹板净截面面积抗剪承载力的50%确定高强度螺栓数目： 由以上计算可知，高强度螺栓数目满足要求。（4）连接腹板厚度确定连接板净截面与梁腹板净截面相等计算t根据螺栓间距最大要求确定连接板厚度t综合以上数值，取连接板的厚度为（5）连接板的抗剪强度验算螺栓连接处的连接板净截面面积（6）连接板与柱相连的双面角焊缝抗剪强度：按构造要求：双面角焊缝焊角尺寸取,则有效焊缝长度：双面角焊缝抗剪强度验算：满足要求（7）节点抗震极限承载力验算极限受弯承载力可以极限受剪承载力腹板净截面面积的极限受剪承载力腹板连接板净截面面积的极限受剪承载力腹板连接高强度螺栓的极限受剪承载力 可以 可以梁柱连接合格9.2、 主次梁连接节点设计主次梁连接为铰接连接。腹板连接采用M20高强螺栓，摩擦面采用喷砂处理，预应力设计