十二层钢框架-钢板剪力墙结构住宅的抗震结构设计毕业设计论文.doc

十二层钢框架-钢板剪力墙结构住宅的抗震结构设计毕业设计论文第一章 绪 论1.1 工程背景本项目为12层钢框架-钢板剪力墙结构住宅抗震设计，占地面积约为854.43 m2，总建筑面积约为11107.59 m2；各层层高均为3.6m,平面尺寸为11.4m74.95m。采用条形基础，室内地坪为0.000m，室外内高差0.6m。框架梁、柱为钢结构、楼面、屋面板均为现浇组合楼板。1.1.1设计资料气象资料基本风荷载=0.4kN/ m2；基本雪荷载为0.25 kN/ m2。地震设防烈度8度抗震等级为三级 设计地震分组为第一组场地为类 （s）=0.4s （表3.4，3.5工程结构抗震设计）1.1.2材料梁柱采用Q345钢材。楼板采用处C20混凝土和YX-70-200-600型钢。基础采用C20混凝土，纵筋采用HRB350，箍筋采用HPB235。1.2 工程特点本工程为12层钢框架-钢板剪力墙结构住宅抗震设计，主体高度为43.5m，属高层建筑。在高层建筑中，抵抗水平力成为确定和设计结构体系的关键问题。框架-剪力墙结构也称框剪结构，这种结构是在框架结构中布置一定数量的剪力墙，构成灵活自由的使用空间，满足不同建筑功能的要求，同样又有足够的剪力墙，有相当大的刚度，框剪结构的受力特点，是由框架和剪力墙结构两种不同的抗侧力结构组成的新的受力形式，所以它的框架不同于纯框架结构中的框架，剪力墙在框剪结构中也不同于剪力墙结构中的剪力墙。1.3 本章小结本章主要论述了本次设计的工程概况、相关的设计资料、高层建筑的一些特点以及综合本次设计所确定的结构体系类型。第二章 结构设计2.1 框架结构设计计算2.1.1工程概况本项目为12层钢框架-钢板剪力墙结构住宅抗震设计，占地面积约为854.43 m2，总建筑面积约为 11107.59 m2；各层层高均为3.6m,平面尺寸为11.4m74.95m。采用条形基础，室内地坪为0.000m，室外内高差0.6m。框架梁柱钢结构，屋面及楼面100mm厚的组合楼板。2.1.2设计资料气象条件:基本风荷载W。=0.4kN/ m2;基本雪荷载为0.25 kN/ m2。工程地质条件：场地位类一组（s）=0.4s （表3.4，3.5工程结构抗震设计）屋面及楼面做法：屋面做法：三毡四油铺小石子，20mm厚1：2水泥砂浆找平，40mm厚（2%找坡）水泥石灰焦渣砂浆，150mm高度组合楼板。 楼面做法：20mm厚水泥砂浆抹面，100mm厚的组合楼板结构层。2.1.3梁柱截面、梁跨度及柱高度的确定按照建筑设计确定的轴线尺寸和结构布置的原则进行结构布置，在电梯井、楼梯间以及B轴布置剪力墙，标准层结构布置平面图如图2-1所示。图2-1标准层结构布置平面图构件截面尺寸梁柱截面尺寸及其截面几何特性如图2-2、2-3和表2-1所示。 图2-2 柱截面示意图图2-3 梁截面示意图各构件的截面尺寸初估如下：表2-1 截面特性表 项目梁截面尺寸/mm截面面积A/mm2Ix/108mm4自重g/（N/m)Hbthwtw地下一层400 4002135813219506.691720 (1-6层）400 4002135813219506.691720(7-12层）340250142849101502.17797项目柱截面尺寸/mm截面面积A/mm2Ix/108mm4自重g/（N/m)HBUDTF地下一层50050020202020196007.851538.6 (1-6层）50050020202020196007.851538.6(7-12层）40040020202020156003.961224.6梁的计算跨度框架梁的计算跨度以柱形心为准，由于建筑轴线与柱轴线重合，故计算跨度如下：图2-4 梁的计算跨度柱高度底层柱 h=3.6+1.1=4.7m（1.1m为预估计地下室室内地面至柱脚底板底面的高度）其他层 h=3.6m图2-5 横向框架计算简图2.2 计算简图2.2.1 荷载计算屋盖楼盖重力荷载代表值Gi计算屋面均布恒载三毡四油铺小石子 0.4 kN/ m220mm厚1：2水泥砂浆找平 0.02 20=0.4 kN/ m240mm厚（2%找坡）水泥石灰焦渣砂浆 0.0414=0.56 kN/ m2100mm厚组合楼板 0.125=2.5 kN/ m2压型钢板 0.19kN/m2装饰层 0.3共计 4.35 kN/ m2女儿墙的重量（浆砌体普通砖）：(11.4+74.95)20.240.618=447.64KN屋面恒载标准值为：（74.95+0.24）（11.4+0.24）4.35+447.64=4254.8kN楼面均布恒载：按楼面做法逐项计算20厚水泥砂浆找平 0.02020=0.04 kN/ m2压型钢板混凝土组合楼板 2.53kN/m2压型钢板 0.19 kN/ m2共计 2.8 kN/ m2楼面恒载标准值为：（74.95+0.24）（11.4+0.24）2.8=2451kN屋面均布活载计算重力荷载代表值时，仅考虑屋面雪荷载：0.25（74.95+0.24）（11.4+0.24）=219kN楼面均布活荷载住宅楼的楼面均布活荷载为2.0kN/。楼面均布活荷载标准值为：2（74.95+0.24）（11.4+0.24）=1750kN梁、柱自重见表2-1剪力墙的自重：每层每片剪力墙自重为剪力墙体积与材料单位体积自重的乘积。 78.53.60.2=56.52kN/m墙体自重外墙墙厚240mm，采用瓷砖贴面；内墙墙厚240mm，采用水泥砂浆抹面，内外墙均采用粉煤灰空心砌块砌筑。单位面积外墙体重量为：7.00.24=1.68kN/ m2 单位面积外墙贴面重量为：0.5kN/ m2单位面积内墙体重量为：7.00.24=1.68kN/ m2单位面积内墙贴面重量为（双面抹面）：0.362=0.72kN/ m2荷载总汇顶层重力荷载代表值包括屋面恒载+50%屋面雪载+纵横梁自重+半层柱自重+半层墙体自重。顶层恒载：4255kN顶层活载：219kN顶层梁自重：290kN顶层柱自重：1224.6423.6N=186kN顶层墙自重：6182.16+344+712.5=7239kN=+1/2+1/2+1/2=8366kN其他层重力荷载代表值包括楼面恒载+50%楼面活载+纵横梁自重+楼面上下各半层的柱及纵横墙体自重。=2450.6+0.51467.94+289.7+185.13+7238.66=10898kN=10898kN =2450.6+0.51467.94+625.185+232.636+7238.66=11281kN=2450.6+0.51467.94+625.185+268.178+7238.66=11317kN=2450.6+0.51467.94+584.937+0.5303.72+0.54626.656=6235kN门窗荷载计算M-1采用钢框门，单位面积钢框门重量为0.4kN/m2M-2采用木门，单位面积木门重量为0.2kN/m2C-1、C-2、C-3采用铝合金玻璃窗，单位面积重量为0.45kN/m2 表2-2 门窗重量计算层号门窗号单位面积（m2）数量重量(kN)地上1-12层M-11.22.166.04886.562M-20.92.1249.072C-132.11851.03C-21.82.1915.309C-30.92.165.103地上1-12层底层墙体实际重量：=11403kN=11368kN=10985kN=8452kN建筑物总重力荷载代表值137851kN 图2-6 各层简化集中力（kN）2.2.2 总框架的刚度图2-7 框架剪力墙布置图总框架的抗推刚度 （21） 式中 总框架第j层的抗推刚度：=； 第j层层高； n框架总层数； mj层框架柱总数； H结构总高度； 框架j层第i根柱的抗推刚度，=,。梁线刚度: 钢框架结构中，考虑现浇钢筋混凝土楼板与钢梁的共同作用，在计算线刚度时，对边框架梁取=1.2E。-16层梁线刚度： =6.69108 mm4 ，kb=1.2E=1.22061036.69108/5700=2.9104（kNm）712层梁线刚度： =2.17108 mm4 ，kb=1.2E=1.22061032.17108/5700=0.94104（kNm）地下1层柱线刚度: =7.85108 mm4 ，Kc=E=1.22061037.85108/4700=4.1104（kNm）16层柱线刚度: =7.85108 mm4 ，Kc=E=1.22061037.85108/3600=5.4104（kNm） 712层柱线刚度： =3.96108 mm4 ，Kc=E=1.22061033.96108/3600=2.7104（kNm） 表2-3 横向框架柱的抗侧刚度D值计算 项 目柱类型层根数地下一层边柱=0.7070.4469933.5422中柱=1.3180.54812205.3411352796.621-6层边柱=0.5370.2121060022中柱=1.0740.34917450114251507层边柱=0.7110.262655022中柱=1.4220.41610400112585008-12层边柱=0.3480.148370022中柱=0.6960.258645011152350横向楼层总抗推刚度：地下一层：=352796.624.7=1658144.144kN/mm1-6层：=4251503.6=1530540kN/mm7层:=2585003.6=960600kN/mm8-12层：=1523503.6=548460kN/mm总框架抗推刚度： =（1658144.1444.7+153054063.6+9606003.6+54846053.6）=1131177kN/mm=47.9=2.482.2.3横向水平地震作用由于本建筑高度超过40m，计算横向水平地震作用时，采用振型分解反应谱法，通过软件求得前六个振型的振动周期如下：振型号 周 期 1 1.5073 2 1.4813 3 1.4097 4 0.3593 5 0.3457 6 0.3288 各楼层质点的水平地震作用值如表2-4所示：表2-4 水平地震作用层号(kN)121854 111286 10 821 96938930 7121661330 513684127731074.342 793.921483.27-1 185.612.2.4横向风荷载计算作用在屋面梁和楼面节点处的集中风荷载标准值为 （2-2） 式中，-基本风压，=0.4kN/m2； -风压高度变化系数，地面粗糙程度为B类； -风荷载体形系数，根据建筑物的体型查建筑结构荷载规范得=1.3； -高度z处的风振系数，的计算结果见表2-5； -下层柱高； -上层柱高，对于顶层为女儿墙高度的2倍； B-为迎风面的宽度，B=74.95m；表2-5 各楼层风振系数计算结果楼层楼面离地高度z/m1243.811.5480.5121.601.4951140.20.9181.5480.5121.561.4661036.60.8361.5480.5121.511.4399330.7531.5480.5121.461.409829.40.6711.5480.5121.411.377725.80.5891.5480.5121.351.346622.20.5011.5480.5121.291.308518.60.4251.5480.5121.221.2764140.3201.5480.5121.1121.228311.40.2601.5480.5121.041.19827.80.1781.5480.51211.14114.20.0961.5480.51211.076-10.60.0141.5480.51211.011表2-6 集中风荷载标准值层号楼面离地高度z/m /(kN/m2)/m1243.81.4951.601.30.43.61.2279.48 1140.21.4661.561.30.43.63.6320.66 1036.61.4391.511.30.43.63.6304.66 9331.4091.461.30.43.63.6288.43 829.41.3771.411.30.43.63.6272.23 725.81.3461.351.30.43.63.6254.77 622.21.3081.291.30.43.63.6236.58 518.61.2761.221.30.43.63.6218.27 4141.2281.1121.30.43.63.6191.46 311.41.1981.041.30.43.63.6174.69 27.81.14111.30.43.63.6159.98 14.21.07611.30.43.63.6150.87 -10.61.01111.30.40.63.694.50 图2-8 风荷载作用下计算简图(kN)2.2.5 水平地震作用折算及水平位移验算1.水平地震作用折算为方便计算，可把各层质点处水平地震作用折算为倒三角形分布荷载。水平地震作用产生的基底弯矩和剪力分别为： 由倒三角形荷载引起的底部剪力和弯矩为， 2.水平位移验算 在正常使用条件下，高层建筑结构应具有足够的刚度，避免产生过大的位移而影响结构的承载力、稳定性和使用要求。查表得按弹性方法计算的高度不大于150m的框剪结构的楼层层间最大位移与层高之比不宜大于1/800。比较表2-4和2-7可知，风荷载比水平地震作用小很多，因此只需进行水平地震作用下的位移验算。在水平力作用下框剪结构的位移按下列公式计算：均布荷载 = （2-3）= （2-4） 式中 高度x处的水平位移； 顶点水平位移； 相对高度，； x计算楼层距底部高度； H结构总高度； 总剪力墙刚度； 框剪结构的刚度特征值。系数查图2-9。图2-9倒三角形荷载位移系数=将=2.48及各楼层处的值代入上图可求出相应高度处的位移系数如表2-9所示。表2-7水平荷载作用下的侧移计算楼层/mm1247.910.4058.22150.46691144.30.9250.3827.75460.44661040.70.8500.367.3081.015937.10.7750.316.2930.6902833.50.6990.2765.60280.5684729.90.6240.2485.03440.9744626.30.5490.24.060.9541522.70.4740.1533.10590.5278419.10.3990.1272.57810.8526315.50.3240.0851.72550.1015211.90.2480.081.6240.60918.30.1730.051.0150.5075-14.70.0980.0250.50750.5075由表2-7可知层间位移： 满足要求2.3 内力计算2.3.1水平荷载作用下的内力计算(1)风荷载作用下结构内力计算将风荷载简化成倒三角形荷载 倒三角形荷载下的内力计算公式为：总框架承担的剪力 （2-5） 式中 , 总框架分担的剪力 （2-6）计算过程见表2-8 表2-8 风荷载作用下结构内力计算层号标高x/m1247.910.0910.0251144.30.9250.1060.0301040.70.8500.1190.033937.10.7750.1360.038833.50.6990.1400.039729.90.6240.1270.036626.30.5490.1290.036522.70.4740.1280.036419.10.3990.1200.033315.50.3240.3040.085211.90.2480.0920.02618.30.1730.0680.019-14.70.0980.0380.011总内力计算：各层总框架柱剪力应由上下层处值近似计算。 （2-7）计算结果见表2-9框架内力计算：A. 框架风荷载作用下的剪力在各框架柱间分配（取1轴一榀横向框架），第i层第m柱所分配剪力为。B. 框架柱反弯点为之由式确定，的值可由附表查得，反弯点位置计算结果见表2-10.表2-9 风荷载作用下结构内力计算汇总层号总框架1227.61 1131.50 1035.67 938.67 837.46 735.84 635.93 534.77 459.33 355.39 222.42 114.89 -15.36 表2-10 框架柱反弯点位置层号A/4轴柱（边柱）B/4轴柱（中柱）120.3480.1740000.1740.6960.30000.3110.3480.2740000.2740.6960.40000.4100.3480.3740000.3740.6960.4480000.44890.3480.40000.40.6960.450000.4580.3480.4240000.4240.6960.450000.4570.7110.50000.51.4220.50000.560.5370.500.2000.71.0740.50.143000.64350.5370.050000.051.0740.50000.540.5370.4690000.4691.0740.50000.530.5370.50000.51.0740.50000.520.5370.50000.51.0740.50000.510.5370.5500-0.0250.5251.0740.500-0.0230.477-10.7070.70-0.00900.6911.3180.6340-0.03400.6C. 框架柱节点弯矩分配： （2-8）边柱 （2-9）中柱 （2-10） （2-11）计算结果见表2-11和2-12。表2-11 风荷载作用下A/4轴框架柱剪力及梁柱端弯矩计算层号层高/m123.627.61671 0.626 1.994 0.420 1.994113.631.50765 0.986 1.999 0.755 2.419103.635.67866 1.346 1.952 1.166 2.70793.638.67939 1.440 2.029 1.352 3.19583.637.46910 1.526 1.8861.389 3.23873.635.84 25850065500.908 1.800 1.6351.635 3.02463.635.93 425150106000.896 2.520 0.9672.257 2.60253.634.77 425150106000.867 0.180 2.9650.156 5.22243.659.33 425150106001.479 1.688 2.8282.498 2.98433.655.39 425150106001.381 1.800 2.4862.486 4.98423.622.42 425150106000.559 1.800 1.0061.006 3.49213.614.89 425150106000.371 1.890 0.6350.702 1.641-14.75.36 35279799340.151 3.248 0.2190.490 0.921表2-12 风荷载作用下B/4轴框架柱剪力及梁柱端弯矩计算 层号 层高/m123.627.61169 1.080 2.946 1.262 2.9461.47 113.631.50334 1.440 2.881 1.920 4.143 2.07 103.635.67510 1.613 3.001 2.436 4.921 2.46 93.638.67637 1.620 3.242 2.652 5.677 2.84 83.637.46586 1.620 3.140 2.569 5.792 2.90 73.635.84 258500104001.442 1.800 2.595 2.595 5.165 2.58 63.635.93 425150174501.475 2.315 1.895 3.414 4.491 2.25 53.634.77 425150174501.427 1.800 2.569 2.569 5.982 2.99 43.659.33 425150174502.435 1.800 4.383 4.383 6.952 3.48 33.655.39 425150174502.273 1.800 4.092 4.092 8.475 4.24 23.622.42 425150174500.920 1.800 1.656 1.656 5.749 2.87 13.614.89 425150174500.611 1.717 1.151 1.049 2.807 1.40 -14.75.36 352793122050.185 2.820 0.349 0.523 1.398 0.70 D. 框架柱轴力与框架梁剪力计算。框架梁剪力梁AB （顺时针为正）梁BC （顺时针为正）框架柱轴力柱A 柱B 柱C 计算结果见表2-13表2-13 风荷载作用下框架梁端剪力与框架柱轴力层号梁端剪力柱轴力AB 跨BC 跨柱A柱B柱C12-0.608 -0.608 -0.608 000.608 11-0.788 -0.788 -1.395 001.395 10-0.906 -0.906 -2.302 002.302 9-1.059 -1.059 -3.361 003.361 8-1.077 -1.077 -4.437 004.437 7-0.983 -0.983 -5.421 005.421 6-0.851 -0.851 -6.272 006.272 5-1.441 -1.441 -7.712 007.712 4-1.134 -1.134 -8.846 008.846 3-1.618 -1.618 -10.465 0010.465 2-1.116 -1.116 -11.581 0011.581 1-0.534 -0.534 -12.114 0012.114 -1-0.284 -0.284 -12.399 0012.399 图2-10 框架在风荷载作用下的弯矩（kN.m） 图2-11 框架在风荷载作用下的梁端剪力图（kN）图2-12框架在风荷载作用下的柱轴力图（柱右端为正）(kN) (2)水平地震作用下结构内力计算 由值及荷载类型查图表计算。 计算过程见表2-14 表2-14水平地震作用下结构内力计算层号标高x/m1247.913.328 0.932 1144.30.9253.887 1.088 1040.70.8504.339 1.215 937.10.7754.978 1.394 833.50.6995.125 1.435 729.90.6244.672 1.308 626.30.5494.712 1.319 522.70.4744.685 1.312 419.10.3994.406 1.234 315.50.32411.115 3.112 211.90.2483.368 0.943 18.30.1732.489 0.697 -14.70.0981.398 0.391 总内力计算：各层总框架柱剪力应由上下层处值近似计算。 计算结果见表2-15表2-15 水平地震作用下结构内力计算汇总层号总框架121010.039 111151.668 101304.478 91414.427 81371.565 71313.796 61315.659 51272.798 42172.888 32027.532 2819.958 1544.154 -1195.672 框架内力计算：A. 框架剪力调整框架中所有楼层的,需要进行调整。,取B.框架水平地震作用下的剪力在各框架柱间分配（取1轴一榀横向框架），第i层第m柱所分配剪力为。 C. 框架柱节点弯矩分配： 边柱 中柱 计算结果见表2-16和2-17。表2-16 水平地震作用下A/4轴框架柱剪力及梁柱端弯矩计算层号层高/m123.62662152350370065 0.626 192 40 192 113.626621523503700650.986 169 64 209103.62662152350370065 1.346 14687 20993.626621523503700651.440 14093227 83.62662152350370065 1.526 134 99227 73.62662258500655067 1.800 121 121 220 63.6266242515010600662.520 72 167193 53.626624251501060066 0.180 227 12 39443.6266242515010600661.688 127 112 13933.6266242515010600661.800 119119 232 23.6266242515010600661.800 119 119 239 13.6266242515010600661.890 114 125 233 -14.72662352797993475 3.248 109 243234 表2-17 水平地震作用下B/4轴框架柱剪力及梁柱端弯矩计算层号层高/m123.626621523506450113 1.080 284 122 284 142 113.626621523506450113 1.440 243 162 365 183 103.626621523506450113 1.613 224 182 386193 93.626621523506450113 1.620 223 183 405 202 83.626621523506450113 1.620 223 183 406 203 73.62662258500104001071.800 193 193 375 188 63.6266242515017450109 2.315 140 253 333 167 53.6266242515017450109 1.800 197 197 450 225 43.6266242515017450109 1.800 197 197 393 197 33.6266242515017450109 1.800 197 197 393 197 23.6266242515017450109 1.800 197 197 393 197 13.6266242515017450109 1.717 206 188 402 201 -14.726623527971220592 2.820 173 260 361 180 D. 框架柱轴力与框架梁剪力计算。 框架梁剪力 梁AB （顺时针为正） 梁BC （顺时针为正） 框架柱轴力 柱A 柱B 柱C 计算结果见表2-18表2-18 水平地震作用下框架梁端剪力与框架柱轴力层号梁端剪力柱轴力AB 跨BC 跨柱A柱B柱C12-59 -59 -59 005911-69 -69 -1279 0012710-71 -71 -1989 001989-75 -75 -2739 002738-75 -75 -349 003497-72 -72 -4209004206-63 -63 -4839 004835-109 -109 -5929 005924-59 -59 -651 006513-75 -75 -726 007262-76 -76 -802 008021-76 -76 -879 00879-1-73 -73 -951 00951 图2-13框架在水平地震作用下的弯矩图（kN.m） 图2-14 框架在水平地震作用下的梁端剪力图（kN）图2-15框架在水平地震作用下的柱轴力图（柱右端为正）(kN)2.3.2 竖向荷载作用下的内力计算 取轴框架计算荷载计算B-C跨：7-12层：次梁自重=4.275/2=2.14kN-1-6层：次梁自重=9.245/2=4.623kN屋面板传恒载=5.7（4.8+5.4）4.35=126.45kN屋面板传活载=5.7（4.8+5.4）0.25=7.27kN楼面板传恒载=5.7（4.8+5.4）2.8=82.4kN楼面板传活载=5.7（4.8+5.4）2.0=58.14kN框架梁集中荷载为：屋面梁恒载=次梁自重+板传荷载=2.14+126.45=128.59kN屋面梁活载=板传荷载=7.27KN楼面梁恒载=次梁自重+板传荷载7-11层：楼面梁恒载= 2.14+82.4=84.54kN-1-6层：楼面梁恒载=4.62+82.4=87.02kN楼面梁活载=板传活载=58.14kN框架梁均布荷载为：屋面梁均布荷载=主梁自重=0.797kN/m楼面梁均布荷载=主梁自重+隔墙自重7-11层：楼面梁均布荷载=0.797+8.496=9.293kN/m-1-6层：楼面梁均布荷载=1.712+8.496=10.208kN/mA、C轴柱纵向集中荷载的计算顶层柱：女儿墙自重（墙高0.6，0