土木工程专业毕业设计 钢框架.docx

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土木工程专业毕业设计钢框架

第一章绪论

1.1工程概况

该工程一栋六层框架结构某高校教学楼，横向框架不少于三跨，总建筑面积为5427m2。

设计使用年限为50年，结构安全等级为二级，环境类别为一类。

抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.15g，第二组。

建筑室内外高差600mm，室外标高即为现有自然地面标高。

不考虑风荷载设计，其他条件如下：

1、气象资料

（1）基本雪压值：

s0=0.65kN/m2

2、水文地质资料

场地条件：

拟建场地地表平整，土层分布见表，场地土类别为Ⅱ类

场地土层物理力学指标如下:

土层号

天然含水量

W（%）

天然空隙比

e

塑性指数Ip

液限指数IL

压缩指标

Es1-2

承载力特征值

Fak（kpa）

①

∕

0.803

∕

0.61

7.5

／

②

23．1

1.147

∕

0．62

2.5

220

③

15．2

0.805

∕

0．50

2.5

320

3、抗震设防烈度

7度（0.15g）第一组

4、荷载资料

（1）办公楼楼面活载，查《建筑结构荷载规范》（GB5000g-2001）。

确定楼面活载标准值，办公室为2.0kN/m2，走廊2.5kN/m2，楼梯2.5kN/m2，卫生间4.0kN/m2。

（2）不上人屋面：

活载标准值为0.7kN/m2。

（3）屋面构造

35mm厚490mm×490mm的C20预制钢筋混凝土架空板、防水层、20mm厚水泥砂浆找平层、现浇钢筋混凝土屋面板、12mm厚纸筋石灰粉平顶。

（4）楼面构造：

水磨石面层、现浇钢筋混凝土楼面板、12mm厚纸筋石灰粉平顶。

（5）维护墙：

采用200厚非承重空心砖（190mm×190mm×190mm），外墙重度3.6kN/m2，内墙重度3.2kN/m2，M5混合砌筑砂浆，双面粉刷（重度3.6kN/m2）。

本工程采用全现浇框架结构，由于开间较大，双向板的跨度超过经济跨度较多，在楼面设次梁。

1.2建筑与基础设计型式、框架计算方法

本工程为横向框架结构，采用柱下独立基础，在基础顶面设置基础连梁，增强结构的整体刚度。

 框架是典型的杆件体系，近似计算的方法很多，工程中最实用的是力矩分配法及D值法，前者多用于竖向作用下求解，后者用于水平作用下求解。

本工程采用力矩分配法。

该方法的使用都作了以下几点的假定：

[1]忽略粱，柱轴向变形及剪切变形。

[2]杆件为等截面（等刚度），以杆件轴线作为框架计算轴线。

[3]在竖向荷载下结构的侧移很小，因此在做竖向荷载下计算时，假定结构无侧移。

1.3主要进程安排

（0）外文资料翻译、调研、复习相关主干课程——寒假；

（1）建筑设计，绘制建筑施工图——第6~7周；

（2）结构平面布置（楼盖布置、估算构件截面尺寸）和荷载计算——第8周；

（3）竖向荷载作用下横向框架内力计算（采用弯矩二次分配法）、计算结构力学程序核算——第9周；

（4）水平地震荷载作用下横向框架内力计算及侧移计算（采用D值法）、计算结构力学程序核算——第10周；

（5）横向框架梁、柱内力组合（列表进行）和截面设计——第11~12周；

（6）主楼梯的结构设计——第13周；

（7）柱下基础设计——第14周；

（8）绘制横向框架、主楼梯、基础结构施工图——第12~14周；

（9）用PKPM软件对整栋框架结构进行SATWE电算并绘制出标准层结构平面图（板配筋图）和梁配筋平面图——第15~16周；

（10）电子版毕业设计文件的输入、打印和装订——第8~16周

第二章建筑结构布置与荷载计算

2.1基本理论

2.1.1计算单元

一般取中间具有代表性的一榀框架进行分析，本工程选取第4榀框架进行分析现浇框架梁柱的连接点简化为钢接，框架柱与基础的连接简化为固结。

2.1.2跨度、层高

框架梁跨度取柱子轴线之间的距离。

框架层高，底层取基础顶面到二层楼板结构顶面的距离，本工程取为5m，其余层取下层结构楼面到上层结构楼面的距离，本工程取3.6m。

2.1.3构件材料选择：

（1）混凝土：

本工程取C30

（2）钢筋：

本工程纵向受力钢筋采用HRB335、构造钢筋采用HPB235、箍筋采用HPB235。

2.1.4构件截面估算及弯曲刚度的确定

（1）柱：

初步估算柱截面

中柱：

AC=1.1×12×4.5×9.0×6/0.8×14.3=224300mm2

边柱：

AC=1.2×12×4.5×9.0×26/0.8×14.3=244700mm2

取柱截面500mm×600mm

（2）梁（估算）

框架纵梁：

h=（1/12～1/8）l=（1/12～1/8）×9000=750mm,b=300mm

框架横梁：

h=（1/12～1/8）l=（1/12～1/8）×6300=500mm，b=300mm

次梁：

h=（1/18～1/15）l=（1/18～1/15）×6300=400mm，b=250mm

现浇板：

连续单向板，取=110mm，走道取100mm

2.2设计计算

2.2.1确定计算简图

在计算梁柱弯曲刚度时，应考虑楼盖对框架梁的影响，在现浇楼盖中，中框架的截面惯性矩取I=2I0，边框架梁取I=1.5I0。

I0为框架梁按矩形截面计算的截面惯性矩。

框架柱的惯性矩按实际截面尺寸确定。

选取一榀框架的三跨分别为：

l=6300、2400、6300。

计算简图如下：

图2-8计算简图

2.2.2梁柱截面尺寸

框架柱：

本工程均为500mm×600mm。

梁：

横向框架梁AB、CD跨：

300mm×750mm，BC跨：

300mm×550mm，纵向连系

梁：

300mm×400mm，次梁：

250mm×450mm。

2.2．3材料强度等级

混凝土等级：

均采用C30级；

钢筋直径≥12mm采用HRB335钢筋，其余采用HPB235钢筋。

2.2.4荷载计算

本工程以④轴线横向框架为计算分析对象

恒载图（D-L.T）活载图（L-L.T）

（a）（b）

荷载计算简图

（a）恒载作用下结构计算简图；（b）活载作用下结构计算简图

屋面横梁竖向线荷载标准值

（1）恒载

屋面恒载标准值：

40厚架空隔热板0.04×25=1KN／㎡

防水层0.4KN／㎡

20厚1:

3水泥砂浆找平层0.02×20=0.4KN／㎡

120（100）厚钢混凝土现浇板0.12×25=3KN／㎡

（AB、CD跨板厚取120；BC跨取100）（0.10×25=2.5KN／㎡）

12厚纸筋石灰粉平顶0.012×16=0.192KN／㎡

______________________________________________________________________________________

屋面恒载标准值：

4.99KN／㎡

（4.5KN／㎡）

梁自重

边跨AB、CD跨：

0.3×0.75×25=5.63KN/m

梁侧粉刷：

2×（0.75－0.12）×0.02×17=0.43KN/m

______________________________________________________________________________________

6.06KN/m

中跨BC跨：

0.33×0.55×25=4.13KN/m

梁侧粉刷：

2×（0.55-0.1）×0.02×17=0.31KN/m

______________________________________________________________________________________

4.44KN/m

作用在顶层框架梁上的线恒荷载标准值：

梁自重：

g6AB1=g6CD1=6.06KN/mg6BC1=4.44KN/m

板传来的荷载：

g6AB2=g6CD2=4.99×4.5=22.46KN/m

g6BC2=4.5×2.4=10.8KN/m

（2）活载

作用在顶层框架梁上的线活载标准值为：

q6AB=q6CD=0.5×4.5=2.25KN/m

q6BC=0.5×2.4=1.2KN/m

2.楼面横梁竖向线荷载标准值

（1）恒载

硬木地板0.2KN／㎡

15厚水泥砂浆面层0.015×20=0.3KN／㎡

120（100）厚钢筋混凝土现浇板0.12×25=3KN／㎡

（0.10×25=2.5KN／㎡）

12厚板底粉刷0.012×16=0.192KN／㎡

______________________________________________________________________________________

楼面恒载标准值：

3.692KN／㎡

（3.192KN／㎡）

边跨（AB、CD跨）框架梁自重：

6.06KN/m

中跨（BC跨）梁自重:

4.44KN/m

作用在楼面层框架梁上的线恒荷载标准值为：

梁自重+墙自重：

gAB1=gCD1=6.06+3.2×3.6=17.58KN/m

gBC1=4.44KN/m

板传来荷载：

gAB2=gCD2=3.692×4.5=16.61KN/m

gBC2=3.192×2.4=7.66KN/m

（2）活载（图2-9b）

楼面活载：

qAB=qCD=2.0×4.5=9.0KN/m

qBC=2.5×2.4=6.0KN/m

3.屋面框架节点集中荷载标准值（图2-10）

G6BG6CG6DG6E

图2-10恒载顶层集中力

（1）恒载

边柱连系梁自重0.3×0.4×4.5×25=13.5KN

粉刷2×（0.4－0.12）×0.02×4.5×17=0.86KN

1m高女儿墙1.0×4.5×3.6=16.2KN

粉刷1.0×2×0.02×4.5×17=3.06KN

次梁自重1/2×（0.35×0.45×6.3×25）=12.4KN

连系梁传来屋面的自重2×（4.5×0.5×4.5×0.5）×4.05=41.01KN

次梁粉刷1/2×（0.45－0.1）×2×0.02×17××6.3=0.75KN

次梁传来屋面的自重1/2×（6.3+6.3－4.5）×4.5/2×4.05=36.91KN

______________________________________________________________________________________

顶层边节点集中荷载G6A=G6D=124.69KN

中柱连系梁自重0.35×0.45×4.5×25=17.72KN

粉刷（0.5－0.1）×0.02×6.3×17×2=1.71KN

连系梁传来屋面自重

2×（4.5×0.5×4.5×0.5）×4.05+2×1/2（4.5+4.5－2.4）×1.2×4.05=73.09KN

次梁自重1/2[﹙0.3×0.4×2.4×25﹚﹢﹙0.35×0.45×6.3×25﹚]=16.01KN

次梁传来屋面的自重

1/2[﹙6.3+6.3－4.5﹚×4.5/2×4.05+（2.4×0.5×2.4×0.5）×4.05）]=39.83KN

______________________________________________________________________________________

顶层中节点集中荷载148.36KN

（2）活载

Q6A=Q6D=（1/2×0.5×4.5×1/2×4.5×2）+1/2×（6.3+6.3－4.5）×4.5/2×0.5=9.62KN

Q6B=Q6C=1/2×（6.3+6.3－4.5）×4.5/2+2×（4.5×0.5×4.5×0.5）×0.5+（2.4×0.5×2.4×0.5）×0.5×2+1/2×（4.5+4.5-2.4）×1.2×0.5=17.58KN

四、楼面框架节点集中荷载标准值（如下图）

GAGBGcGD

图2-11恒载中间层节点集中力

（1）恒载（此处未考虑填充墙自重）

边柱连系梁自重：

13.5kN

粉刷：

0.86kN

连系梁传来楼面自重：

2×（4.5×0.5×4.5×0.5）×3.34×=3.44KN次梁传来的自重：

12.4KN

次梁粉刷：

0.75KN次梁传来的屋面自重：

（6.3+6.3-4.5）/2×4.5/2×3.34=30.43KN

______________________________________________________________________________________

61.38KN

中间层边节点集中荷载：

GA=GD=61.38KN

框架柱自重：

GA/=GD/=0.5×0.5×3.6×25=22.5KN

___________________________________________________________________________

连系梁传来楼面自重：

2×（4.5×0.5×4.5×0.5）×3.34+2×1/2×（4.5+4.5-2.4）×1.2×3.34=60.27KN

连系梁自重：

0.5×0.5×4.5×25=28.13KN

粉刷：

0.86KN

次梁自重：

1/2[（0.35×0.45×25×6.3）+（0.3×0.4×25×2.4）]=16.01KN

次梁传来的屋面自重：

1/2×[（6.3+6.3-4.5）×4.5/2×3.34+（2.4×0.5×2.4×0.5）×3.34]=32.84KN

___________________________________________________________________________

138.11KN

中间层中节点集中荷载：

GB=GC=138.11KN

GB/=GC/=22.5KN

（1）活载

中间层边节点集中荷载

QA=QD=（2×0.5×4.5×0.5×4.5）+1/2（6.3+6.3-4.5）×4.5/2×2=28.36KN

中间层中节点集中荷载：

QB=QC=1/2（6.3+6.3-4.5）×4.5/2×2+2×（4.5×0.5×4.5×0.5）+（2.4×0.5×2.4×0.5）×2+1/2×2×（4.5+4.5-2.4）×1.2=34.43KN

5、地震作用

（1）建筑物总重力荷载代表值Gī的计算：

1）集中于屋盖处的质点重力荷载代表值G6：

50%雪载：

0.5×0.45×15×25.8=96.75KN

屋面恒载：

4.99×25.8×15=1931.13KN

横梁：

4×（6.06×6.3×2+4.44×2.4）=348.08KN

纵梁：

（13.5+0.86）×6×2+（28.13+0.86）×6×2=520.2KN

女儿墙：

1×3.6×（15+25.8）×2=293.76KN

柱重：

0.5×0.6×25×1.8×16=216KN

横墙：

3.6×[（14×6.3×1.8）+（2.4×1.8-1.5×2/2）×2]=591.84KN

纵墙：

（9×1.8-2.7×2/2）×6×3.2+4.5×1.8×3.2×6=414.72KN

（忽略内纵横墙的门窗按墙重量算）

钢窗：

24×2×2.7/2×0.4=9.6KN

G6=4983.09KN

2）集中于三、四、五、六层处的质点重力荷载代表值G5－G2：

50%楼面活载：

0.5×2.0×15×25.8=387KN

横梁：

348.08KN

纵梁：

520.2KN

柱重：

216×2=432KN

横墙：

591.84×2=1183.68KN

纵墙：

414.72×2=829.44KN

钢窗：

24×2×2.7×0.4=51.84KN

楼面恒载：

15×25.8×3.692=1428.80KN

G5=G4=G3=G2=5742.05KN

（3）集中于二层处的质点重力荷载标准值G1：

50%楼面活载：

387KN

楼面恒载：

1428.80KN横梁：

348.08KN纵梁：

520.2KN

次梁：

561.01KN

柱重：

0.5×0.6×25×（2.6+1.8）×28=924KN

横墙：

591.84+591.84×2.6/1.8=1446.72KN

纵墙：

414.72+414.72×2.6/1.8=1013.76KN

钢窗：

9.6×2=19.2KN

G1=6648.77KN

（2）地震作用计算

1）框架柱的抗侧移刚度

在计算梁、柱线刚度时，应考虑楼盖对框架梁的影响，在现浇楼盖中，中框架梁的抗弯惯性矩取I=2I0，边框架梁取I=1.5I0。

I0为框架梁按矩形截面计算的截面惯性矩，横梁、柱线刚度见下表。

横梁、柱线刚度表2-8

杆件

截面尺寸

EC

（KN/mm2）

I0

（mm4）

I

（mm4）

L

（mm）

i=ECI/L

（KN·m）

相对刚度

B（mm）

H（mm）

边框架梁

300

750

25.5

1.05×1010

1.58×1010

6300

6.40×107

1

边框架梁

300

550

25.5

4.20×109

6.3×109

2400

6.69×107

1.045

中框架梁

300

750

25.5

1.05×109

2.1×109

6300

8.50×107

1.328

中框架梁

300

550

25.5

4.20×109

8.4×109

2400

8.93×107

1.395

底层框架柱

500

600

25.5

9.0×109

9.0×109

5000

4.59×107

0.717

中层框架柱

500

600

25.5

9.0×109

9.0×109

3600

6.38×107

0.997

每层框架柱总得侧移刚度见下表2-9

框架柱横向侧移刚度D值表2-9

项目

k=∑iC/2iZ（一般层）

k=∑iC/iZ（底层）

aC=k/（2+k）（一般层）

aC=（0.5+k）/（2+k）（底层）

D=aC·iZ（12/h2）

（KN/mm）

根数

层

柱类型及截面

二至六层

边框架边柱（500×600）

2.00

0.5

29.54

4

边框架中住（500×600）

2.05

0.51

30.13

4

中框架边柱（500×600）

2.66

0.57

33.67

10

中框架中柱（500×600）

2.73

0.58

34.26

10

底层

边框架边柱（500×600）

1.37

0.55

12.12

4

边框架中柱（500×600）

2.85

0.69

15.20

4

中框架边柱（500×600）

1.85

0.61

13.44

10

中框架边柱（500×600）

3.80

0.74

16.30

10

注:

iC为梁的线刚度，iZ为柱的线刚度

底层：

∑D=（12.12+15.20）×4+10（13.44+16.30）=406.68kN/mm

二~六层：

∑D=（29.54+30.13）×4+10×（33.67+34.26）=917.68kN/mm

2）框架自振周期的计算：

则自振周期为：

T1=1.70a0△1/2=1.7×0.7×0.17481/2=0.497（S）

其中a0为考虑结构非承重砖墙影响的折减系数，对于框架取0.7；△为框架顶点假想水平位移，计算见下表

框架顶点假想水平位移△计算表表2-10

层

Gi（KN）

∑Gi（KN）

∑D（KN/mm）

=∑Gi/∑D

（层间相对位移）

总位移△（mm）

6

4983.09

4983.09

917.68

5.43

174.79

5

5742.05

10725.14

917.68

11.69

169.36

4

5742.05

16467.19

917.68

17.94

157.67

3

5742.05

22209.24

917.68

24.20

139.73

2

5742.05

27951.29

917.68

30.45

115.53

1

6648.7

34599.99

406.68

85.08

85.08

楼层地震作用和地震剪力标准值计算表表2-11

层

Hi（m）

Gi（KN）

GiHi

Fi=Fn+△Fn（顶层）

Fi=GiHi/∑GiHi×FEK（1-δn）（其他层）

楼层剪力

Vi（KN）

6

23

4983.09

114611.07

558.31

558.31

5

19.4

5742.05

111395.77

360.27

918.58

4

15.8

5742.05

90724.39

293.42

1212

3

12.2

5742.05

70053.01

226.56

1438.56

2

8.6

5742.05

49381.63

159.71

1598.27

1

5

6648.7

33243.5

107.51

1705.78

3）地震作用计算：

根据本工程设防烈度7度、Ⅱ类场地土，设计地震分组为第一组，查≤建筑抗震设计规范≥特征周期Tg=0.35S,amax=0.08。

a1=（Tg/T1）0.9amax=（0.35/0.497）0.9×0.08=0.058

结构等效总重力荷载：

Geq=0.85GL=0.85×34599.99=29410KN

T1>1.4Tg=1.4×0.35=0.49S，故需考虑框架顶部附加集中力作用

δn=0.12T1+0.07=0.08×0.497+0.07=0.110

框架横向水平地震作用标准值为:

结构底部：

FEK=a1Geq=0.058×29410=1705.78KN

各楼层的地震作用和地震剪力标准值见上表和下图所示

∑GiHi=469409.37

△Fn=δn·FEK=0.11×1705.78=187.64KN

图2-13横向框架上的地震作用

第3章框架内力计算

3.1计算

3.1.1恒载作用下的框架内力

1、弯矩分配系数

由于该框架为对称结构，取