钢框架支撑结构设计实例(书稿例题).doc

钢框架-支撑结构设计实例4.10.1 工程设计概况本建筑为某公司办公楼，位于沈阳市区，共七层。总建筑面积约5900，总高度30.6m，室内外高差0.600m；底层层高4.5m，顶层层高4.5m，其余层均为4.2m。设两部楼梯和两部电梯。墙体采用聚氨酯PU夹芯墙板。屋面为不上人屋面。结构形式为钢框架支撑体系。设计基准期50年，雪荷载0.50，基本风压：0.55。抗震设防烈度为7度，设计基本加速度为0.1，结构抗震等级四级。结构设计基准期50年。地质条件：拟建场地地形平坦，地下稳定水位距地坪-9.0m以下，冰冻深度-1.20m，地质条件见表4-24，类场地。建筑地层一览表 表4-24序号岩土分类土层深度（m）厚度范围（m）地基土承载力（kPa）桩端阻力（kPa）桩周摩擦力（kPa）1杂填土0.00.50.52粉土0.51.51.0120103中砂1.52.51.0230254砾砂2.56.54.03402400305圆砾6.512.56.0520350060注：表中给定土层深度由自然地坪算起。4.10.2 方案设计1.建筑方案概述1）设计依据民用建筑设计通则GB50352-2005办公建筑设计规范JGJ67-2006建筑设计防火规范GB50016-20062）设计说明（1）屋面（不上人屋面）防水层：SBS改性沥青卷材(带保护层)；40mm厚1:3水泥沙浆找平层；70mm厚挤塑板保温层；1:6水泥炉渣找坡（最薄处30mm,坡度2%）；压型钢板混凝土组合板（结构层折算厚度100mm）；轻钢龙骨吊顶。（2）楼面：20mm厚大理石面层；20mm厚1：3干硬性水泥沙浆找平层；压型钢板混凝土组合（结构层折算厚度100mm）； 轻钢龙骨吊顶。（3）门窗本工程采用实木门和塑钢玻璃窗。（4）墙体外墙为双层聚氨酯PU夹芯墙板300mm（内塞岩棉）；内墙为双层聚氨酯PU夹芯墙板180mm厚聚氨酯PU夹芯墙板；2. 结构方案概述1）设计依据本设计主要依据以下现行国家规范及规程设计：建筑结构荷载规范（GB50009-2001）（2006版） 钢结构设计规范（GBJ50017-2003）建筑抗震设计规范（GB50011-2010）混凝土结构设计规范（GB50010-2002）钢-混凝土组合结构设计规程（DLT5085-99）2）结构形式及布置采用钢框架-支撑结构。纵向设置十字交叉支撑两道，支撑杆件用H型钢截面。框架梁、柱均采用焊接工字形截面。楼板采用压型钢板钢筋混凝土组合结构；楼梯为钢楼梯；基础采用柱下独立基础，结构布置如下：图4-69 结构布置及计算单元底层计算高度为4.5m+1.5m=6.0m，其中1.5m为初估室内地坪至柱脚底板的距离。3）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C20，基础混凝土强度等级C25，钢筋为HRB335级及HPB235。4.主要参数及结构计算方法1）抗震设计该建筑抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为7度，类场地，设计基本地震加速度为0.1g，房屋抗震等级为四级。2）自然条件基本风压0.55，地面粗糙度类别为C类（按房屋比较密集的城市市区计）；基本雪压0.50.3)计算方法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和风荷载作用下的框架内力；采用弯矩二次分配法，计算竖向荷载作用下框架内力。4.10.3 结构布置及截面初选1. 计算简图及构件截面初选1）计算单元本设计的结构计算单元如图4-69所示，结构的竖向布置如图4-70所示（基础顶面距室外地坪按0.9m考虑）。 图4-70 结构竖向布置图2）结构构件截面初选（1）柱截面初估钢框架支撑结构按每平米58计算竖向荷载，此处取7，柱的长细比（60120）。轴压力设计值（3.3+3.3）671.372522.52kN，1.3为荷载分项系数平均值。取长细比80 （按较小刚度y轴考虑），计算长度系数=1（设有侧向支撑），按b类截面查得稳定系数0.688，则所需要面积：A考虑弯矩及倾覆压力作用的影响取：（1.31.5）A（1.31.5）17885.14 =23250.726827.7 mm2所需截面回转半径：iy6000/8075mm。 （2）钢梁截面初估纵向框架梁高/（1520）6000/156000/20400mm300mm；横向框架梁高/（1520）=6600/156600/20=440mm330mm；（3）压型钢板压型钢板采用YX70200600（V200），板厚1mm，有效截面惯性矩100.64cm4/m,有效截面抵抗矩27.37cm3/m，一个波距宽度内截面面积 =321.42，自重0.15。经试算，柱、梁截面尺寸见表4-25。图4-71 梁、柱截面参数结构构件初选截面参数 表4-25项目截面尺寸构件截面特性重量（kN/m）（mm）（mm）（mm）（mm）（mm）A(mm2)(mm4)(mm4)(mm)(mm)框架柱5004502245614261841242416352334229272217.8113.02.042横向框架梁5002601447281105650009832541030805212.760.90.862纵向框架梁450 240 14 422 8 10096 369572005 32274005 191.33 56.54 0.787 横(纵)向次梁400240103808784021914133323056213167.254.20.6124.10.4 荷载汇集1. 屋面均布荷载1）屋面恒载合计 5.272）屋面活载不上人屋面 0.5雪荷载 0.5重力荷载代表值计算时屋面可变荷载取雪荷载。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。2. 楼面均布荷载1）楼面恒荷载合计 3.73 2）楼面活载 楼面活荷载 2.0走廊、楼梯的活荷载 2.5为简化计算，本设计偏于安全楼面均布荷载统一取2.5计算。3. 构件自重1）柱（单根）1层 9.19 kN26层 8.58 kN7层 9.19 kN2）梁（单根）横向框架梁 5.69kN纵向框架梁 4.72kN横向次梁 4.04kN 纵向次梁 3.67kN3）墙体 外墙 0.65内墙 0.50隔墙 0.434）门窗 木门 0.2塑钢窗 0.34.10.5 地震作用计算1. 重力荷载代表值计算各楼层重力荷载代表值（组合值系数取0.5），计算结果如下：5798.30kN5548.78kN5518.74kN5561.20kN房屋总重力荷载代表值：5798.30+5548.78+5518.744+5561.20 =38983.24kN图4-72 重力荷载分布图2.横向框架水平地震作用下结构分析1）层间侧移刚度计算（1）梁线刚度计算钢材的弹性模量N/mm2。框架梁线刚度 表4-26层跨度L（mm）截面惯性矩（mm4）边框架中框架=1.2（mm4）（kNm）=1.5（mm4）（kNm）176600500098325 600117990 1.87317501474882.3414（2）柱线刚度计算柱的线刚度按式计算框架柱线刚度 表4-27层h（m）A,D轴柱惯性矩（）A,D轴柱子线刚度（kNm）B,C柱轴惯性矩（）B B,C轴柱子线刚度（kNm）7 4.51.24245.68751.24245.68756 4.21.24246.09381.24246.09385 4.21.24246.09381.24246.09384 4.21.24246.09381.24246.09383 4.21.24246.09381.24246.09382 4.21.24246.09381.24246.09381 6.01.24244.26561.24244.2656（3）柱侧移刚度计算图4-73 柱侧移刚度计算简图一般层：= 首 层：= 框架柱的值 表4-28层柱子类别（m）(104KNm)(104KNm)（104 KN/m）（104 KN/m）7中框架中柱（12根）4.59.3655 5.6875 0.82330.29160.982923.9442 边柱（12根）4.54.6827 5.6875 0.41170.17070.5753边框架中柱（4根）4.57.4924 5.6875 0.65870.24770.8350边柱（4根）4.53.7462 5.6875 0.32930.14140.476526中框架中柱（12根）4.29.3655 6.0938 0.76840.27761.150727.9319 边柱（12根）4.24.6827 6.0938 0.38420.16120.6680边框架中柱（4根）4.27.4924 6.0938 0.61480.23510.9746边柱（4根）4.23.7462 6.0938 0.30740.13320.55221中框架中柱（12根）6.04.6827 4.2656 1.09780.51580.733420.7352 边柱（12根）6.02.3414 4.2656 0.54890.41150.5851边框架中柱（4根）6.03.7462 4.2656 0.87820.47880.6809边柱（4根）6.01.8731 4.2656 0.43910.38500.5475注：与楼梯相邻处的框架梁应按边框架梁计算，本例简化计算按中框架考虑。2）结构自振周期 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4-29层数（kN）（kN）（104 KN/m）（m）（m）75798.305798.3023.94420.0242 0.61365548.7811347.0827.93190.0406 0.58955518.7416865.8227.93190.0604 0.54845518.7422384.5627.93190.0801 0.48835518.7427903.3027.93190.0999 0.40825518.7433422.0427.93190.1197 0.30815561.2038983.2420.73520.1880 0.188=1.1983）水平地震作用计算（1）水平地震作用计算（底部剪力法）设防烈度7度，设计基本加速度值为0.1g（第一组），则；类场地，阻尼比；=1.198s550.35=1.75。=0.028（2）结构总水平地震作用0.0280.8538983.24915.71 kN=1.198s1.4=1.40.35=0.49s，需要考虑顶部附加水平地震作用。=0.08+0.07=0.081.198+0.07=0.1658顶部附加地震作用151.85 kN（3）各层水平地震作用标准值及楼层地震剪力第个质点的计算高度。楼层地震剪力： （1ij7）楼层地震剪力计算 表4-30层（m）（m）（kN）（KNm）（kN）（kN）（kN）（kN）74.531.55798.30182646.450.2502763.86151.85191.10 342.95 64.2275548.78149817.060.2052156.75 499.70 54.222.85518.74125827.270.1724131.65 631.35 44.218.65518.74102648.560.1406107.40 738.75 34.214.45518.7479469.860.108983.15 821.90 24.210.25518.7456291.150.077158.90 880.80 166.05561.2033367.200.045734.91 915.71 （4）楼层地震剪力调整按抗震规范规定：各楼层地震剪力，剪力系数，具体计算如下表所示：楼层地震剪力调整 表4-31层（kN）（kN）（kN）（kN）7342.95 5798.305798.3092.776499.70 5548.7811347.08181.555631.35 5518.7416865.82269.854738.75 5518.7422384.56358.153821.90 5518.7427903.30446.452880.80 5518.7433422.04534.751915.71 5561.2038983.24623.73由以上计算可知各楼层计算地震剪力均满足要求，无需调整。（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，计算如下表：地震剪力作用下横向框架侧移 表4-32层（m） （KN）（104 KN/m） （m）74.5342.95 23.94420.0014 64.2499.70 27.93190.0018 54.2631.35 27.93190.0023 44.2738.75 27.93190.0026 34.2821.90 27.93190.0029 24.2880.80 27.93190.0032 16.0915.71 20.73520.0044 （6）考虑节点域剪切变形对侧移的修正由于本结构横向框架梁及框架柱截面没有改变，故每层的侧移修正系数相同，计算如下：由横向框架梁的截面参数可知：梁的腹板平均高度度：=472mm梁截面的平均惯性矩：=750147488柱的腹板平均高度度：=456mm柱截面的平均惯性矩：= 1242416352 节点域腹板平均厚度：=14mm=4564721479000=2.3805 =1.3751，需要修正。 =（17.51.375-1.81.3752-10.7）=11.401修正系数：框架侧移及修正 表4-33层（m）（m）=（m）（m）74.50.0014 1.10790.0016 0.0206 1/28361/25064.20.0018 1.10790.0020 0.0191 1/211954.20.0023 1.10790.0025 0.0171 1/167744.20.0026 1.10790.0029 0.0146 1/143334.20.0029 1.10790.0033 0.0116 1/128824.20.0032 1.10790.0035 0.0084 1/120216.00.0044 1.10790.0049 0.0049 1/1226从上表计算可知层间位移角，满足要求。图4-74 地震作用下的层间剪力4）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。（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4-34层（m）74.50.41170.2060.0000.0000.0000.20664.20.38420.3420.0000.0000.0000.34254.20.38420.3920.0000.0000.0000.39244.20.38420.4420.0000.0000.0000.44234.20.38420.5000.0000.0000.0000.50024.20.38420.5580.0000.000-0.0500.50816.00.54890.7260.0000.0000.0000.726中柱（中框架B柱、C轴柱）的反弯点高度比 表4-35层 （m）74.50.82330.3500.0000.0000.0000.35064.20.76840.4000.0000.0000.0000.40054.20.76840.4500.0000.0000.0000.45044.20.76840.4500.0000.0000.0000.45034.20.76840.5000.0000.0000.0000.50024.20.76840.5000.0000.000-0.0500.45016.01.09780.6450.0000.0000.0000.645（2）框架柱端弯矩计算第层第k根柱所受的剪力： =第层第k根柱下端弯矩：第层第k根柱上端弯矩：具体计算过程见表4-36和表4-37。边柱（A、D轴）柱端弯矩 表4-36层（m）（kN/m）（kN/m）（kN）（kN）（）（）74.50.575323.9442342.95 8.24 0.206-29.45 -7.63 64.20.668027.9319499.70 11.95 0.342-33.02 -17.17 54.20.668027.9319631.35 15.10 0.392-38.55 -24.87 44.20.668027.9319738.75 17.67 0.442-41.40 -32.81 34.20.668027.9319821.90 19.66 0.500-41.28 -41.28 24.20.668027.9319880.80 21.07 0.508-43.54 -44.94 16.00.585120.7352915.71 25.84 0.726-42.55 -112.49 中柱（B、C轴）柱端弯矩 表4-37层H（m）（kN/m）（kN/m）（kN）（kN）（）（）74.50.982923.9442342.95 14.08 0.350-41.18 -22.17 64.21.150727.9319499.70 20.59 0.400-51.87 -34.58 54.21.150727.9319631.35 26.01 0.450-60.08 -49.16 44.21.150727.9319738.75 30.43 0.450-70.30 -57.52 34.21.150727.9319821.90 33.86 0.500-71.10 -71.10 24.21.150727.9319880.80 36.28 0.450-83.82 -68.58 16.00.733420.7352915.71 32.39 0.645-68.96 -125.36 （3）框架梁端弯矩、剪力及框架柱轴力计算 根据节点平衡，由柱端弯矩求梁端弯矩。梁端按其线刚度分配。 = =横向框架梁端弯矩、剪力及框架柱轴力 表4-38层A轴柱AB跨A轴柱B轴柱BC跨B轴柱()()()()()()()()()()()()76.6-7.63 -29.45 1.029.45 20.59 -7.58 7.58-22.17-41.18 0.520.59 20.59 -6.24 1.3466.6-17.17 -33.02 1.040.66 37.02 -11.77 19.35-34.58-51.87 0.537.02 37.02 -11.22 1.8956.6-24.87 -38.55 1.055.72 47.33 -15.61 34.97-49.16 -60.08 0.547.33 47.33 -14.34 3.1646.6-32.81 -41.40 1.066.27 59.73 -19.09 54.06-57.52 -70.30 0.559.73 59.73 -18.10 4.1636.6-41.28 -41.28 1.074.09 64.31 -20.97 75.03-71.10 -71.10 0.564.31 64.31 -19.49 5.6426.6-44.94 -43.54 1.084.82 77.46 -24.59 99.61-68.58 -83.82 0.577.46 77.46 -23.47 6.7516.6-112.49 -42.55 1.087.49 68.77 -23.68 123.29-125.36-68.96 0.568.77 68.77 -20.84 9.59由于本结构的自振周期=1.198s1.5s，故柱轴力无需修正。（4）地震作用下框架内力图 弯矩kNm，剪力kN，轴力kN图4-75 地震作用下横向框架内力图3纵向框架地震作用下结构分析1） 层间侧移刚度计算（1）支撑层间等效侧移刚度计算支撑布置在A轴（或D轴）框架各两道，详见结构布置图4-69。每道支撑的竖向布置如图4-76所示。图4-76 柱间竖向支撑布置图本设计中心支撑杆件采用H型钢截面，按拉杆设计。抗震等级为四级时，支撑杆件的长细比。支撑杆件的计算长度：支撑平面内取端节点中心到支撑交叉点间的距离，支撑平面外取，支撑截面初估如表4-39所示。中心支撑杆件截面参数 表4-39层规格重量（）面积（）回转半径（cm）支撑杆件长度（mm）7H20020081250.564.288.614.99750087.11 75.15 6H20020081250.564.288.614.99732585.08 73.40 5H20020081250.564.288.614.99732585.08 73.40 4H20020081250.564.288.614.99732585.08 73.40 3H20020081250.564.288.614.99732585.08 73.40 2H20020081250.564.288.614.99732585.08 73.40 1H20020081250.564.288.614.99848598.55 85.02 中心支撑（X型）的等效侧移刚度，按下式计算：、支撑杆件的弹性模量和截面面积；支撑的水平倾角；框架柱轴线距离。图4-77 支撑尺寸参数支撑的等效侧移刚度的计算见表4-40。中心支撑（X型）的等效侧移刚度 表4-40层（）（）（m）（104 kN/m）（104 kN/m）764.282.066.00.80011.29957 45.1983 664.282.066.00.81912.13424 48.5369 564.282.066.00.81912.13424 48.5369 464.282.066.00.81912.13424 48.5369 364.282.066.00.81912.13424 48.5369 264.282.066.00.81912.13424 48.5369 164.282.066.00.7077.80273 31.2109 （2）纵向框架层间侧移刚度计算纵向框架梁与柱按刚结考虑，框架侧移刚度计算方法同前，具体计算见表4-41。框架结构的纵向侧移刚度 表4-41层柱子类别（m）（104KNm）（104KNm）（104 kN/m）（104 kN/m）7中框架中柱（12根）4.57.611.532.48790.55440.502614.0542边柱（4根）4.53.811.531.24400.38350.3477边框架中柱（12根）4.56.091.531.99030.49880.4522边柱（4根）4.53.051.530.99520.33230.301326中框架中柱（12根）4.27.611.642.32210.53730.599116.6869边柱（4根）4.23.811.641.16100.36730.4096边框架中柱（12根）4.26.091.641.85760.48150.5370边柱（4根）4.23.051.640.92880.31710.35371中框架中柱（12根）6.0 3.811.153.31720.71790.27468.1487边柱（4根）6.0 1.901.151.65860.59000.2257边框架中柱（12根）63.051.152.65380.67770.2592边柱（4根）61.521.151.32690.54910.2100 （3）纵向框架-支撑结构总侧移刚度计算结构纵向总侧移刚度 表4-42层（104 kN/m）（104 kN/m）=+（104 kN/m）745.1983 14.0542 59.2525 648.5369 16.6869 65.2238 548.5369 16.6869 65.2238 448.5369 16.6869 65.2238 348.5369 16.6869 65.2238 248.5369 16.6869 65.2238 131.2109 8.1487 39.3597 2）结构的自振周期（纵向）结构自振周期计算方法同前，具体计算如表4-43所示。结构自振周期计算（纵向框架） 表4-43层（kN）（kN）（104 kN/m）层间相对位移（m）（m）75798.30 5798.30 59.2525 0.0098 0.280 65548.78 11347.08 65.2238 0.0174 0.271 55518.74 16865.82 65.2238 0.0259 0.253 45518.74 22384.56 65.2238 0.0343 0.227 35518.74 27903.30 65.2238 0.0428 0.193 25518.74 33422.04 65.2238 0.0512 0.150 15561.20 38983.24 39.3597 0.0990 0.099 =0.813）纵向水平地震作用计算（1）水平地震作用计算（底部剪力法）考虑多遇地震，设防烈度7度，设计基本加速度值为0.1g（第一组），则；类场地，阻尼比；=0.81550.35=1.75。由前面计算可知：=0.0396（2）结构总水平地震作用：0.03960.8538983.241311.34 kN=0.81s1.4=1.40.35=0.49s，需要考虑顶部附加水平地震作用。=0.08+0.07=0.080.81+0.07=0.1348顶部附加地震作用176.79kN（3）各层水平地震作用标准值及楼层地震剪力结构纵向水平地震作用标准值及各楼层地震剪力的计算方法同前，具体计算见表4-44。楼层地震剪力计算 表4-44层（m）（m）（kN）（）（kN）（kN）（kN）（kN）74.531.55798.30 182646.45 0.2502 1134.55176.79283.84 460.63 64.2275548.78 149817.06 0.2052 232.82 693.45 54.222.85518.74 125827.27 0.1724 195.54 888.99 44.218.65518.74 102648.56 0.1406 159.52 1048.51 34.214.45518.74 79469.86 0.1089 123.50 1172.01 24.210.25518.74 56291.15 0.0771 87.48 1259.48 166.05561.20 33367.20 0.0457 51.85 1311.34 （4）楼层地震剪力调整抗震规范要求各楼层地震剪力，剪力系数，具体计算如表4-45所示。楼层地震剪力调整 表4-45层（kN）（kN）（kN）（kN）7460.63 5798.30 5798.30 92.77 6693.45 5548.78 11347.08 181.55 5888.99 5518.74 16865.82 269.85 41048.51 5518.74 22384.56 358.15 31172.01 5518.74 27903.30 446.45 21259.48 5518.74 33422.04 534.75 11311.34 5561.20 38983.24 623.73 （5）楼层地震剪力作用下结构纵向侧移地震作用下结构纵向侧移计算如表4-46，计算方法同前。地震作用下结构纵向侧移 表4-46层（m）（kN）（kN/m）（m）（m）74.5460.63 59.2525 0.0008 0.0119 1/5789 64.2693.45 65.2238 0.0011 0.0111 1/3950 54.2888.99 65.2238 0.0014 0.0100 1/3081 44.21048.51 65.2238 0.0016 0.0087 1/2613 34.21172.01 65.2238 0.0018 0.0071 1/2337 24.21259.48 65.2238 0.0019 0.0053 1/2175 16.01311.34 39.3597 0.0033 0.0033 1/1801 从表4-46计算可知，满足要求。图4-78 结构的纵向地震剪力4）支撑内力计算本结构共设四道支撑，因此每道支撑所承担的地震剪力为每层支撑所受总剪力的1/4，支撑杆件的拉力按桁架结构计算。纵向框架承担的地震剪力：支撑承担的地震剪力：支撑斜杆的内力（拉力）：具体的计算结果见表4-47和表4-48。支撑所承担的地震剪力 表4-47层（kN）（104 kN/m）（104 kN/m）（kN）（104 kN/m）（kN）7460.63 59.2525 14.0542 109.26 45.1983 351.37 6693.45 65.2238 16.6869 177.41 48.5369 516.04 5888.99 65.2238 16.6869 227.44 48.5369 661.55 41048.51 65.2238 16.6869 268.25 48.5369 780.26 31172.01 65.2238 16.6869 299.85 48.5369 872.16 21259.48 65.2238 16.6869 322.23 48.5369 937.26 11311.34 39.3597 8.1487 271.49 31.2109 1039.85 需要指出的是，在进行纵向框架设计时尚应按照现行建筑抗震设计规范第8.2.3条的规定进行框架部分的内力调整。支撑杆件的内力 表4-48层（kN）（m）（m）（kN）7351.37 6.0 7.500 109.80 6516.04 6.0 7.325 157.48 5661.55 6