十二层钢框架-钢板剪力墙结构住宅的抗震设计

江苏科技大学本 科 毕 业 设 计（论文）学 院 船舶与建筑工程 专 业 土木工程 二零一二年六月 江苏科技大学本科毕业设计江苏科技大学本科毕业论文十二层钢框架-钢板剪力墙结构住宅的抗震设计The Seismic Design of Twelve-story Housing with Steel Frame-Steel Plate Shear Walls Structure毕业设计（论文）题目：十二层钢框架-钢板剪力墙结构住宅的抗震设计一、毕业设计（论文）内容及要求（包括原始数据、技术要求、达到的指标和应做的实验等）1.设计资料(1) 概况：某市拟兴建12层钢框架-钢板剪力墙结构的小高层钢结构住宅，建筑面积11000m2。根据结构使用功能要求，该钢结构住宅设有整体刚度较大的地下室。钢结构住宅的耐火等级均为二级，属于丙类建筑。(2) 拟建钢结构住宅所在地位于8度抗震设防区，设计地震基本加速度为0.2g；建筑场地为II类场地土，设计地震分组为第一组。(3) 100mm厚现浇钢筋混凝土楼板，楼板混凝土等级为C20。(4) 钢框架梁柱节点均采用栓焊式的刚性连接，框架梁、柱采用Q345钢材。(5) 基本雪压为0.25kN/m2，基本风压为0.4kN/m2，地面粗糙度为B类。2、 要求（a）、简化结构的力学模型，施加荷载，设计和验算各主要构件；（b）、手工计算基础、梁、剪力墙板等的设计；（c）、绘制一定量的特征节点的施工图；（d）、所有图纸均用AUTOCAD软件绘制；根据设计功能要求作出各楼层建筑平面图、总平面图、屋顶平面图，部分的平面尺寸和建筑物的总长、总宽。立面图主要表达建筑物的造型特点，各部分的高度尺寸。剖面图应表达出各楼层的结构情况，垂直交通组成情况。设计说明应着重表达自己的设计意图，满足使用功能要求的措施，采用新材料、新技术。结构方案选择，结构平面布置。结构基本尺寸确定及截面几何特征。横向水平地震作用下框架结构的内力计算。荷载计算，考虑竖向荷载，水平荷载，包括地震荷载。竖向荷载作用下框架结构的内力计算。横向框架结构的梁柱内力组合，以及内力组合图。框架梁柱截面设计，楼盖设计，基础设计，楼梯设计。二、完成后应交的作业（包括各种说明书、图纸等）1、毕业设计论文一份（不少于1.5万字）；2、中英文摘要各一份（不少于300字）；3、结构体系设计计算书一份；4、建筑图、结构体系主要施工图一套（设计说明、基础、梁板、柱、屋盖、特征节点施工图等），图纸量不少于12张2#；其中沿垂直方向剖面图和任意立面图需手工绘制，其它图纸均用AutoCAD软件绘制。5、外文资料翻译一份（不少于5000英文单词）。三、完成日期及进度2012年3月7日至2012年6月17日，共15周。进度安排：1调研，收集并消化资料，开题报告。 1.5周2建筑方案设计及建筑施工图绘制 2 周3结构设计与计算 5 周 4结构施工图绘制 2.5周5检查、修改 2.5周6总结、校对 1.0周7答辩 0.5周四、主要参考资料（包括书刊名称、出版年月等）:1、建筑结构可靠度设计统一标准 （GB500682001）2、建筑结构荷载规范 （GB500092001）3、建筑抗震设计规范 （GB500112001）4、钢结构设计规范 （GB500172003）5、冷弯薄壁型钢结构技术规范 （GB500182002）6、门式刚架轻型房屋钢结构技术规程 (CECS102:2002)7、轻型钢结构设计指南 中国建筑工业出版社 20018、轻型钢结构设计手册 中国建筑工业出版社 20019、钢结构基本原理 沈祖炎等 中国建筑工业出版社 200110钢结构事故分析与处理雷宏刚 中国建材工业出版社 200311、钢结构钢结构基础 陈绍蕃 中国建筑工业出版社 200312、建筑地基基础设计规范 （GB 500072002）13、建筑地基基础工程施工质量验收规范 （GB 502022002）14、钢结构高强螺栓连接的设计、施工及验收规程 (JGJ 82-91)15、建筑钢结构焊接规程 (JGJ81-2002)16、高层民用建筑钢结构技术规程 （JGJ99-98） 系（教研室）主任： （签字） 年 月 日 学院（系）领导： （签字） 年 月 日 摘 要本次毕业设计是十二层钢框架-钢板剪力墙结构住宅的抗震设计，主要进行的是结构设计部分。结构设计简而言之就是用结构语言来表达工程师所要表达的东西。结构语言就是结构师从建筑及其它专业图纸中所提炼简化出来的结构元素，包括基础、剪力墙、柱、梁、板、楼梯等等。然后用这些结构元素来构成建筑物或构筑物的结构体系，包括竖向和水平的承重及抗力体系，再把各种情况产生的荷载以最简洁的方式传递至基础。结构设计的阶段大体可以分为三个阶段：一 结构方案阶段：根据建筑的重要性，建筑所在地的抗震设防烈度，工程地质勘查报告，建筑场地的类别及建筑的高度和层数来确定建筑的结构形式，本工程采用的是框架结构；二 结构计算阶段：包括荷载计算、内力计算和构件计算；三 施工图设计阶段：根据上述计算结果，来最终确定构件布置和构件配筋以及根据规范的要求来确定结构构件的构造措施。关键词： 钢框架；钢板剪力墙；抗震设计；荷载计算；节点验算；Abstract The graduation design is the seismic design of twelve-story housing with steel frame-steel plate shear walls structure, the major part is the structure design. Structure design is simply using structure language to express the engineer must express things. Structure language is structure from building and other professional drawings of the structure of refining simplified out elements, including basic, shear walls, column, beam, plate, stair, etc. Then use these structural elements to form a building or structure system, including the structure of vertical and horizontal bearing and resistance system, again with all the load produced the most concise style to deliver to the foundation. Structural design stage can be divided into three stages: First，structure scheme stage: according to the importance of building construction, location of the seismic fortification intensity, engineering geology exploration report, the building site of the category and the height of the building and layer to determine the building structure form, this project USES is the framework structure; Second，structure calculation stages: including the load calculation, internal force calculation and component calculation; Third，working drawing design phase: according to the calculation results, to finally determine component layout and component reinforcement and according to the requirement of the specifications to determine the structure component structural measures.Keywords: Steel frame ; Steel plate shear walls; Seismic design; Load calculation;Node checking;目录第一章 绪 论11.1 工程背景11.1.1设计资料11.1.2材料11.2 工程特点11.3 本章小结2第二章 结构设计32.1 框架结构设计计算32.1.1工程概况32.1.2设计资料32.1.3梁柱截面、梁跨度及柱高度的确定32.2 计算简图62.2.1 荷载计算62.2.2 总框架的刚度92.2.3横向水平地震作用122.2.4横向风荷载计算132.2.5 水平地震作用折算及水平位移验算152.3 内力计算182.3.1水平荷载作用下的内力计算182.3.2 竖向荷载作用下的内力计算302.4 内力组合482.5 构件验算482.5.1框架梁验算48（1）梁的抗弯强度482.5.2 框架柱验算502.5.3钢板剪力墙的验算552.6 节点设计572.6.1梁柱节点设计572.6.2 柱柱节点592.6.3 柱脚节点602.7楼梯设计652.7.1楼梯设计基本资料:652.7.2 梯段板设计652.7.3 平台板设计662.7.4 平台梁设计672.8 基础设计692.9 压型钢板组合楼盖设计722.9.1 设计资料722.9.2 组合楼板验算732.10 本章小结77结 论78致 谢79参 考 文 献80III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kN 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=1.3180.54812205.3411.621-6层边柱=0.5370.2121060022中柱=1.0740.34917450117层边柱=0.7110.262655022中柱=1.4220.41610400118-12层边柱=0.3480.148370022中柱=0.6960.258645011横向楼层总抗推刚度：地下一层：=.624.7=.144kN/mm1-6层：=3.6=kN/mm7层:=3.6=kN/mm8-12层：=3.6=kN/mm总框架抗推刚度： =（.1444.7+63.6+3.6+53.6）=kN/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/m123.627.61 37000.671 0.626 1.994 0.420 1.994113.631.50 37000.765 0.986 1.999 0.755 2.419103.635.67 37000.866 1.346 1.952 1.166 2.70793.638.67 37000.939 1.440 2.029 1.352 3.19583.637.46 37000.910 1.526 1.8861.389 3.23873.635.84 65500.908 1.800 1.6351.635 3.02463.635.93 106000.896 2.520 0.9672.257 2.60253.634.77 106000.867 0.180 2.9650.156 5.22243.659.33 106001.479 1.688 2.8282.498 2.98433.655.39 106001.381 1.800 2.4862.486 4.98423.622.42 106000.559 1.800 1.0061.006 3.49213.614.89 106000.371 1.890 0.6350.702 1.641-14.75.36 99340.151 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/m123.627.61 64501.169 1.080 2.946 1.262 2.9461.47 113.631.50 64501.334 1.440 2.881 1.920 4.143 2.07 103.635.67 64501.510 1.613 3.001 2.436 4.921 2.46 93.638.67 64501.637 1.620 3.242 2.652 5.677 2.84 83.637.46 64501.586 1.620 3.140 2.569 5.792 2.90 73.635.84 104001.442 1.800 2.595 2.595 5.165 2.58 63.635.93 174501.475 2.315 1.895 3.414 4.491 2.25 53.634.77 174501.427 1.800 2.569 2.569 5.982 2.99 43.659.33 174502.435 1.800 4.383 4.383 6.952 3.48 33.655.39 174502.273 1.800 4.092 4.092 8.475 4.24 23.622.42 174500.920 1.800 1.656 1.656 5.749 2.87 13.