多层钢框架科研办公楼结构设计

多层钢框架科研办公楼结构设计摘要本设计为科研办公楼多层钢框架结构设计。该建筑为地上四层，局部为三层。总建筑面积为5920㎡。拟建房屋所在地抗震设防烈度为8度，抗震等级二级，耐火等级为二级，耐久等级为二级，填充墙为外墙及内隔墙用加气混凝土砌块。用底部剪力法计算地震力作用下的结构内力；用D值法计算侧移刚度；用分层法计算竖向荷载下的结构内力；考虑有地震和无地震两种方式组合有关的内力效应。整个设计符合现行结构设计规范和规程的要求。遵循钢框架设计的基本设计原则，保证结构达到抗震设防目标。本人主要完成了北京工商大学良乡新校区科研办公楼横向C轴框架、横向B轴框架、纵向9轴框架、标准层楼梯和标准层楼面的设计任务。关键词框架结构设计；抗震设计；内力组合；构件截面选择前言钢框架结构是一种现代先进的结构形式，它具有优良的结构性能，可广泛地应用于土木建筑中。钢结构是环保型和节能型建筑结构。与混凝土结构相比它是环保型和可再次利用的、易于产业化的结构，发达国家在房屋建筑中广泛采用钢结构。目前是一种有竞争力的成功的结构型式。本次设计的对象是一个结构形式较为简单的科研办公楼的框架设计，在参考毕业设计指导书的基础上，查阅我国国家建筑规范等设计规范系列丛书，力求做到数量少而精确，理论联系实际，文字叙述清楚，表格、插图符合标准。在设计过程中，白玉星老师给予了精心指导和很多宝贵意见，同组同学给了很大帮助，在此表示感谢。但是，限于作者水平有限，同时缺乏实践经验，书中难免有不妥甚至错误之处，恳请老师批评指正。1工程概况工程名称：科研办公楼建筑规模：建筑面积约5920m2结构形式：多层钢框架，压型钢板组合楼板建筑层数与层高：主体地上四层，首层至四层层高3.9m，五层4.0m抗震设防烈度：8度。设计基本地震加速度值为0.20g2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。框架梁柱均选用热轧H型钢，采用Q235钢。框架柱采用带悬臂梁段的柱单元，与框架梁刚接。楼板为压型钢板现浇混凝土组合楼板，选用Q235压型钢板，型号为YX70-200-600，其上浇100mm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梁柱布置采用8.4m8.4m柱网，2.8m8.4m梁格，梁柱网布置见图1所示。图1梁柱布置粱2.2炎粱框架结构指计算简图躁（见树图处2胸所示）柏图前2蒜C惕轴框架计笛算简图降2.3伪雾估算截面馅尺寸径柱轴压击比顺0.6-周0.幻7芒，计算长验度海为园l第0残=3.9欢2=7.附8苗m挣，各层重黄力荷载代拥表值近似孙取烤10KN校/m把2岔，横纵违梁副[晒]=1/朗40莫0筋，次尊梁洞[拳]=1/丑25辣0摸。估算截现面尺寸如浩表计1缎所示。誓表肯1卷自结构截面惹估算表漠钢牌号车Q235踩-B·F周层数毕2享至言4秘层孕1滤层泥柱截面配边柱著HW35件0眯350葵10载16纺HW40饿0己400律11叼18滩中柱坦HW35革0评350四12摧19翁HW40狱0剖400蓬13尼21斗梁报8.4m皱HN60础0夺200包11朋17潜3.6m述HN40点0邮200吗8兆13勾3拥逗重力荷载左计算劳3.奖1间墙体、楼逃面、屋面宇各种做法拢重力荷载伐标准值计刚算馆3.2诱戴梁柱、门麦窗重力荷图载标准值类计算微3.3当妇屋盖、楼违盖重力荷晌载代表值荡计列算冰(沟单位膜：原kN)倚表泳2屡重力荷围载代表值肃计算结果挥汇总表教层数瘦5抚4桐3筋2荒1扶G:(K菊N)根588.扬35式7801火.03押1300忌2.05轧1320蛮1.21仁1304友2.09户3.4刻努计算单元乌内的单位帐面积用钢川量摊：庙4勤水平地震压作用下横槐向框架侧湖移计算牺（享C同轴）毯4.1终芦梁线刚度非钢框架结梁构中，考对虑现浇钢念筋混凝土肚楼板与钢禁梁的共同巴作用，在即计算梁的旨线刚度时墨，对中框蜜架梁取草=雹，对边框茧架取韵=徐分别计算录。柱线刚度裕与框架梁清类似，分匹别对中框杜架柱和边炮框架柱进汪行计算。捧系数与框评架梁相同赠。盘4.3惠刷横向框架帮抗侧刚辫度抢D种值的计算汪（见去表垄3提所示）乳表婆3挪各层框画架的抗侧浊刚禾度屠D劫汇总表（轰10记4喂kN/邪m法）眨层次满4稿3饼2怒1秋32.0娃97以10抹4仿36.3面37乏10龄4特36.3渗37赵10浪4反36.5前64必10弯4差4.4寄辣横向框架该结构自振胜周期计算愚按顶点位寒移法计算销框架基本鼠自振周期腰=0.8顿53掉s不，其中位蛇移计算见赖表备4腿所示。骡表扎4取横向框黎架顶点位渴移计算字层次膊G衬i奥/kN茎层间相对疾位移糕4免8389渣.38解8389锁.38讯32.0邪97赶0.02握61爷0.31迫05征3阀1300酱2.05蝴2139佣1.43仿36.3艇37刷0.05家89难0.28郊44姥2纸1320累1.21侵3459毅2.64闲36.3瓣37穿0.09旦52榨0.22校55避1您1304且2.09未4763抖4.73拦36.5丢64锤0.13为03佳0.13睛03阿4.漫5赶横向框架香水平地震游作用计算勤此建筑是饲高度不超洪过截40豆m闷，且平面右和竖向较葛规则，以教剪切变形晒为主的建抽筑。故地侵震作用计运算采用底蜜部剪力法星。柄结构总水蚀平地震作式用等效的奶底部剪力桶标准值：固表诚5钟叙横向框架悦各层地震吵作用及楼横层地震力述计算表挎层次列5走4下3椅2杠1籍20.1我16.2含12.3走8.4精4.5疗588.附35重7801骆.03座1300舞2.05怎1320皮1.21温1304怎2.09咸0.02株53拾0.27璃02盗0.34宣19川0.23敢71刮0.12枝55黑65.7将6邻745.闯01寇942.名70坏653.保74申346.凤04规511.没18公1256雀.19挠2198握.89赶2852害.63基3198严.67闭4.6挠桥横向框架耗侧移计算驰由结构层壤间刚度及帖地震剪力美可分别求侮出结构弹蝇性层间位榨移和顶点逗总水平位格移。嗽4.7症架水平地震毫作用下内记力的计算侦4.7.斜1邮查得行反弯点高歉度比驾y费4.7.萍2养艘框架柱剪咱力及弯矩户计算敢在水平地哥震作用下收，框架内竭力及位移趴可采翠用招D方值法进行裤简化计算钩。以四层扯柱的计算拦为例，见妄表湖6耀所示。引表桐6开横萄向扮C芦轴框架柱吹剪力及弯迹矩计算表寨楼层兔柱位摇层间剪浑力舍/kN附D能i绒每柱剪力竿y呈n盯y屡每瘦柱吨K询柱弯矩俘柱顶句柱底灾4旬6抽轴滚夹泻项坐祖楚隆包谊汗卡粉落扬始拳刷保7性轴演按贺慰仇割塘采卵爱制奔计吩气8昼轴燕樱速臂赵榨贞微订话泛残评宜巷9北轴艇罪奸欲锯裹待赶滚愁府更唱逮克4.7.饰3徒汁框架梁端耳剪力及弯扒矩、柱轴蒙力的计算规（静力平农衡方法求咽得）株5银呆竖向荷载粮下横向框罪架的内力筒计算烂（逆C撤轴）杜5.1树骨框架竖向顿荷载计算杠5.2恒倚用力矩分灰配法计算勿框架弯矩怖5.2.炸1干努固端弯矩庸计算期运用结构颂力学中超塑静定结构百固端弯矩雪表进行计揉算。眯5.2.史2坦志分配系数管计算委分别根据晨各个构件芽的相对线办刚度进行听计算。毒5.2.磨3醒茎传递系数甚远端均为盒刚结，传坐递系数黎为王0.捎5繁。话5.2.芦4另像力矩分配睡（分层计速算法）供5.2.涨5漆笋梁端剪力魔及柱轴力淡计算召（静力平祸衡方法求发得）开梁端剪力直：券V=Vq蒙+Vm渴狐；北蛙柱轴力前：依N=V+会P幸6慎脂内力组合旬及变形验捧算买（承C白轴）嚼6.1线齿框架梁内枕力组合朝取梁端及仆跨中三分明点处作为枝梁的承载徒力设计的辱控制截面尝。因此梁慧的最不利粪组合内力星是：阅梁端截面炎：笋，烤梁跨中截皆面：驻，麦宿骨分以下三及种情况进密行内力组丑合：丽无震时：里①磁西1.懂2凤恒往载竟+1.丰4拔活载；乘②铲1.3秆5损恒驻载孩+0.9勒8坡活载；骡有震时或：格③谷1.乱2价（恒着载贝+0.遗5锐活载纸）糖±1.默3正地震荷载我6.2追谷框架柱内呆力组合被框架柱取毙每层柱顶砖和柱底两艰个控制截畜面，仍分膛为以上三风种情况进乒行内力组酸合。哀6.3保命内力及位彻移修正花6.3.惹1询揉底部剪力狭法对柱轴夹力的修正昼苹根据规定主，用底部污剪力法估叹算钢框架三结构的构跳件截面，殃本结构的棵基本自震而周敞期堵T减1矿=0.8查53s<形1.5渴s废，所以对寄柱的轴力锣不予折减已。望6.3.宰2易揭节点域剪厌切变形对拒楼层侧移登的影响片楼层侧移轻按下面公差式进行修珠正轧：过江6.3.随3贡婚节点柔性舟对结构位侄移和内力骨的影响偿修正以保语证结构的胃安全为原颂则，凡按候节点刚性调假定所得会的值大于难考虑节点垫柔性计算坦的不予修速正。反之届，则予以成修正，修离正前后所比得的变化虑范围应协在盟5暮%猎以内为宜叹。孕结构的水烫平位移修批正码采劈用披5湿%侵的修正系辨数对结构淋的水平位祥移进行修含正。诊(2)丝厚柱端弯矩吐修正脑颈疾修正系数兵：级将组合后篮的底层柱酒端弯矩放鞭大外倍。坦6.4凯井变形验算拒6.4.率1协神结构整体眯稳定成根据规定凤，高层建鼓筑钢结构砌符合下列峰条件时，蛛可不验算右结构的整愚体稳定性皆。侍(1)氏拒结构各楼迟层柱的平默均长细比倚和平均轴甩压比满足阻：成(2)与抖按结构一俯阶线弹性摔计算所得符的各层间赢相对位移帖值满足：预经验算，再结构同时杠符合上述孙条泛件景,家可不验算往结构的整拳体稳定性末。涉6.4.俩2从结构侧移辱验算并(1)茄肚结构的层刚间位移验售算：满足严钢结构的忠层间位移贺不超过结控构层高稻的恭1/30殿0多。挪(2)洽宽结构的端茅部侧移验剩算：求得筒质心的高患度暗为寸X=9.射77徒m属，用直线肢内插法求漠得质心处也的侧移画的忽1.星3焦倍，且结宣构端部侧容移满足不功超过质心浙侧移隙的即1.天3贞倍。斗7汁砍构件验算鱼及节点设芹计舞（湾C葡轴）滴7.1羡曾框架梁验远算候各型号的忙梁取内力线最大的验昌算，分别出包括有震渴和无震两膨种情形。男分别解对野8.4辞m倘梁台和汤3.6膝m坏梁进行坡抗侧刚度显、柳抗剪强度希、端部截炼面抗剪、句板件宽厚贪比、整体醒稳定和挠涌度的验算谈。长曲彼其中对有查震内力进党行验算时片，承载力木要除以抗推震承载力暑折减系数门RE冰。经验算谣，两种型摔号的梁均跨能满足要亏求。带7.2铺暂框架柱验赖算策敢渐求得各柱江的计算长闯度，分别砌进行强柱浅弱梁计算蔬、强度验固算、框架番柱平面内剖、平面外碍的稳定验躁算、柱板脸件宽厚比胳验算和柱上板件宽厚巩比验算。戚均满足要阔求。属7.3改季节点域设晶计祸速此建筑锣为搏8前度抗震设甲防的结构亿，柱两侧篮的梁高不议等。在柱评与梁连接镇处，柱设阵置与上下攀翼缘位置设对应的加仙劲肋，水袖平加劲肋蒸与梁的翼网缘等厚吊。次H台形柱水平间加劲肋与雹柱翼缘焊遣接，采用退坡口全熔示透焊缝，我与柱腹板归连接时采童用角焊缝吼。分别进吃行节点域储的稳定性焰、抗剪强雾度、屈服暗承载力验衬算。均满呈足要求。乏7.4向鹊节点设计笋7.4.桶1眨歇梁与柱的纯连接恋（分别见育图回3睛和剃图起4科所示）名图世38魂.4劣m填梁柱连墓接衰暗掩坡图捡43缴.6屿m壳梁柱连接菠框架柱与牲梁刚性连执接时，柱晌为带悬臂持段的柱单骡元逐,纺纵向梁与漫柱连接时想为铰接。镜框架柱与喉梁刚性连球接时，采姑用高强螺凉栓，梁翼忙缘板采用烂坡口全熔壁透焊缝。石在梁翼缘伯的对应位妖置设置柱雹的水平加质劲肋，其蒜厚度与翼饰缘等厚。应按照腹板高和翼缘的询惯性矩来浙分配截面绞弯矩，计顾算腹板螺币栓的受力抢，分别验夸算翼缘焊快缝抗弯承悟载力、极包限受弯承尸载力估、极限受总剪承载力弃。经计算耀，以上要梅求均能满浑足。然7.4.优2规难柱的拼接捎（中柱和盆边柱的拼终接分别见进图左5序和疲图讯6垮所示）舰图馅5正宗中柱的拼柄接想卫誓峡图饭6药王边柱的拼萌接康过程类似悲于梁与柱窜的连接，菌经计算，蛮均满足要枕求。场礼愿柱脚设计进：凝采用埋入查式柱脚，虚从内力组绍合表中选则出最不利碍的柱底内壮力进行设毁计。捉求出柱一萍侧翼缘抗避剪栓钉的尊受剪承载冒力设计值扶，进而确对定抗剪栓伙钉的数目卸，并验算捏底板抗压倦强度。经奶计算，均晨满足要求悦。真7.4.愁3猛傲主次梁的圆拼接（见雾图按7既所示）敏主次梁连狠接为铰接太连接。腹泪板连接采快用高强螺轮栓。验算嫩螺栓强度锐，进行主膏梁加劲肋太稳定性、捆承压强度井和焊缝的雾验算。经鲁计算，主烟次梁连接角合格。养图通7桑观主次梁的乱连接柳7.5锦奋组合楼盖泼设计袖分别求得状组合楼盖丘在施工阶辱段和使用皆阶段的恒雀载和活载遇，进行两砖个阶段的练验算以及占斜截面抗坚剪验算。的考虑到压头型钢板的哭抗弯作用永，混凝土久板板底肉不蒸违予配筋，方另根据支秩座处的负叔弯矩配置肉支座负筋端10@1施2向0炒。最后进浆行挠度验像算。沸7.6谱阻楼梯设计蒙（采用梁引式楼梯）屯拘计算楼梯矩荷载，根别据最不利蝶内力确定灭楼梯梁的胳型号，验梳算其强度计、整体和男局部的稳栋定性以及淘挠度。平足台梁与梯样段的拼接四均采用焊廊接连接。险上、下翼需缘板拼接勿各致为苦V勿形坡口对薄接焊接，惰用引弧板驰施焊。腹禽板采用工卫字形焊缝建。不用引延弧板。参考文献稳1湾贤《钢结构容设计规范风》树（胡GB50左017-企200鸡3宏）北京，摆中国计划休出版社出赶版叉蜜2辈砌《建筑抗果震设计规梦范》絮（发GB50稍011-射200熟1嗓）北京，喊中国建筑杠工业出版简社出版紫3饺歌《建筑结降构荷载规佣范》巧（腹GB50支009-纷200女1烦）北京，顷中国建筑震工业出版赖社出版延4纲药《建筑结进构制图标泡准》明（敌GB/T南501领05-2守00晨1蒙）雀北京，中桃国建筑工河业出版社弟出版洋5似蹲《建筑地滤基基础设差计规范》柜（义GB50堂007-食200翅2臣）北京，欣中国建筑谣工业出版熄社出版寇6四哭《高层民涉用建筑钢记结构技术政规程》羡（刃JGJ9必9-9月8荒）松7制起王匙珊葡观.贪钢结恨构框.垃殿北京，中恶国建材工盐业出版社半出版铅，宏199盗7保，夹8完8盯判尚守平，风周福雷霖航.宅尾结构抗震纯设优计酿.绘迅高等教育赔出版社斜9胞输《建筑物技抗震构造伸详图怖》抬(03G建329-脚1)衔颜中国建筑乞标准设计茧研究所出欣版慧10摘驱梁兴文，懒史庆热轩莲.壶怠土木工程间专业毕业彻设计指汪导恰.族匀科学出版傲社局11棋星龙驭球，模包世效华絮.竟喜结构力学惊教小程员Ⅱ事.什搬高等教育铲出版社征Abst怜ract宋This址des完ign勿ist群hef乳rame括str式uctu评red皂esig颤nof脂the挠Sci伪ence炉Res艇earc护h&作Offi辆ceB唉uild造ing阔oft偶hen中ewc艘ampu俯sei病nLi侍angx魔iang涨tow奉nof陈the蹦Bei肯jing和Tec膊hnol橡ogy顽and念Busi弯ness柳Uni押vers乞ity.只Tra愈nsac奸ting棚to忙four肿lay殖ers蜻ont陪heb足uild委ing'替sgr宵ound当,th吴epa笋rti快sth漠ree滚laye封rs.T际otal斩bui愁ldin阔gar芽eai虎s59雅20s牺quar吐eme竭ters增.Dra赠wup货to缸set槐upt状heh获ouse撇loc浓ated删ant玻i-e靠arth宾quak宇eto循est恐abli假sht售ode骆fend崇the押ear砌thqu驼ake梅inte修nsit撑yas全8d朝egre梳es,悉the宽asei劫smat锦icg析rade春is论seco雨ndc采lass概,th铸efi拨re-p氧roof罗gra杯dei存sse蜓cond初cla凤ss,缺the蜻endu业ring带gra溉dei不sse肠cond贪cla全ss,悠the睬fill脸ing-号wall静are姿out滥side铅wal起lan绩din踩side坚sep线arat俗e遗wall肌,wh放ich率are辱made嫂up晌with怕con季cret娱ebr员icks著swi赤ngi般nwi含tha遇ir.部Wec灾alcu难late臭the裕int闭erna内lfo纤rce扑oft妇hes坛truc歉ture说und创ert慰hee局arth灵quak划ein堂the偷met恋hod谊oft耗heb允otto裂msh绘eari斗ngf绸orce汽-met镜hod,停and出calc袄ulat式eth裹ese僚cund宫dis猜plac疲emen鬼tin腹the瓦Dv泡alue舌-me缠thod兔,and器cha承lku挂pth洋ein扇tern漂al