商业楼多层钢框架结构设计

某商业楼多层钢框架结构设计

摘要本设计是某商业楼钢框架结构设计，结构形式为多层钢框架结构。设计过程中采用顶点

位移法计算结构的自振周期；采用底部剪力法计算水平地震作用；采用D值法计算地震俏用下的结

构内力：采用弯矩二次分配法计算竖向荷载作用下的结构内力,内力计算过程中，横向取一根标准

框架进行手工计算，并验算横向框架计算结果。此外，还有梁柱在最不利内力组合下的截面验算，

以及重要节点的设计验算和楼板、楼梯、基础等的设计验算。

关键词钢框架结构；地震作用；内力计算;截面验算

1工程概况

1.1工程名称

商业钢框架结构设计

1.2自然条件

地面粗糙度B类，属甲类建筑。抗震设防烈度8度，建筑场地H类。

1.3结构选型

四层商场，采用钢框架结构。

1.4建筑结构布置

建筑面积约6540m2,标准层建筑平面图如图1所示。外墙厚度取240mm,主体结构共4层，

首层层身为4.2米，2〜4层层图为3.6米。

本商场横向柱距为9%纵向柱距为8m,主次梁结构体系。结构平面布置图如图2所示。横向框

架的设计取第九轴线一幅，见图3。

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图1标准层建筑平面图

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图2结构平面布置图

图3第9轴线横向框架计算简图

1.5设计资料

屋面做法：

恒荷载：5mm厚SBS防水卷材

20mm厚1：3水泥砂浆找平层

200mm厚平铺加全碎保温层

100mm厚混凝土楼板

楼面做法：

恒荷载：100mm厚大理石地面

100mm厚压型钢板聚苯夹心板楼盖

墙面：

100mm厚岩棉夹心板

2梁、柱截面尺寸初步估算

结构布置结束后，对构件截面尺寸作初步估算。本设计为纯框架结构，所以只需估

算梁柱截面。

2.1梁截面估算

梁截面高度按梁跨度的1/8~1/12估算。沿纵向布置次梁，间距为3m,梁由挠度

和高跨比来确定。

横向主梁L1截面为H588*300*12*20（见图4）

纵向主梁L2截面为H488*3（）0*U*18

次梁L3截面为H488*300*11*18

300

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]12

I=iE1S——I

图4横向主梁截面

2.2柱截面估算

柱子由轴压比和长细比控制，估算时，取轴压比限值为0.8,长细比控制在100左

右，柱截面为：I形。

估算柱截面为400*400*13*21（见图5）

1

,400,

图5柱子截面图

3结构内力及变形计算

结构室内地坪为±0.000m,基础顶面为-0.40m。简图见图6

构件截面尺寸：横向主梁LIH588*3OO*12*20

柱Z400*400*13*21

图6横向框架图

结构的恒载、活载如下：

恒载各层楼自重(含次梁、楼板及面层自重和吊载)5KN//H2

墙体重量1.5KN/"/

活载FL4().5KN/m2

FL1-33.5KN/>

3.1竖向荷载计算

根据计算，得到截面抗震验算的重力荷载代表值的分布图如图7所示，其中活荷载

已按组合值系数予以折减。

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图7重力荷载代表值分布图

3.2重力荷载代表值的计算

各层重力荷载值集中于楼层标高处，各层的重力荷教分布如图8。

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O

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三

9

b

图8各层重力荷载代表值示意图

4结构刚度的计算

场地类别为n类，设计地震分组：第一组，查得特征周期为0.40s

4.1梁的线刚度计算

中跨处框架梁线刚度增大系数取2.0,边跨处框架梁线刚度增大系数取1.5o

4.2柱的线刚度计算（略）

4.3横向层间侧移刚度计算

框架侧移刚度按D值法计算。

5横向水平地震作用下框架结构的内力和侧移计算

5.1横向自震周期计算

周期计算采用顶点位移法，周期计算得0.4s

5.2水平地震作用及楼层地震剪力计算

该结构高度不超过40m,质量和刚度沿高度分布比较均匀，变形以剪

切型为主，故可用底部剪力法计算水平地震作用。

各质点水平地震作用及楼层地震剪力沿房屋高度的分布见图9

（a）水平地宸作用分布

图9水平地震作用及楼层地震剪力分布图

5.3水平地震作用下的位移验算

水平地震作用下框架结构的层间位移△/和顶点位移处分别按式（1）和（2）计

算

(1)

六1

u=Z(A〃)人⑵

k=\

5.4水平地震作用下框架内力计算

以平面图第9轴线横向框架内力计算为例，说明计算方法，其余框架内力计算从

略。

水平地震作用下框架的弯矩图、梁端剪力图及柱轴力图如图10所示。

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P11.07

7.15K

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37.07

(a)框架弯矩图(KN-m)

77777777

(b)梁端剪力及柱轴力图(KN)

图10左地震作用下框架弯矩图、梁端剪力及柱轴力图

6竖向荷载作用下横向框架结构的内力分析

6.1计算单元

横向框架选取第9轴线的一根框架订算，如图11

图11第9轴线框架荷载计算单元

6.2荷载值计算

6.2.1恒荷载计算

根据屋面、楼面自重及构件自重，确定恒荷载值。如图12

38.5KN/M

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9

8

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图12恒荷载作用下第9轴线框架受荷简图

6.2.2活荷载计算

根据各层活载，顶层雪载，确定活荷载值，如图13

9000,9000

图13活荷载作用下第9轴线框架受荷简图

6.3框架内力计算

梁端、柱端弯距采用弯距二次分配法计算。恒载作用下框架弯矩图如图14,活载

作用下框架弯矩图如图15o梁端剪力可根据梁上竖向荷载引起的剪力与梁端弯距引起

的剪力相叠加而得。柱轴力可由梁端剪力和节点集中力叠加得到，计算柱底轴力还需

考虑柱的自重。

图14恒载作用下框架弯矩图(KNm)

亲

0

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图15活载作用下框架弯矩图(KNm)

7横向框架内力组合

本工程为二级抗震等级

7.1框架梁内力组合

根据《建筑结构荷载规范》和《建筑抗震设计规范》，荷载组合分别按荷载基本组

合及地震作用组合计算C由于本设计总建筑高度较低，故不考虑风荷载影响。

1.荷载基本组合：

由可变荷载效应控制的组合：S=1.2SG,4-1.4SW

由永久荷载效应控制的组合：S=\35SGk+\.0SQk

2.重力荷载和地震作用效应组合：S=1.2(5〃,+0.5SQ〃)+1.3S以

在组合各种荷载内力时，地震作用分别考虑左震和右震。

7.2框架柱内力组合

取每层柱顶和柱底两个控制截面，按框架柱内力组合所述方法进行组合。注意：

在考虑地震作用效应的组合中，取屋面为雪荷载时的内力进行组合。

8杆件截面验算

选取手算的第9轴线一根框架的杆件验算。

8.1柱的截面验算

8.1.1A、C列柱截面验算

（1）刚度验算

（2）强度验算

（3）整体稳定验算

①平面内稳定验算

②平面外稳定验算

（4）局部稳定验算

①翼缘

②腹板

8.1.2B列柱截面验算

验算同A、C列柱，但局部稳定验算按压弯构件和轴压构件分别考虑。

（1）刚度验算

（2）强度验算

（3）整体稳定验算

①平面内稳定验算

②平面外稳定验算

（4）局部稳定验算

按压弯构件考虑：

①翼缘

②腹板

按轴压构件考虑：

（1）翼缘

（2）腹板

8.2梁的截面验算

8.2.1强度验算

8.2.2刚度验算

8.2.3折算应力

8.3整体稳定

根据钢结构设计规范，有压型钢板铺在梁上受压翼缘上，并与其牢固相连，可不

验算整体稳定。

8.4局部稳定

8.4.1翼缘

8.4.2腹板

9节点设计验算

9.1梁柱节点设计验算

梁翼缘采用全焊透的坡口对接焊缝连接，腹板采用高强度螺栓摩擦型连接。如图

16o

图16梁与柱刚性连接形式

9.1.1焊缝抗剪强度验算

选用10.9级，M22型高强度螺栓。

采用栓焊混合节点连接时，翼缘焊缝的计算用全焊接连接

9.1.2柱腹板处横向加劲肋计算

设柱腹板处横向加劲肋厚度与梁翼缘厚度相同，宽度与柱腹板相同，即

ts=20mm,bs=180〃〃〃，如图17。

图17柱水平加劲助

9.1.3节点板域的抗剪承载力验算

由上下水平加劲肋和柱翼缘所包围的柱腹板称为节点域，如图18。

图18节点板域处的剪力及弯矩

9.2次梁与主梁连接节点设计验算

翼缘采用对接焊缝，等强连接。腹板采用螺栓连接。如图19。

图19次梁与主梁连接节点

9.2.1确定螺栓数目

9.2.2次梁端部抗剪强度验算

9.3柱脚设计

柱脚设计采用埋入式，如图20

图20埋入式柱脚

9.3.1抗剪栓钉计算

9.3.2配筋计算

埋入式柱脚的钢柱四周应按要求设置主筋和箍筋。

9.4基础设计

9.4.1基础底面积

1.基础底面积的选取

2.校核基底面枳

9.4.2冲切强度验算

见图21基础剖面图

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图21基础剖面图

9.4.3基础配筋计算

10楼板设计

10.1板的计算

板的厚度按构造要求取，板的尺寸及承载情况如图22(a)所示。

10.1.1荷载计算

10.1.2内力计算

取1m宽板带作为计算单元，按照连续板计算其内力，计算简图如图22(b)所示。

(b)计照图

图22板的构造和计算简图

10.1.3板的配筋

按照连续板进行配筋

10.2压型钢板设计

选用YX-2OO压型钢板，厚0.8mm,见图23

抗剪栓钉

图23压型钢板示意图

塑性中和轴在压型钢板顶面以上的混凝土截面见图24

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图24组合板截面受弯承载力计算简图

组合板端部应设置栓钉锚固件，栓钉应设在端支座的压型钢板凹肋处，穿透

压型钢板并将栓钉、钢板均焊牢在钢梁上。

11楼梯设计

11.1初步设计

采用梁式楼梯

11.2荷载计算

如图25,26所示

选取楼梯最长踏步的一半（2m）来计算，如图27

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2500I4200________________23QQ.

图25楼梯荷载示意图

楼梯斜梁采用热轧普通槽钢28b

图26楼梯剖面示意图

图27楼梯荷载计算平面图

11.3验算

11.3.1强度验算

11.3.2局部、整体稳定验算

由于采用的是型钢，且斜梁跨中密布支撑，因而局部、整体稳定均可不验算。

11.3.3挠度验算

参考文献

1钢结构设计规范(50017-2003).北京：中国建筑工业出版社，2003

2建筑抗震设计规范(GBJ50011-2001).北京：中国建筑工业出版社,2001

3建筑结构荷载规范(GBJ50009-2001).北京：中国建筑工业出版社，2001

4建筑地基基础设计规程(GBJ50007-2002).北京：中国建筑丁业出版社,2002

5王肇民.建筑结构设计.上海：同济大学出版社，2002

6方鄂华，包世华.高层建筑结构设计(第二版).北京：华大学出版社，2002

7梁兴文，史庆轩.土木工程专业毕业设计指导.北京：科学出版社，