钢结构计算书范例

摘要

本工程为三层钢框架超市设计，长64.00m，宽30.00m，层高为4.5m，建筑高度为14.4m，建筑面积5760.00m2，综合运用所学专业知识，进行了钢结构建筑设计和结构设计。

主体采用钢框架结构，钢筋混凝土现浇楼板。首先确定结构方案并进行荷载统计、梁柱截面选择及刚度验算，计算恒载、活载作用下的框架内力，然后计算风载、地震作用下的框架内力，经内力组合后得出构件的最不利组合内力，最后进行梁、柱截面验算、节点设计、楼板、楼板配筋计算，绘制施工图。计算竖向荷载效应时采用分层法，计算水平荷载效应时采用D值法；在荷载组合时。考虑以可变荷载效应控制的组合和以永久荷载效应控制的组合方式；在活荷载计算过程中，采用满布荷载法；框架节点设计采用栓焊混合的连接方式。

关键词：建筑设计；钢框架；内力分析；节点设计

ABSTRACT

Based on the professional knowledge for learned，the building was designed. The works include two parts: architecture design and structure design.

This project is commercial building of 3-floors，steel structure，which is located in Xi An. It is 64.00m long, 30.00m wide. The height of story are 4.5m and5m. The height of the whole building is 14.4m.The total area is 5760.00m2.

Architecture design tries hard for simple and clear，which has the ages feels and assort with surroundings environment.

Steel frame and reinforce concrete floor were used in the structure. Firstly，the size of the beam and column was determined by the type of the structure and the calculation of the loads. Secondly，the inner forces of the frame under the wind load and earthquake load，the dead load，and the living loads were analyzed separately. By the combination of the inner forces，the most dangerous forces can be got，and then the steel beam，steel column，the frame connections and reinforce concrete floor can be designed. After these，the drawing can be made. In the progress of inter force analysis，the vertical forces are calculated by the layer-wise method，and the horizontal forces are calculated by the D method. In the process of the live load calculation，full load is used. Mixed connection with welding and bolts was used in steel frame，and independent foundation under column was adopted.

Key Words:architecture design; steel frame; internal force analysis; connection design

目录

前言 (1)

第１章建筑设计 (2)

1.1设计任务和设计要求 (2)

1.1.1设计任务 (2)

1.1.2设计要求 (2)

1.2建筑物所处的自然条件 (2)

1.2.1气象条件 (2)

1.2.2地形、地质及地震烈度 (2)

1.2.3水文 (3)

1.3建筑物功能与特点 (3)

1.3.1平面设计 (3)

1.3.2立面设计 (3)

1.3.3防火 (3)

第2章结构设计 (4)

2.1结构方案选型及布置 (4)

2.1.1柱网布置 (4)

2.1.2结构形式选择 (4)

2.1.3楼板形式选择 (4)

2.2荷载计算 (4)

2.2.1恒荷载标准值 (5)

2.2.2活荷载标准值 (5)

2.2.3风压标准值 (5)

2.2.4雪荷载标准值 (6)

2.2.5地震作用 (6)

2.3竖向荷载计算 (6)

2.3.1屋面恒荷载 (6)

2.3.2楼面恒荷载 (6)

2.3.3屋面活荷载 (7)

2.3.4楼面活荷载 (7)

2.4风荷载计算 (8)

2.5内力分析 (9)

2.5.1截面初选 (9)

2.6内力计算 (12)

2.6.1竖向荷载标准值作用下 (12)

2.6.2风荷载作用下的内力计算 (18)

2.7水平地震作用下结构各层的总重力荷载代表值计算 (20)

2.7.1墙自重 (20)

2.7.2梁，柱重力荷载标准值汇总 (21)

2.7.3集中于各楼层标高处的重力荷载代表值Gi (22)

2.7.4水平地震作用下框架内力合侧移的计算 (22)

2.7.5水平地震作用下框架内力计算 (25)

2.8内力组合 (28)

2.9结构构件验算 (33)

2.9.1框架柱的验算 (33)

2.9.2框架梁的验算 (37)

2.10框架连接设计 (39)

2.10.1主梁与中柱Z-1的连接： (39)

2.10.2次梁与主梁的铰接连接 (40)

2.11柱脚设计 (42)

2.11.1中柱柱脚的设计 (42)

2.11.2边柱柱脚的设计 (44)

2.12楼板计算 (47)

总结 (49)

参考文献 (50)

致谢词 (51)

前言

本次毕业设计是大学教育培养目标实现的重要步骤，是毕业前的综合学习阶段，是深化、拓宽、综合教学成果的重要过程，是对大学期间所学专业知识的全面总结。本次设计使理论和实际很好的结合起来，提高了分析、解决工程实际问题的能力。培养了学生严谨、求实、细致、认真和吃苦耐劳的工作作风。为以后更好的学习和工作奠定了坚实的基础。

在毕业设计期间，我重新复习了《房屋建筑学》、《钢结构》、《结构力学》、《建筑结构抗震设计》等课本知识，并查阅了《抗震规范》、《钢结构规范》、《荷载规范》等相关规范。在毕业设计过程中，我们通过所学的基本理论、专业知识和基本技能进行了建筑、结构的具体设计。现在毕业设计任务已圆满完成。在此，对校领导、老师及在此期间关心我帮助我的所有同学们表示衷心的感谢。

本设计包括建筑设计和结构设计两大部分，叙述内容包括设计原理、方法、规范、规章、设计技术要求和计算表格。其中，建筑设计部分由平面设计、立面设计、功能分区、采光和防火安全的要求等部分组成；结构部分由荷载计算、内力分析、内力组合、节点和柱脚设计等部分组成。毕业设计的三个月里，在指导老师的帮助下，经过资料查阅、设计计算、论文撰写以及外文的翻译，加深了对新规范、规程、手册等相关内容的理解。巩固了专业知识、提高了综合分析、解决问题的能力。在绘图时熟练掌握了天正建筑、AutoCAD、PKPM等建筑软件，这些都从不同方面达到了毕业设计的目的与要求，巩固了所学知识。

第１章建筑设计

建筑设计是在总体规划的前提下，根据任务书的要求综合考虑基地环境，使用功能，材料设备，建筑经济及建筑艺术等问题。着重解决建筑物内部各种使用功能和使用空间的合理安排，建筑与周围环境，与各种外部条件的协调配合，内部和外表的艺术效果，各个细部的构造方式等。创造出既符合科学性又具有艺术的生产和生活环境。

建筑设计在整个工程设计中起着主导和先行的作用，除考虑上述各种要求以外，还应考虑建筑与结构，建筑与各种设备等相关技术的综合协调，以及如何以更少的材料，劳动力，投资和时间来实现各种要求，使建筑物做到安全，适用，经济，美观。

1.1设计任务和设计要求

1.1.1设计任务

本设计的主要内容是建材超市的设计，作为一个购物的空间设计，要在平面规划中自始至终遵循实用、功能需求和人性化管理充分结合的原则。在设计中，既结合顾客购物需求和员工工作流程，科学合理的划分功能区域，也要考虑顾客流线和送货流线相互干扰。材料运用简洁，大方，耐磨，环保的现代材料，在照明采光上使用辅助照明，采用辅助通风和空调系统。经过精心设计，建筑在满足功能需要的同时，又简洁，大方，美观。

1.1.2设计要求

建筑法规、规范和一些相应的建筑标准是对该行业行为和经验的不断总结，具有指导意义，尤其是一些强制性规范和标准，具有法定意义。建筑设计除了应满足相关的建筑标准、规范等要求之外，原则上还应符合以下要求：

（1）满足建筑功能要求；

（2）符合所在地规划发展的要求并具有良好的视觉效果；

（3）采用合理的技术措施；

（4）提供在投资计划所允许的经济范畴内运作的可能性。

1.2建筑物所处的自然条件

1.2.1气象条件

建设地区的温度、湿度、日照、雨雪、风向、风速等是建筑设计的重要依据，例如：炎热地区的建筑应考虑隔热、通风、遮阳、建筑处理较为开敞；在确定建筑物间距及朝向时，应考虑当地日照情况及主要风向等因素。

1.2.2地形、地质及地震烈度

基地的地形，地质及地震烈度直接影响到房屋的平面组织结构选型、建筑构造处理及建筑体型设计等。

地震烈度，表示当地发生地震时，地面及建筑物遭受破坏的程度。烈度在6度以下时，地震对建筑物影响较小，一般可不做抗震计算，9度以上地区，地震破坏力很大，一般应尽量避免在该地区建筑房屋，建筑物抗震设防的重点是7、8、9度地震烈度的地区。本工程为8度，在设计过程中应考虑抗震设防各方面的要求。

1.2.3水文

水文条件是指地下水位的高低及地下水的性质，直接影响到建筑物基础及地下室。一般应根据地下水位的高低及地下水位性质确定是否在该地区建筑房屋或采用相应的防水和防腐措施。本工程地下水位埋深为8.4～9.6m，对建筑物的影响很小，可不考虑水质对基础混凝土的侵蚀。

1.3建筑物功能与特点

设计内容：此建筑为建材市场，以顾客购物为主，此建筑总建筑面积为5760.00m2。

1.3.1平面设计

建筑朝向为南北向，平面布置满足长宽比小于5，I型平面布置，东西、南北方向分别采用8.0m及10.0m柱距，满足建筑开间模数和进深的要求。

1.3.2立面设计

该建筑立面为了满足采光和美观需求，采用较大尺寸窗户和双层彩色压型钢板作为维护结构。

1.3.3防火

防火等级为二级，安全疏散距离满足建筑物内任意一点至外部出口或封闭楼梯间最大距离小于35m，满足设计要求。

第2章结构设计

2.1结构方案选型及布置

2.1.1柱网布置

柱网尺寸首先应最大限度的满足建筑使用功能的要求，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，与钢筋混凝土结构相比，钢结构应采用较大柱网尺寸，在节约造价的同时，提高房屋的利用率。综合以上条件，横、纵柱网尺寸均取为8.0m及10.00m。

2.1.2结构形式选择

建筑物的结构形式应满足传力可靠，受力合理的要求。多层钢结构建筑，可采用纯钢结构形式，框架应双向刚接。如果结构刚度要求较高，纯框架难以满足要求，可采用支撑框架形式。由于本工程位于8度抗震设防，但结构只有3层，高度只有14.4m（含女儿墙），结构形式比较规则，结构刚度要求不太高，纯框架形式很容易满足，经济性能优于框架支撑体系，故采用框架结构形式

2.1.3楼板形式选择

楼板的方案选择首先要满足建筑设计的要求，其自重要小，而且应保证楼盖有足够的刚度。常见形式有钢筋混凝土现浇楼板、预制楼板、压型钢板组合楼板。考虑本工程为超市的整体性该设计采用现浇楼板。

2.2荷载计算

根据结构方案的特点，可取一榀典型框架作为计算单元。这里取5轴框架进行计算，柱底标高取-1.45m。图中结构层标高为板顶标高。建筑层高为4.5m，一层高度为4.5+0.45＝4.95m。(基础埋深为1m)计算简图如图所示。

图2.2-1 结构计算简图

2.2.1恒荷载标准值 (1)屋面

现浇20厚C20细石混凝土 0.02250.5/

k n m ?= 50厚聚苯乙烯泡沫塑料板 2

0.050.50/.025k N m ?= SBS 防水卷材(二毡三油) 20.3/kN m

20厚1:3水泥砂浆 20.02200/.4kN m ?= 20厚1:3细石混凝土 20.02200/.4kN m ?=

80厚现浇钢筋混凝土 2

0.0825/2k N m

?= 顶棚及吊挂荷载 2

0.3/k N m 合计 2

m 3.425KN /

(2)楼面

楼面地转 2m 0.22KN /

5厚1:1水泥砂浆粘结层 20.005200/.1kN m ?=

15厚1:3水泥砂浆打底 20.015200.3/kN m ?= 80厚现浇钢筋混凝土 20.0825/2kN m ?= 顶棚及吊挂荷载 20.3/kN m 合计 2

m 2.92KN /

(3)内墙

喷内墙涂料 2

/ 0.01k N m

5厚1:0.3:3水泥石灰混合砂浆面层 20.005200/.1kN m ?=

15厚1:1:6水泥石灰砂浆打底 20.015200.3/kN m ?= 200厚加气混凝土砌块 20.2 5.51/.1kN m ?=

15厚1:1:6水泥石灰砂浆打底 2

0.015200.3/k N m ?= 5厚1:0.3:3水泥石灰混合砂浆面层 20.005200/.1kN m ?= 喷内墙涂料 2

/ 0.01k N m

合计 21.92/k

N m 内墙自重为(偏于安全地取5m 高) 1.92596/.k N m

?= (4)外墙

彩色钢板夹聚苯乙烯保温板 2/0.15kN m

墙面单位面积的功力荷载为 2

m 1.1K N

/ (外墙自重为(取5m ) 0.255=1/.25kN m ? 女儿墙:高度为0.9m ，自重为 0.150.9=0.135/k N m ? 2.2.2活荷载标准值

楼面 23.5/kN m

消防楼梯 23.5/kN m 不上人屋面 20.5/kN m 2.2.3风压标准值

风压标准值(按50年一遇西安地区值) 2

/0.35k N m

地面粗糙度类别 C 类

风载体形系数按荷载规范

2.2.4雪荷载标准值

雪荷载标准值(按50年一遇西安地区值) 2

0.25k N m

/

准永久分区Ⅱ雪荷载不与活荷载同时组合，取其中的最不利组合。由于本工程雪荷载较小荷载组合时直接取活荷载进行组合，而不考虑与雪荷载的组合。

2.2.5地震作用

本工程抗震设防烈度为8度(0.20g)，设计地震分组为第一组，在计算中要考虑地震作用。

2.3竖向荷载计算

根据以上荷载情况和荷载布置图，荷载按下面原则取值：楼板的恒荷载和活荷载按照单向板的导荷方式(转化为均布荷载)传给次梁，再由次梁传给主梁，内墙上的荷载以均布荷载的形式传给主梁，主梁再把该荷载及其自重导在框架柱上；外墙的荷载以均布荷载的形式传给墙梁，墙梁及其自重以集中力的形式导在节点上；荷载以集中力的形式导在节点上。5轴框架计算简图如图:

图2.3-1 5轴框架计算简

2.3.1屋面恒荷载

(1)集中荷载:

?+?+=

1、13点集中力: 0.10810 3.62510 2.5/246.39KN

??=

其余点集中力: 3.62510 2.590.63KN

2.3.2楼面恒荷载

(1).集中荷载:

1、13点集中力: 4.95102.9210/28KN ?

+?= 其余点集中力: 2.9210 2.573KN ??= (2).均布荷载:

内墙荷载: 8.64/K

N m 楼面恒荷载作用下的计算简图如图所示: 偏心距：e =边柱翼缘/2=0.6/2=0.3 力矩：0.346.3913.92KNm ?=

0.38625.8KNm ?=

图2.3-2 楼面恒荷载作用下的计算简图

2.3.3屋面活荷载

1、13点集中力: 0.510 2.5/2 6.25KN ??= 其余点集中力: 0.510 2.512.5KN ??= 2.3.4楼面活荷载

1、13点集中力: 3.510 2.5/243.75KN ??= 其余点集中力: 3.510 2.587.5KN ??= 偏心距: e=0.3m

力矩: 0.3 6.25 1.875KNm ?=

0.343.7513.125

KNm ?= 楼面活荷载作用下的计算简图如图所示:

图2.3-3 楼面活荷载作用下的计算简图

2.4风荷载计算

风压标准值计算公式0z ωμμβω???=z s

因结构高度H=4.5 5.459.95<30m m +=所以0.1z =β，

s μ：迎风面0.8s μ=，背风面0.5s μ=-。所以风荷载体型系数30.1=s μ。

z μ查荷载规范，将风荷载换算成作用于框架每层节点上的集中力，如表所示。其中Z 为框架节点至室外地面的高度，A 为一榀框架各层节点的受风面积，结果如图表所示。

表2.4-1风荷载计算

层数 z β

s μ

Z z μ

0ω

A PW 1 1.0 1.3 13.95 0.74 0.35 25.5 8.48 2 1.0 1.3 9.45 0.74 0.35 36 12.12 3

1.0

1.3

4.95

0.74

0.35

37.8

12.73

图 2.4-1左风荷载作用下的计算简图

2.5内力分析

框架梁柱承受的荷载都比较大，故在材料选用时应优先考虑强度较高的钢材，本工程的内力比较大，可相应的取强度高的钢材。主梁和柱子采用Q345钢材材料性能应能满足《低合金高强度结构钢》(GB/T1591)的要求。焊接材料应于钢材相适用。手工焊采用E50系列焊条，满足《低合金钢焊条》(GB/T5118)的要求，自动焊和半自动焊的焊丝应满足《熔化焊用钢丝》(GB/T14957)的要求。 2.5.1截面初选 2.5.1.1主梁

工字型梁的截面高而窄，在主轴平面内截面模量较大，楼板可以视为刚性铺板，没有整体稳定性问题，截面只需满足强度，刚度和局部稳定的要求。故本工程的主次梁截面均采用工字型截面，并优先采用窄翼缘H 型钢(HN 系列)，其经济性好。本工程梁的跨度均为810000mm ，高跨比取1/12～1/20，即为500mm ～833mm 标准层L-1的内力计算如图所示：

图2.5-1标准层L-1的内力计算图

图2.5-2标准层L-1弯矩图

2x

x M 310/nx

f N mm W σγ=

<= x 1.05γ= 2

nx w 1757cm ≥

选用HN 500×200×10×16 2

nx w 1827cm =

顶层L-2的内力计算如图所示：

图2.5-3 顶层L-2的内力计算图

图2.5-4 顶层L-2的弯矩图

2x

x M 310/nx

f N mm W σγ=

<= x 1.05γ= 2

nx w 1078.6cm ≥

选用HN450×200×9×14 2

nx w =1421cm

标准层L-1选用 HN 500×200×10×16 顶层L-2选用 HN450×200×9×14 2.5.1.2框架柱

柱截面可以通过预先假定柱子的长细比来实现。设计时可以先估算柱在竖向荷载作用下的轴力N ，以1.2N 作为设计轴力按照轴心受压构件来确定框架柱的初始截面。计算得从属单元如图所示:

图2.5-5 计算得从属单元

计算柱的从属单元 (1)中柱Z-1

中柱Z-1的从属面积为A=10*8=80M 2 取g=1.2×2.92+1.4×3.5=8.4kn/m n=2 G=1.2×3.624+1.4×0.5=5.04kn/m n=1

N=(8.4×2+5.04)×80=1837.6KN

以1.2N 作为设计轴力，按照轴心受压构件来确定框架柱的初始截面 1.2N=2248.32KN

可取70λ=，l 0=0.65×5950=3867.5mm 0i=l /=55.25mm

λ

截面x 、y 均为b 类，查表=0.832φ

N

9A

0.f φ= 22248.32*1000/(0.832*0.9*310)9685.69mm A == 选用HW400×408×21×21 A=250.69cm2 对x 、y 均为b 类截面

y x i =16.80c m i =9.74c m x =23.02λ,x =0.960φ y =39.74λ,y =0.898φ 故 =0.898φ

22=/99.87/mm f=310/mm N A N N σφ=≤ (2)边柱Z-2

边柱Z-2的从属面积为A=8*5=40m 2

取 g=1.2×2.92+1.4×3.5=8.4kn/m 2 n=2 G=1.2×3.625+1.4×0.5=5.04kn/m 2 n=1

以1.2N 作为设计轴力，按照轴心受压构件来确定框架柱的初始截面 1.2N=1102.56KN

可取90λ=， 00l =0.65*5950=3867mm i=l /42.97mm

λ=， 截面x 、y 均为b 类，查表=0.533φ

N

9A

0.f φ= A=1102.56×1000/(0.533×0.09×310)=7414.31mm 选用HW400×400×13×21

A=218.69cm 2 ix=17.43cm iy=10.12cm x x =22.2=0.955λφ， y x =38.2=0.906

λφ，

=0.906φ

22=/51.76/mm 310/mm N A N N σφ=≤ 中柱选用 HW 400×408×21×21 边柱选用 HW 400×100×13×21

2.6内力计算

2.6.1竖向荷载标准值作用下 (1)恒荷载作用下的内力计算

竖向荷载下内力计算采用分层法。在竖向荷载作用下，多层框架的侧移较小且各层荷载对其他各层的水平构件的内力影响不大，可忽略侧移的影响，把每层按无侧移框架用分层法进行计算。非底层的柱，其实际的约束条件并非完全固定，而是弹性约束，故对非底层的柱，其线刚度乘以0.9的修正系数，同时其传递系数为1/3。 底层中柱Z1的线刚度为

i=EI/h 1=206×1000000×70722/(5.92×100000000)=24485.26KNm 标准层中柱Z1的线刚度为

i=EI/h 1=206×1000000×70722/(4.500000000)=32374.96KNm 底层边柱Z2的线刚度为

i=EI/h 1=206×1000000*66455/(5.95×100000000)=23006.22KNm 标准层中柱Z2的线刚度为

i=EI/h 1=206×1000000*66455/(4.5×100000000)=30419.3KNm 标准层L-1梁的线刚度为

i=EI/h 1=206×1000000×45685/(10×100000000)=9411.11KNm 顶层L-2梁的线刚度为

i=EI/h1=206×1000000×39628/(10×100000000)=8163.37KNm 框架线刚度如图所示：

图2.6-1框架线刚度图

①顶层:计算简图、力矩分配过程力矩图如图所示：

图2.6-2 顶层计算简图

图2.6-3 顶层单跨弯矩图

图2.6-4 顶层力矩分配图

图2.6-5 顶层力矩分配后弯矩图②标准层:计算简图、同样根据力矩分配求出矩图

图2.6-6 标准层计算简图

图2.6-7 标准层单跨弯矩图

○3底层：计算简图和力矩图如下

图2.6-9 底层计算简图