毕业设计—房屋钢结构

石家庄铁道大学毕业设计摘要随着我国经济的快速发展，钢结构在建筑结构中的应用也日益广泛。高层钢结构 房屋由于具有诸多优点，正被越来越多的人所认可和肯定。本论文设计研究的是一栋 商务时尚快捷酒店，文中主要从建筑和结构两个方面对钢结构建筑的应用进行了研究， 该建筑采用钢框架结构，框架之间加入混凝土砌块填充，楼板采用压型钢板组合楼板， 并采用了铰接和焊接的方式对各个构件进行连接。建筑设计方面主要介绍了该建筑的相关构件的设计和做法，对建筑图的设计提供了 信息，并最终完成了建筑图。结构设计则主要包括了节点的设计，柱脚的设计，楼梯、 平台的设计，组合楼板的设计。荷载计算的方式采用了近似手工计算。水平荷载包括风荷载和地震荷载，采用 D 值法进行计算。竖向荷载包括恒荷载、活荷载和重力荷载代表值。使用弯矩二次分配法进行计算。对计算的结构进行内力组合，选出危险的截面进行 相应截面和构件的验算。在对截面和构件进行验算的时候，主要对钢结构的强度，刚度和稳定性进行验算，最终对于计算的结果用 pkpm 进行校核对比。关键词： 钢框架 弯矩二次分配法 D 值法3AbstractWith the rapid development of our economy,steel has been widely used in construction. Because of having a number of advantages,small high and high building of steel is being recognized and affirmed by a growing number of people and technical staff begin to the study of technical theory. In this paper, a Business fashion Fast hotel was designed, The research was made of both architectural and structural aspects.between the frame Join the concrete block,The floors of composite slabs with profiled steel sheet,The main type of connection was bolting and welding.Architectural design mainly introduces the design and practice of the construction of the relevant components.Provides information on the construction drawing design,and finally completed the building plans,And the structural design includes the design of members of steel frame,connection design,staircase design,floor design and the design of column foot.The horizontal load includes wind load and seismic load which are calculated in D value method.The vertical load includes the dead loads of structure, live load, respective value of gravity and they should be calculated in The moment two methods of distribution,then combines the internal forces and check the members of the frame so as to test and verify the connection,staircase,floor and column foot . And draw structural map of building by computer on by hand. At last, aiding method was used to check the result with the software of PKPM. Keywords: steel frameThe moment two methods of distributionD method目录摘要.1Abstract. 2第 1 章 绪 论.61.1 国内钢结构建筑的发展现状.61.2 钢结构建筑的优越性.61.3 钢结构建筑发展存在的问题.71.4 钢结构的设计过程.8第 2 章 建筑设计.92.1 建筑设计概况.92.2 建筑立面设计.92.3 建筑平面设计.92.4 建筑剖面设计.102.5 建筑构造设计.102.6 建筑装修做法. 112.6.2 内墙做法. 112.6.3 楼面做法.122.6.4 屋面做法.122.6.5 散水做法.132.6.6 地面做法.132.6.7 踢脚做法.13第 3 章 结构设计.153.1 结构设计.153.1.1 柱网布置.153.1.2 结构形式选择.153.1.3 楼板形式选择.153.1.4 结构平面布置.153.2 线刚度计算.173.2.1 截面初选.173.2.2 确定框架计算简图.173.2.3 框架梁柱线刚度计算.183.3 荷载取值.193.3.1 可变荷载取值.193.3.2 永久荷载取值.203.4 荷载统计.213.4.1 竖向荷载统计.223.4.2 风荷载统计.253.4.3 地震荷载统计.263.5 水平荷载作用下侧移验算.303.5.1 水平地震作用下框架的侧移验算.313.5.2 风荷载作用下框架的侧移验算.313.6 内力分析计算.323.6.1 水平地震作用下框架内力计算.323.6.2 竖向荷载作用下框架内力计算.363.6.3 荷载作用下的弯矩图，剪力图，轴力图.423.7 框架的内力组合.483.8 截面验算.573.8.1 梁截面验算.573.8.2 柱截面验算.603.9 节点设计.733.9.1 梁柱节点域验算.733.9.2 框架节点设计.743.9.3 柱脚设计.763.10 楼梯设计.813.10.1 梯段板的计算.813.10.2 平台板的计算.823.10.3 平台梁的计算.833.11 压型钢板组合楼板设计.853.11.1 外荷载与内力计算.853.11.2 组合楼板的验算.86第 4 章 PKPM 设计信息. 894.1 建筑结构的总信息.894.2 内力分析.10094.2.1 恒载作用下的内力图.1004.2.2 活载作用下的内力图.1034.2.3 地震荷载作用下的内力图.1064.2.4 风荷载作用下的内力图.1094.3 手算和电算结构分析比较. 112第 5 章 结论与展望. 1135.1 结论. 1135.2 展望. 1135.3 致谢. 114 参考文献. 115 附录 外文翻译. 116第 1 章绪 论1.1 国内钢结构建筑的发展现状中国轻钢结构建筑起步很晚，只是改革开放后，从国外引进了一些低层和多层钢结 构建筑，才使我们有了学习与借鉴的机会。1986 年意大利钢铁公司和冶金部建筑研究总 院合作，介绍了一种低层轻钢结构建筑体系Bsis，并在冶金部建筑研究总院院内建造 一栋二层轻钢结构建筑样板房；1988 年日本积水株式会社赠送上海同济大学两栋轻钢结 构建筑(二层)，建在同济新村中；20 世纪 90 年代个别国外公司为推广其产品在北京、 上海等地建立多层轻钢结构办公、建筑楼。大规模研究开发、设计制造、施工安装钢结构建筑还是近几年才发展起来。目前， 在北京、天津、山东莱芜、安徽马鞍山、上海、广州和深圳等地开展低层、多层和高层 钢结构建筑试点工程，目前已经建成几十万平方米，这说明了钢结构建筑的发展势头良 好。近年来，随着城市建设的发展和高层建筑的增多，中国钢结构发展十分迅速，轻钢 结构建筑作为一种绿色环保建筑，已被建设部列为重点推广项目。特别是在中国大中城 市中，人多、土地资源少，而人们对建筑密度、环境绿地等要求越来越高的情况下，较大范围应用钢结构建筑，这是中国生产力发展到一定阶段的必然产物，它是符合国家产业政策的推广项目。1.2 钢结构建筑的优越性（1）能合理布置功能区间 利用钢材强度高的特点，设计可采用大开间布置，使建筑平面能够合理分隔、灵活方便，创造开放式建筑。而传统结构(砖混结构、砼结构)由于材料性质限制了空间布置 的自由，如果开间过大，就会造成板厚、梁高、柱大，出现“肥梁胖柱”现象，不但影响美观，而且自重增大，增加造价，购房者在二次装饰时，经常由于自行改变墙体位置， 增加隐患。（2）轻钢结构建筑空间利用率高在空间使用率上。钢结构的断面小，与钢筋混凝土结构相比可增加建筑有效面积 8左右。在建筑风格上，钢结构建筑也更显灵活丰富，户内空间可多方案分割，可以满 足不同用户的需求。（3）自重轻、抗震性能好相同建筑面积的建筑楼层，轻钢结构自重轻，根据比较，6 层轻钢结构建筑的重量， 仅相当于 4 层砖混结构建筑的重量。而且钢材具有延性，能比较好地消耗地震带来的能量，所以抗震性能好，结构安全度高。（4）施工方便、工期短 钢结构构件，可以实行工广化生产，现场安装。由于现场作业量小，对周围环境污染少，同时，施工机械化程度高，加快了施工速度。根据统计，同样面积建筑物，钢结 构比砼结构工期可缩短 1/3，而且可节省支模材料。（5）综合造价低由于自重轻，基础费用降低，总体用料减少，直接成本降低，建设工期短，间接费 又可减少，所以综合造价低。（6）符合建筑产业化和可持续发展的要求轻钢结构适宜工厂大批量生产，工业化程度高，并且能将节能、防水、隔热、门窗 等先进成品集合于一体，成套应用，将设计、生产、施工体化，提高建筑产业化的水平。另外，钢材报废后可实现 100废品再回收利用，所以称“钢结构建筑”为“绿色 建筑”毫不为过，它是适应我们人类可持续发展战略的新型建筑形式。1.3 钢结构建筑发展存在的问题近年来，我国钢结构已有很大的进步,但是与美国日本等钢结构技术比较成熟的国家 比，无论在使用量还是应用范围上，还是在成套技术标准上，都存在着较大的差距。我 国建筑用钢大都用于混凝土结构和准混结构，真正钢结构的用钢量只占建筑用钢的15%左右。钢结构体系在我国的应用也仅限于高层、超高层建筑、厂房和试点建筑小区。 在商业建筑方面，真正实现大规模生产应用的钢结构体系还是空白。制约钢结构建筑的焦点是围护结构材料，必须解决与钢结构商业建筑相配套的体 系材料问题，打破产品种类单一，价格昂贵的现状。造价也是制约钢结构发展的因素，从理论上分析，钢结构占有一定有事，但由于配套体系不完善，会使钢结构建筑的造价高于混凝土结构的 10%20%左右，使钢结构在中低层、中低挡建筑方面缺乏竞争力。 钢结构建筑的技术要求高，涉及的材料、部品种类特别多，防火性能、防腐性能都是其中的技术难点。规范对于钢结构房屋而言，虽然目前单一的技术规程规范比较齐全，但是对于作为建筑房屋的钢结构的技术规程目前还没有建立。1.4 钢结构的设计过程本论文将主要研究小高层钢结构商住楼的建筑设计和结构设计，在建筑设计方面， 主要包括建筑方案的选择、建筑设计以及建筑施工图的绘制。在结构设计方面主要包括 结构选型、结构方案的确定、结构构件的内力计算、截面验算和节点的设计。总之，此 钢结构房屋的设计过程大致为：建筑设计建筑施工图绘制结构设计结构施工图绘 制。然后，根据计算结果，看结构是否需要计算设计支。 因钢结构本身刚度较柔，很 难在不配置支撑的情况下能够满足侧移的要求，故计算满足要求也应配置构造支撑。最 后绘制结构施工图纸和整理计算书。第 2 章 建筑设计2.1 建筑设计概况(1)建筑地点：秦皇岛。 (2)场地情况：秦皇岛闹市区近邻高速公路，两边为生活小区，一边为商业区。 (3)建筑规模：该建筑为十层钢结构纯框架结构体系，总占地面积 3500 m2 ，建筑面积 6480 m2 ，地上四层。一层层高 4.5m，标准层 3.0m。室内外高差 0.6m。(4)建筑等级：1 级。抗震烈度为 8 度。(5)土壤情况及气象条件：基本风压 0.6kN/ m2 ，基本雪压 0.4kN/ m2 ，主导风向： 西 北，主导风速：2.5/sec，室外计算温度，冬季为-10 度，夏季为 30 度。2.2 建筑立面设计建筑立面有许多部件组成，如门窗、墙柱、阳台等，建筑立面设计就是恰当的确定 这些部件的尺寸大小、比例关系、材料质感和色彩等。(1)立面的比例尺度的确立立面面的比例尺度主要根据建筑的使用功能确定，本设计一层作为商场，人流量大， 因此设计层高为 4.5m。二四层为建筑设计层高为 3m。(2)立面的线条处理本工程采用以水平线条为主的立面，能给人以轻快、舒展、宁静的感觉。(3)立面的色彩和材料的处理 本工程商场两层立面装饰主要采用赭红面砖，建筑主要采用白色涂料。赭红暖色调使人感到热烈、兴奋，白色的冷色调给人以清新，宁静的感觉。面砖的质感比涂料厚重 些，使建筑感觉上更稳定，给人以安全感。2.3 建筑平面设计建筑平面有许多的部件，并且在布置过程中，加入了相应的家具，使得平面图看起 来更为充实和准确。在标注方面对墙体的厚度，门窗的嵌入位置给出了准确的数据，对 施工人员在施工时提供了依据。2.4 建筑剖面设计剖面设计主要依据建筑的平面图、立面图确定和结本工程的剖构、构造要求确定。 剖面组合采用分层组合，这样能有效的控制每层的高度，不会因为层间个别空间的突出 高度而影响到该层的高度，这样做还有利于总体结构布置和楼梯等垂直交通部分的处 理。但是本工程将不同功能和层高的空间进行归类分层组合时，有空间大小不一矛盾， 商场部分需要开敞的大空间，而建筑部分却有许多隔墙和垂直的管道需要下落，这时应 当冲分调整建筑平面组合和剖面设计的相关关系，做到既能满足使用功能要求，又令结 构布置合理。2.5 建筑构造设计建筑构造设计是建筑设计的重要组成部分，是建筑平、立、剖面设计的继续和深入， 也是结构设计和建筑施工的重要依据。建筑设计内容包括正确选择围护构件(外墙、内 墙、屋顶、楼地面等)的材料、材料的搭配，处理构件的连接方式，以及与承重构件的 关系等。(1)墙体构造本工程为纯框架结构，由梁柱来承重。墙主要起围护作用，根据 GB11968-2006 选用蒸压加气混凝土砌块，轻质砌块的主要特点就是质轻、保温、隔热。同时还需满足 隔声和防火要求，考虑保温要求，外墙比内墙稍厚，选取厚度为 300mm，内墙厚度为200mm。(2)楼板构造楼板采用压型钢板组合楼板，主要有面层、组合板和钢梁三部分组成， 该楼板整体性、耐久性好，并可利用压型肋间的空隙敷设室内电力管线。(3)屋顶构造屋顶形式采用平屋顶，节约材料，构造简单，扩大建筑空间，屋顶上也可以作为固 定的活动场所。屋面板采用压型钢板，轻质高强、保温隔热性能好，构造简单、施工方便。施工时要注意压型钢板的安装、板缝搭接和防水。同时设置有女儿墙，墙高设置为1.2m，以及天沟等。排水方式采用有组织排水。(4)楼梯构造 楼梯形式采用双跑楼梯。楼梯的坡度的确定主要依据建筑物内主要使用人群的体征状况以及通行的状况。商厂部分楼梯的坡度较大，以满足层高的要求。建筑部分的楼梯 较缓一些，因为行走的人流量不大而且建筑层高不高。楼梯的结构形式采用整体现浇式钢筋混凝土板式楼梯。102.6 建筑装修做法 外墙做法墙体材料选用蒸压加气混凝土砌块，尺寸为 390mm250mm190mm。 建筑墙面采用涂料外墙面，工程做法：(1)喷或滚刷底涂料一遍；(2) 8mm 厚 1:2.5 水泥砂浆；(3)12mm 厚 2:1:8 水泥石灰砂浆，分两次抹灰；(4)刷加气混凝土界面处理剂一道；(5)内外各加一层聚苯乙烯防火泡沫塑料板保温层。 商场外墙面采用玻璃锦砖外墙面，工程做法：(1)5mm 厚玻璃锦砖，白水泥浆擦缝;(2)4mm 厚 1:1 水泥砂浆加水重 20%建筑胶镶贴；(3)12mm 厚 2:1:8 水泥石灰砂浆，分两次抹灰；(4)刷加气混凝土界面处理剂一道2.6.2 内墙做法内墙材料选用加气混凝土空心小砌块，尺寸 390mm200mm190mm，墙面 的做法应根据墙体材料和功能要求确定，具体做法如下 普通内墙水泥砂浆内墙面，工程做法：(1)5mm 厚 1:2 水泥砂浆；(2)15mm 厚 2:1:8 水泥石灰砂浆，分两次抹灰；(3)刷建筑胶素水泥浆一遍，配合比为建筑胶：水=1:4； 卫生间内墙由于卫生间的墙体有防潮防水性能，本设计卫生间墙体贴面砖用于墙体防潮。 工 程做法为：(1)白水泥擦缝；11(2)贴 5mm 厚释面砖；(3)8mm 厚 1:0.1:2.5 水泥石灰膏砂浆结合层；(4)8mm 厚 1:0.5:4 水泥石灰膏砂浆打底扫毛；(5)刷加气混凝土界面处理剂一道。2.6.3 楼面做法为了满足建筑的使用要求，突出不同的装饰效果，建筑层采用复合木地板楼面， 商场采用大理石楼面。其中卫生间对防水有特殊要求，采用陶瓷地砖防水楼面， 具体 做法如下： 复合木地板楼面工程做法：(1)8mm 厚复合木地板；(2)2mm 厚聚乙烯泡沫塑料隔声垫；(3)建筑胶水泥腻子刮平；(4)30mm 厚 1:2.5 水泥砂浆掺入水泥用量 3%的硅质密实剂（分两次） ；(5)双波形 YX-70-200-600 压型钢板组合楼板。 大理石楼面工程做法：(1)20mm 厚大理石板铺实拍平，1:2 水泥砂浆擦缝； (2)30mm 厚 1:4 干硬性水泥砂浆； (3)刷素水泥浆结合层一道；(4)双波形 YX-70-200-600 压型钢板组合楼板； 陶瓷地砖防水地面工程做法：(1)8mm 厚地砖铺实拍平，水泥砂浆擦缝；(2) 40mm 厚 1:4 干硬性水泥砂浆；(3)1.5mm 厚聚氨酯防水涂料，面上撒黄砂，四周沿墙上翻 150 高；(4)刷基层处理剂一遍；2.6.4 屋面做法采用高分子改性防水屋面，工程做法：12(1)SBS 改性沥青卷材（带保护层）；(2)40mm 厚 1:3 水泥砂浆找平层；(3)70mm 厚挤塑板保温层；(4)1:6 水泥炉渣找坡（最薄处 30mm，坡度 2%） ；(5)双波形 YX-70-200-600 压型钢板组合楼板。2.6.5 散水做法(1)50mm 厚 C15 混凝土撒 1:1 水泥砂子，压实赶光；(2)100mm 厚碎石作为垫层；(3)素土夯实向外坡 4%。2.6.6 地面做法 普通地面采用大理石地面，工程做法：(1)20mm 厚大理石板铺实拍平，1:2 水泥砂浆擦缝；(2)30mm 厚 1:4 干硬性水泥砂浆；(3)刷素水泥浆结合层一道； (4)100mm 厚 C15 混凝土； (5)素土夯实。 卫生间地面采用陶瓷地砖防水地面，工程做法： (1)8mm 厚地砖铺实拍平，水泥砂浆擦缝； (2) 40mm 厚 1:4 干硬性水泥砂浆；(3)1.5mm 厚聚氨酯防水涂料，面上撒黄砂，四周沿墙上翻 150 高；(4)刷基层处理剂一遍；(5)15mm 厚 1:2 水泥砂浆找平；(6)50mm 厚 C15 细石混凝土找坡不小于 0.5%，最薄处不小于 30；(7)80mm 厚 C15 混凝土；(8)素土夯实。2.6.7 踢脚做法采用硬木踢脚，150mm 高。工程做法：15(1)墙上预埋防腐木砖，中距 400；(2)2030 通常木条，上下各一条；(3) 18mm 厚硬木踢脚； 表面喷涂油漆另选。第 3 章 结构设计3.1 结构设计(1)建筑等级：1 级。(2)抗震设防烈度：8 度。(3)基本风压：0.6kN/ m2(4)设计使用年限 50 年。3.2 结构方案布置3.2.1 柱网布置；基本雪压：0.4kN/ m2 。柱网尺寸首先应最大限度的满足建筑使用功能要求，然后根据造价最省的原则，充分考虑加工、安装条件等因素综合确定。由于钢结构承载能力高而质量轻，与钢筋混凝 土相比，应采用较大柱网尺寸。综合考虑以上条件，柱网尺寸主要取 6m。具体布置见 图 3-1。3.2.2 结构形式选择本工程位于西安地区，抗震设防烈度较高，对结构刚度要求较高，应选用框架支撑 体系，但考虑到经济性的问题，可先采用纯框架结构体系，框架应双向刚接。3.2.3 楼板形式选择楼板的方案选择首先要满足建筑设计要求、自重小和便于施工的原则，还要保证楼 盖有足够的刚度，本工程楼板选用压型钢板组合楼板，表面喷涂防火涂料进行防火处理。3.2.4 结构平面布置由于结构对称除框架梁柱外，其余梁板一侧编号，对称位置的梁板有相同的编号。 结构平面布置见图 3-1石家庄铁道大学毕业设计图 3-1 结构平面布置图193.3 线刚度计算3.3.1 截面初选首先计算结构的刚度，需要预先估计构件的截面尺寸，根据估算的截面尺寸求出构 件内力，之后再对构件进行强度、刚度和稳定性的验算。本工程的主次梁截面均采用工字形截面，并优先选用窄翼缘 H 型钢（HN 系列） ， 其经济性较好。本工程横向框架梁的跨度分别为 5000mm 和 3000mm 两种。ABCD 跨梁选用 HN400200711。纵向框架梁选 用 HN6002001015,和 HN450200914. 线刚度计算框架柱也采用型钢截面，选择宽翼缘 HW 系列，以保证弱轴方向 的抗弯能力。本工程的初选截面如下表：类别型号t1表 3-1 梁柱表t2 截面积质量IW横向梁40020071171.4156.119023960.89000m 纵梁6000m 纵 梁 中柱(标 准层) 边柱(标 准层) 中柱(底 层) 边柱(底层)6002001015117.7592.464739217245020091495.4374.93197314124004001321218.69171.76645533233503501016144.011133254518925005001520257.95202.511535946985005001525304.4523914501257773.3.2 确定框架计算简图选取其中一个框架进行计算，室内外高差 0.6m。所以底层柱高 0.6+4.5=5.1m。其他 标准层柱高 3m。图 3-2 一品框架计算简图3.3.3 框架梁柱线刚度计算所选用框架为中间框架，考虑到抗震要求，框架梁取 I=1.5 I 0 , 为梁截面转动 惯量；框架梁柱的尺寸及线刚度如下：544Iab = Icd =1.5 EL/L=1.52.0610 1902310 /5000=1.17610 kNm544I bc =1.5EI/L=1.52.0610 1902310 /3000=1.4710 kNm544I 411 =1.5EI/L=1.52.0610 14501210 /5100=5.85710 kNm544I 422 =1.5EI/L=1.52.0610 3254510 /3000=2.23510 kNm544I 433 =1.5EI/L=1.52.0610 6645510 /3000=4.56310 kNm544I 444 =1.5EI/L=1.52.0610 11555910 /5100=4.66710 kNm令 I 433 =1.其余各梁柱的相对线刚度为：Iab = Icd =1.176/4.563=0.258I bc =1.470/4.563=0.322I 411 =5.857/4.563=1.284I 422 =2.235/4.563=0.49I 444 =4.667/4.563=1.023相对线刚度如图所示：图 3-3 框架梁柱线刚度3.4 荷载取值3.4.1 可变荷载取值(1)屋面和楼面活荷载标准值建筑结构荷载规范（GB200092001）查得：不上人屋面：0.5kN/ m2上人屋面：2.0kN/ m2楼面（酒店楼）：2.0kN/ m2楼面（商场）：3.5kN/ m2(2)风荷载标准值基本风压：按西安地区 50 年一遇风荷载取其标准值：0.45kN/ m2雪荷载0.4kN/ m2屋面活荷载不与雪荷载同时考虑，两者中取较大值。(4)地震荷载本设计抗震等级为 8 级，考虑地震荷载的作用。3.4.2 永久荷载取值(1)女儿墙自重上人屋面：墙高 1100mm，100mm 混凝土压顶，则女儿墙自重为1.10.25m7.5kN/ m3 +0.1m0.25m25kN/ m3 =2.69kN/m(2)屋面：防水层：SBS 改性沥青卷材（带保护层）0.25kN/ m2找平层：40mm 厚 1:3 水泥砂浆0.0420kN/ m3 =0.8kN/