学士某多高层钢结构住宅毕业设计含计算书建筑结构设计图Word文档格式.doc
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如下图3-1所示,首层平面设计为大空间的形式,可以用此空间做为店面,即商住两用住宅。
中间设计为过道、楼梯和电梯。
由过道和墙把首层建筑分开为四个大空间,作为四爿店。
由于商业的要求,首层平面将进行比较豪华的装修,例如钢柱将外包为方柱,而墙也做成玻璃幕墙与装饰墙混合的形式。
此外,门也将用比较好看的旋转门,以吸引顾客。
图3-1首层建筑平面图
3.1.2.标准层平面图
如下图3-2所示,标准层平面设计为商品房,以中间两墙为分隔墙,分为四户。
朝北两户面积较小,内设一个客厅,四个卧室,两个卫生间,一个厨房,一个阳台(左右侧阳台以一墙分开)。
而朝南两户面积较大,内设一个客厅,五个卧室,一个书房,一个厨房,两个卫生间,一个杂物间,一个独立阳台。
此外,左右两户为于中间墙对称。
图3-2标准层平面图
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3.1.3.顶层平面图
如下图3-2所示,顶层设计为空旷的天台,外围有1.2m的女儿墙,屋檐外挑500mm。
图3-3 顶层平面图
3.1.4.剖面图
图3-4 剖面图1
图3-4 剖面图2
3.1.5.立面图
图3-5 南立面图
3.2.结构布置
如下图3-4所示,结构布置为纯框架结构,主梁与柱刚接,由于建筑设计中布置了许多轻质ALC隔板,为满足结构需要,布置连续次梁。
由于结构比较规则,且受力也比较对称,次梁与主梁连接采用刚接方式。
图3-4 标准层结构布置图
图3-5 顶层结构布置图
3.初步设计
4.1.建筑做法
屋面做法:
压型钢板混凝土组合楼板,20mm石灰砂浆抹底,20mm水泥砂浆找平,100~140厚(2%找坡)膨胀珍珠岩保温层,八层作法防水层(三毡四油上铺小石子)。
墙身做法:
外墙采用150mm厚ALC板,分户墙等要加支撑的墙选用混凝土空心小砌块,内隔墙采用100mm厚ALC板,计算自重
楼盖做法:
楼盖采用压型钢板混凝土组合楼板,压型钢板上的混凝土选取100mm。
门窗做法:
门为木门,自重0.2kN/m2,窗为钢窗玻璃窗,自重0.4kN/m2。
4.2.屋盖做法
压型钢板采用国产压型钢板YX70-200-600。
下面查《建筑结构荷载规范》(GB50009_2001)进行荷载计算。
由于屋面为上人的屋面,取标准值为。
恒荷载标准值
20厚水泥混凝土找平
100~140厚(2%找坡)膨胀珍珠岩
八层作法防水层
100mm厚钢筋混凝土楼板
20mm厚石灰砂浆抹底
压型钢板自重
-------------------------------------------------------------------------------------------------------
小计
荷载设计值
4.3.楼盖做法
根据《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001),民用建筑楼面均布活荷载标准值亦取。
水磨石面层
20厚水泥混凝土找平
-------------------------------------------------------------------------------------------------
确定荷载设计值时考虑两种情况:
活荷载效应控制和恒荷载效应控制,取大者。
故,在此取。
4.4.材料验算
查压型钢板规格表,压型钢板强度,面积,压型钢板自重,,,混凝土选用C20,面层自重为,重心距底板高度为。
平均板厚度为:
计算简图:
由于施工阶段板块还未拼接完成,故分为一块一块,可视其为结构为简支单向板,而在结构布置中,。
图4-1 计算简图
施工阶段:
恒载
活载
弯矩
使用阶段
剪力
压型钢板验算(施工阶段)
抗弯强度
挠度计算
组合板验算(使用阶段)
组合截面塑性中和轴在压型钢板顶面以上
斜截面抗剪承载力
每个肋平均宽度(50+70)/2=60(mm)
4.5.板的设计
按弹性设计。
计算简图
由结构平面布置图知,楼板最长跨度为十四跨,而由于结构力学知识知,在中间跨部分,弯矩基本相等,而图中中间跨的跨度没有很大的变化,故化为五跨的简图来计算。
中间跨取最大长度。
表4-1 五跨计算表
由表知,最大内力如下:
,
弯矩
剪力
4.6.次梁的设计
内隔墙采用100mm厚ALC板,计算自重,即化为线性均布荷载为,暂不考虑次梁自重。
4.6.1.荷载设计值
恒荷载设计值:
板传来恒荷载
ALC板自重
活荷载设计值
4.6.2.计算简图
由于跨度变化比较大,不应采用等跨度连续梁,但为方便手算,取最长跨度3.3m作为等跨连续梁进行手算。
计算简图如下:
图4-2 恒载标准值分布图
图4-3 活载标准值分布图
弯矩
剪力
4.6.3.最不利荷载
当考虑最不利荷载时,如下组合可得到最大正弯矩、最小负弯矩和最大剪力:
4.6.3.1.最大正弯矩:
图4-4 最大正弯矩分布图
4.6.3.2.最大支座负弯矩和最大剪力:
图4-4 最大支座负弯矩和最大剪力分布图
考虑到内力组合时梁的最不利内力组合多是:
恒荷载+活荷载+风荷载,将计算弯矩乘上1.2的放大系数,可得
图4-5 次梁截面
可选用,,理论重量为,化为线性荷载为:
,此时,恒荷载设计值为:
。
验算最大负弯矩:
而
满足要求。
4.7.主梁的设计
4.7.1.材料选用
本结构选用轴框架进行截面初步设计,对于梁选用Q235钢材,柱子选用Q345钢材。
4.7.2.力的传递
由于次梁承受了板传来的荷载,主梁主要承受次梁的荷载,而次梁的荷载主要为集中力。
4.7.2.1.恒荷载标准值
次梁传来的恒载
次梁自重
4.7.2.2.活荷载标准值
次梁传来的活载
4.7.2.3.计算简图及计算
1)满载时:
图4-6 恒载标准值分布图
图4-7 活载标准值分布图
最大正弯矩:
最小负弯矩:
最大剪力:
2)最大正弯矩计算简图:
图4-8 恒载标准值分布图
图4-9 活载标准值分布图
3)最小负弯矩和最大剪力计算简图:
图4-10 恒载标准值分布图
图4-11 活载标准值分布图
4.7.2.4.最不利组合及材料选型
可选用,,。
图4-12 主梁截面
4.8.柱的设计
不考虑柱自重,当恒载与活载均满布时,各柱有最大轴力。
由此估算,估算如下:
满载时:
图4-13 恒载设计值分布图
图4-14 活载设计值分布图
支座剪力:
两端支座反力:
中间支座反力:
与电算比较,如下图:
图4-15 Sap2000电算结果
由图知,最小的支座反力为,最大的支座反力为,与手算结果相差不大。
选手算的中间支座反力估算全栋楼每根柱的受力
钢框架中,框架柱的长细比控制在30-70之间,在这个范围内,柱的轴心受压稳定系数大致在0.7-0.8之间,同时,考虑到柱是处于弯压状态,在没有计算弯矩作用时,把柱所受轴力N乘以放大系数。
柱选用截面,,,
梁柱构件的线刚度计算后如图,其中在求梁截面惯性矩时考虑到楼板的作用,取。
为钢梁的截面惯性矩。
梁刚度:
AB、BC梁:
图4-16 柱截面
CD、DE梁:
EF梁:
柱刚度:
底层柱:
上部柱:
图4-17 结构计算简图(图中数字为线刚度)
4.框架设计
5.1.恒荷载计算
由于次梁传递了板和ALC板的荷载,故屋面框架梁线荷载和楼面框架梁线荷载只有梁本身自重和其涂层自重,线荷载如下:
屋面框架梁线荷载和楼面框架梁线荷载
钢梁自重
屋面框架节点集中荷载标准值
1m高女儿墙
墙侧粉刷
-----------------------------------------------------------------
楼面框架节点集中荷载标准值
5.2.活荷载计算
屋面框架梁集中荷载标准值:
次梁传来的活载
楼面框架梁集中荷载标准值:
5.3.内力计算
多层多跨框架在竖向荷载作用下,侧向位移比较小,计算时可忽略侧移的影响,用力矩分配法计算。
由于精确分析可知,每层梁的竖向荷载对其他各层杆件内力的影响不大,因此,将多层框架分解成一层一层的单层框架分别计算。
在计算时,假定上下柱的远端为固定端,为了使误差减小,除底层外,其他层各柱的线刚度乘以折减系数0.9,另外,传递系数也由修正为。
5.3.1.恒荷载作用下的内力计算
图5-1 恒荷载计算简图(图中数据单位:
集中力为kN;
均布力为kN/m)
顶层框架
图5-2 顶层梁恒荷载
计算结果:
表5-1 顶层荷载弯矩分配
图5-3 顶层梁弯矩
屋面框架
图5-4 屋面框架恒荷载
图5-5 屋面框架恒荷载弯矩
58
屋面框架恒荷载弯矩计算表
表5-2 屋面框架恒荷载弯矩分配
标准层框架
图5-6 标准层框架恒荷载
图5-7 标准层框架弯矩
标准层框架恒荷载弯矩计算表
表5-3 标准层框架恒荷载弯矩分配
底层框架
底层柱弯矩的算法与标准层相同,只是柱的刚度不再乘以0.9。
计算如下:
图5-8 底层框架恒荷载
图5-9 底层框架弯矩
底层框架恒荷载弯矩计算表
表5-4 底层框架恒荷载弯矩分配
各层组合弯矩后,节点弯矩不平衡,平衡节点弯矩,计算列表如下。
顶层与屋面层的节点弯矩平衡
顶层与屋面层的节点弯矩平衡计算表
表5-5 顶层与屋面层的节点弯矩平衡
标准层与标准层的节点平衡
标准层与标准层的节点弯矩平衡计算表
表5-6 标准层与标准层的节点平衡1
表5-7 标准层与标准层的节点平衡2
标准层与底层的节点平衡
标准层与底层的节点弯矩平衡计算表
表5-8 标准层与底层的节点平衡1
表5-9 标准层与底层的节点平衡2
框架剪力图
图5-10 框架剪力图
框架轴力图
图5-11 框架轴力图
5.3.2.活荷载作用下的内力计算
活荷载作用下的内力计算,考虑最不利荷载布置:
次梁传来的活载
最大正弯矩(仅考虑两种情况)
图5-12 最大正弯矩最不利活荷载布置情况1
图5-13 最大正弯矩最不利活荷载布置情况2
现仅对最大正弯矩最不利活荷载布置情况1进行手算,手算结果如下:
顶层梁弯矩分配
屋面梁弯矩分配
表5-10 屋面梁弯矩分配
标准层框架弯矩分配1
表5-11 标准层框架弯矩分配1
标准层框架弯矩分配2
表5-12 标准层框架弯矩分配2
底层框架弯矩分配
表5-13 底层框架弯矩分配
屋顶弯矩平衡
表5-13屋顶弯矩平衡
标准层与标准层弯矩平衡1
表5-14 标准层与标准层弯矩平衡1
标准层与标准层弯矩平衡2
表5-15 标准层与标准层弯矩平衡2
标准层与底层弯矩平衡
表5-16 标准层与底层弯矩平衡
剪力计算
剪力计算如下表:
表5-17 剪力计算表
轴力计算
轴力计算如下表:
表5-18 轴力计算表
最小负弯矩及最大剪力(考虑两种情况)
图5-14 最小负弯矩及最大剪力最不利活荷载布置情况1
图5-15 最小负弯矩及最大剪力最不利活荷载布置情况2
此处省略手算最小负弯矩及最大剪力最不利活荷载布置情况。
5.4.地震效应计算
5.4.1.重力荷载计算
屋面板与楼板自重:
9层屋面板面积
8层屋面板面积
1~7层楼面板面积
屋面板自重
楼面板自重
9层屋面板自重
8层屋面板自重
1~7层楼面板自重
各层梁自重:
9层梁自重
1~8层梁自重
各层柱自重:
9层柱自重
2~8层柱自重
1层柱自重
各层填充墙等自重:
9层150厚ALC外墙
2~8层150厚ALC外墙
1层150厚ALC外墙
9层100厚ALC内墙
2~8层100厚ALC内墙
1层100厚ALC内墙
小计
--------------------------------------------------------------------------------------------------------
9层楼层自重
8层楼层自重
2~7层楼层自重
1层楼层自重
柱的侧移刚度
梁的刚度为:
标准层柱的刚度为:
底层柱的刚度为:
如下表计算:
表5-19 刚度计算表
每层D值汇总
表5-20 D值汇总
自振周期计算
表5-21 自拔周期计算表
由表中计算数据知,。
一般多采用顶点位移法计算结构基本周期,公式如下:
其中,当采用轻质墙、外挂墙板时取0.8;
为假想集中在各层楼面处的重力荷载代表值为水平荷载,按弹性方法所求得的结构顶点假想位移(m)。
5.4.2.横向地震作用计算
该房屋位于设防烈度为8度的Ⅱ类场地上,该地区的设计基本地震加速度为0.20g(汕头地区),设计抗震分组为第一组,结构的阻尼比为0.35。
特征周期
阻尼比
水平地震影响系数最大值
由于,故考虑顶点附加地震作用,顶部附加地震作用系数为:
水平地震力
9层等效地震力
各层地震作用及楼层地震剪力
水平地震作用标准值公式为
计算过程如下表:
表5-22 每层地震剪力计算
5.4.3.变形验算
表5-23 变形验算表
由表中计算数据知,最大的层间相对弹性转角为0.00094,满足的要求。
其中为钢结构房屋的最大层间弹性转角。
5.4.4.柱的弯矩计算
在工程手算方法中,常采用反弯点法和D值法(改进反弯点法)进行水平地震作用下框架内力的分析。
由于本工程层数只有八层,层数较少,且梁柱线刚度比,故可用D值法对框架进行手算。
计算过程如下表
1~8层A、F轴边柱,9层D、E轴边柱:
表5-24 柱的弯矩计算1
1~9层B、C、D、E轴中柱:
表5-25 柱的弯矩计算2
注:
表中,,,
5.4.5.梁的弯矩计算
A轴梁端
表5-26 A轴梁端
B轴梁端
表5-27 B轴梁端
C轴梁端
表5-28 C轴梁端
D轴梁端
表5-29 D轴梁端
E轴梁端
表5-30 E轴梁端
F轴梁端
表5-31 F轴梁端
5.4.6.框架剪力计算
表5-32 框架剪力计算
5.4.7.框架轴力计算
表5-33 框架轴力计算
5.5.风荷载
5.5.1.风荷载取值
垂直于建筑物表面上的风荷载标准值,应按下述公式计算:
根据设计资料,基本风压,地面粗糙度为C类。
根据《建筑结构荷载规范》GB50009-2001中的附录F“结构基本自振周期的经验公式”知,高层钢结构建筑的基本自振周期可取
其中为建筑层数。
本建筑共有9层,取系数0.10,有
此时,有
故脉动增大系数可根据插值法根据荷载规范表7.4.3得到
而脉动影响系数可根据荷载规范表7.4.4-2用插值法得到
由此可计算出结构在z高度处的风振系数,按下式计算:
将风荷载换算成作用于框架每层节点上的集中荷载,计算过程如下表所示。
表中为一榀框架各层节点的受风面积,计算结果如图。
表5-34 风荷载计算1
表5-35 风荷载计算2
图5-16 风荷载作用图(单位:
kN)
对于整个建筑而言,横向风荷载如下表:
表5-36 横向风荷载计算
纵向风荷载如下表:
表5-37 纵向风荷载计算
可见,横向与纵向的风荷载几乎相等。
5.5.2.风荷载引起的柱弯矩
表5-38 风荷载引起的柱弯矩1
表5-39 风荷载引起的柱弯矩2
5.5.3.风荷载引起来的梁弯矩
A轴梁端:
表5-40 A轴梁端
B轴梁端:
表5-41 B轴梁端
C轴梁端:
表5-42 C轴梁端
D轴梁端:
表5-43 D轴梁端
E轴梁端:
表5-44 E轴梁端
F轴梁端:
表5-45 F轴梁端
5.6.内力组合
《根据高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ99-98,第5.4.2条:
第一阶段抗震设计进行构件承载力验算时,其荷载或作用的分顶系数应按表5.4.2的规定采用,并应取各构件可能出现的最不利组合进行截面设计。
由于本建筑的限制,只进行1、2项内力组合即可。
5.6.1.框架柱的内力组合
A轴柱的内力组合
表5-46 A轴柱的内力组合
B轴柱的内力组合
表5-47 B轴柱的内力组合
C轴柱的内力组合
表5-48 C轴柱的内力组合
D轴柱的内力组合
表5-49 D轴柱的内力组合
E轴柱的内力组合
表5-50 E轴柱的内力组合
F轴柱的内力组合
表5-51 F轴柱的内力组合
5.6.2.框架梁的内力组合
AB梁的内力组合
表5-52 AB梁的内力组合
BC梁的内力组合
表5-53 BC梁的内力组合
CD梁的内力组合
表5-54 CD梁的内力组合
DE梁的内力组合
表5-55 DE梁的内力组合
EF梁的内力组合
表5-56 EF梁的内力组合
5.截面验算
表5-57 主梁受力
6.1.主梁的截面验算
以框架底层的CD梁为例进行梁的截面验算,其最不利内力组合为:
按受弯构件计算,由于选用,,。
6.1.1.强度验算
6.1.1.1.正应力
由于只考虑单向弯曲,这时梁的抗弯强度应满足:
其中,为塑性发展系数,取;
为材料抗力分项系数,对钢取,跨中有最大弯矩,取计算,
满足。
6.1.1.2.剪应力
此时亦只考虑单向受剪,应满足:
其中为计算剪应力处以上(或以下)截面对中和轴x轴的面积矩。
对于梁,其计算如下:
6.1.2.局部压应力验算
由于主梁上受到次梁的集中力为,局部压应力应满足下列公式:
其中,为集中荷载,由于是静力,不考虑动力系数;
为集中荷载放大系数,取;
为集中荷载在腹板计算高度上边缘的假定分布长度,跨中集中荷载:
则
6.1.3.刚度验算
对等截面简支梁:
而根据受弯构件挠度容许值,主梁或桁架的最大挠度容许值为,。
满足刚度要求。
表5-58 柱受力
6.2.柱的截面验算
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