毕业设计（论文）某高校科研楼钢结构及施工图设计.doc

某高校科研楼钢结构及施工图设计摘要：本案为某高校科研楼钢结构及施工图设计。实体工程为钢框架科研楼，该建筑地上为四层，总建筑面积为6168.96平方米。此科研楼为钢框架结构，其优点为强度高、塑性韧性好、重量轻、制作简单、施工工期短等特点，但同时钢结构也具有耐热不耐火、耐腐性差等缺点，所以设计此科研楼的时候采取了充分的预防措施。水平地震作用采用底部剪力法来计算；侧移刚度和结构的自振周期用D值法计算；竖向荷载下的结构内力用分层法计算；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要求，保证结构有足够的抗震性能，从而实现“小震不坏，中震可修，大震不倒”的设防目标。关键词：钢框架结构 抗震设计 内力组合Abstract : The design of this project is analyse of the multi-layered steel construction of scientific research building and designed of the detail drawing . The structural style is the multi-layered steel portal frame construction . It was used to get the period of the structure by the method of top displacement ; the effect of horizontal earthquake of function by the method of D value ; the structure internal force under the vertical load by the method of divide layers ; and the combination of the structure internal force with the earthquake and without the earthquake . Otherwise , there are the sectional checking computations of girder and pillar under the most unfavorable internal force and the important node designed .Keyword : multi-layered steel portal frame construction ; the design of earthquake ; the combination of the internal force前言“钢结构”课程是一门综合性很强的专业课程。它涉及材料力学、结构力学。土木工程材料、机械学、结构设计理论、结构构件设计以及土木工程施工等方面的知识。在日常生活中，钢结构被广泛应用于房屋、港口、桥梁等建筑中，尤其在高层建筑、高耸建筑以及大跨度结构中。钢结构具有材料强度高、重量轻、材质均匀、塑性韧性好、结构可靠性高、制作安装机械化程度高、抗震性能良好、工期短、工业化程度高、外形多样美观等优点。此外，钢材也是可持续发展的环保材料，钢结构中的钢材拆除之后可以用作他用也可回炉炼钢。钢结构是集环保、易于产业化和可再利用等优点于一身的结构，因此我选择钢结构作为我的毕业设计课题。毕业设计是大学四年来对所学土木工程知识的一次系统、全面的考察和总结，是大学重要的总结性教育。通过做毕业设计，使我对钢结构的学习和研究更为的深入，深化了我对土木工程专业知识的认知和理解。在做毕设的过程中通过查阅各种文献资料、规范案例，不仅拓展了我的知识面，也培养了我独立思考、查阅资料的能力。目录1设计概况71.1设计概况72结构设计方案92.1结构布置及计算简图92.2材料选用112.3梁柱布置112.4构件截面尺寸初估122.5各部构造152.5.1墙152.5.2外窗162.5.3室内、外门162.5.4楼梯162.6本章小结163重力荷载代表值计算173.1 楼面恒荷载活荷载统计173.2 屋面恒荷载活荷载统计183.3 各层重力荷载代表值计算183.4 重力荷载代表值汇总203.5本章小结214水平地震作用下的内力计算214.1 横向框架侧移刚度计算224.1.1梁线刚度计算224.1.2柱线刚度计算234.1.3侧移刚度计算234.2纵向框架侧移刚度计算314.2.1梁线刚度计算：314.2.2柱线刚度计算324.2.3侧移刚度计算334.3结构自振周期及地震力计算414.3.1结构横向自振周期计算414.3.2水平地震作用下横向地震力计算424.3.3水平地震作用下的横向位移验算434.3.4结构纵向自振周期计算444.3.5水平地震作用下纵向地震力计算444.3.6水平地震作用下的纵向位移验算464.4水平地震作用下横向框架结构的内力手电算计算464.4.1柱弯矩值及剪力值计算464.4.2梁弯矩值及剪力值计算494.4.3柱轴力计算504.4.4水平地震作用下横向框架手算内力图514.4.5水平地震作用下横向框架电算内力图544.5水平地震作用下纵向框架结构的内力手电算计算574.5.1柱弯矩值及剪力值计算574.5.2梁弯矩值及剪力值计算604.5.3柱轴力计算614.5.4水平地震作用下纵向框架手算内力图634.5.5水平地震作用下纵向框架电算内力图664.6本章小结695竖向荷载作用下框架结构的内力计算705.1横向框架竖向荷载统计（D轴）705.1.1恒荷载统计705.1.2活荷载统计745.2横向框架竖向荷载统计745.2.1横向框架竖向恒荷载统计745.2.2横向框架竖向活荷载统计755.3恒荷载作用下D轴内力手电算计算755.3.1恒荷载作用下弯矩计算755.3.2恒荷载作用下剪力计算835.3.3恒荷载作用下轴力计算845.3.4恒荷载作用下D轴框架手算内力图855.3.5恒荷载作用下D轴框架电算内力图885.4活荷载作用下D轴内力手电算计算915.4.1活荷载作用下弯矩计算915.4.2活荷载作用下剪力计算985.4.3活荷载作用下轴力计算995.4.4活荷载作用下D轴框架手算内力图1005.4.5活荷载作用下D轴框架电算内力图1035.5 恒荷载作用下纵向7轴框架电算内力图1065.6 活荷载作用下纵向7轴框架电算内力图1095.7本章小结1126内力组合1136.1框架内力组合1136.2本章小结1207截面验算1217.1柱的验算1217.1.1柱的计算长度1217.1.2其他参数1237.1.3边柱验算1237.1.4中柱验算1287.2框架梁的验算1337.2.1横向一层AB跨梁验算1337.2.2横向一层BC跨梁验算1357.3次梁验算1387.4本章小结1398节点设计1408.1柱的连接设计1408.2主、次梁连接设计1498.3柱与梁的连接设计1558.4柱脚设计1788.5本章小结1879压型钢板非组合楼板设计1889.1 设计资料1889.2 楼面的结构平面布置1889.3 板的设计1889. 4 本章小结19110楼梯设计19210.1梯梁设计19310.1.1恒载计算19310.1.2可变荷载计算19410.1.3内力计算19410.1.4截面验算19410.2踏步设计19510.2.1荷载及内力计算19610.2.2截面验算19610.3平台板设计19610.3.1荷载及内力计算19610.3.2配筋计算19710.4平台梁设计19710.4.1荷载及内力计算19710.4.2截面验算19811.5 本章小结19811地基基础设计19911.1边柱下独立基础设计19911.1.1基础底面积的确定19911.1.2 抗冲切验算20011.1.3基础底板配筋计算20111.1.4基础与钢柱的连接配筋20211.2中柱下独立基础设计20411.2.1基础底面积的确定20411.2.2抗冲切验算20511.2.3基础底板配筋计算20611.2.4基础与钢柱的连接配筋20711.3 本章小结209结论210致谢212参考文献213外文翻译及原文2141设计概况1.1设计概况本工程是某高校钢框架科研楼，该建筑物结构形式为多层钢框架结构，建筑物层数为4层，一层高度为4.5m，二、三、四层高度为3.9m，女儿墙高度为0.9m。该建筑物为L字形建筑，横向八跨，九根柱子，纵向六跨，七根柱子。墙体均采用加气混凝土砌块，该建筑总高度为16.2m。每层建筑面积为1542.24m2，总建筑面积6168.96m2。室内外高差为0.6m。该建筑的主要功能是科研工作。该案例的设计条件为：场地土类型为类，地震分组为第一组，抗震等级为二级，地震设防烈度为八度，设计基本地震加速度为0.30g。结构安全等级、建筑耐火等级、屋面防水等级均为二级，设计使用年限为50年。综上所述本案的整个设计过程均符合现行建筑结构设计规范要求。图1.1 建筑平面图（单位：mm）2结构设计方案2.1结构布置及计算简图根据房屋使用功能以及建筑设计的要求，此建筑的结构体系选为钢结构纯框架体系。此科研楼楼层层数为4层，一层层高为4.5m，其他三层层高均为3.9m。A、B、C、D、E、F、G、H轴之间距离分别为1.5m、4.2m、8.4m、8.4m、8.4m、3.6m、8.4m，13轴之间、78轴之间距离均为3.6m，37轴与89轴之间的距离均为8.4m。结构平面布置图如图2.1所示。图2.1 平面布置图（单位：mm）图2.2 计算简图（单位：mm）2.2材料选用钢材的选用：梁、柱构件均选用Q235钢材，则：fy=235N/mm2，f=215N/ mm2。2.3梁柱布置建筑纵向共有9榀，1-5轴框架共分3跨，第一跨、第二跨、第三跨跨度分别为8.4m、3.6m、8.4m，6-9轴框架共分6跨，第一跨、第二跨、第三跨、第四跨、第五跨、第六跨跨度分别为4.2m、8.4m、8.4m、8.4m、3.6m、8.4m；横向共有7榀，B-D轴框架共分3跨，第一跨、第二跨、第三跨跨度分别为8.4m、3.6m、8.4m，E轴框架共分7跨，第一跨、第二跨、第三跨、第四跨、第五跨、第六跨、第七跨跨度分别为8.4m、8.4m、8.4m、8.4m、8.4m、3.6m、8.4m，F-H轴框架共分8跨，第一跨、第二跨、第三跨、第四跨、第五跨、第六跨、第七跨、第八跨跨度分别为4.2m、4.2m、8.4m、8.4m、8.4m、8.4m、3.6m、8.4m。纵向均在跨度为8.4m的主梁上布置次梁两道，在跨度为3.6m或4.2m的主梁上布置次梁一道。2.4构件截面尺寸初估钢框架柱均采用箱型钢，次梁、主梁均采用工字形截面钢材。钢材均采用Q235型号。钢柱以及钢梁截面按1t/m2，主梁高度最小值按梁跨度的1/15估算，次梁高度最小值按梁跨度的1/24估算。 (1)以D轴横向第一跨为例：，取。 选择型号：按上述方法估算所有主梁截面尺寸。(2)以7轴第三跨左侧次梁计算为例：选择型号：按上述方法估算所有次梁截面尺寸。(3)以D轴中柱计算为例：选择型号：箱型按上述方法估算所有钢柱截面尺寸。2.1构件截面尺寸名称尺寸/mm截面尺寸A/mm2Ix×108/mm4Iy×108/mm4Hbtwthw边柱（1-2层）3003002020260224002.9422.942边柱（3-4层）3003001414272160002.1892.189中柱（1-2层）3003002020260224002.9422.942中柱（3-4层）3003001414272160002.1892.189横梁E-H轴（1-2、7跨）3001505.5828441550.6460.0443横梁E-H轴（3-6、8跨）60020081257694085.4240.1602横梁B-D轴（1、3跨）60020081257694085.4240.1602横梁B-D轴（2跨）3001505.5828441550.6460.0443纵梁1-5轴（1、3跨）600300812576118007.4980.5402纵梁1-5轴（2跨）30020081227673031.140.16纵梁6-9轴（1、5跨）30020081227673031.140.16纵梁6-9轴（2-4、6跨）600300812576118007.4980.5402次梁（1-2、7跨）2001506918239760.2740.0508次梁（3-6、8跨）400200711378721620.145注：上表钢柱都为箱型柱，梁均为窄翼缘的H型钢。2.5各部构造表2.2 楼屋面构造及荷载统计表荷载项目楼面屋面楼屋面活荷载（KN/m2）22楼屋面做法（KN/m2）1.752.5980+21厚现浇混凝土（KN/m2）2.532.53YX70-230-690压型钢板（KN/m2）0.190.19铝合金龙骨吊顶（KN/m2）0.120.12活荷载标准值（KN/m2）22恒荷载标准值（KN/m2）3.393.582.5.1墙女儿墙采用200mm厚加气混凝土砌块，4.5KN/m2；墙体两面均有20mm抹灰17 N/m3。外墙体采用350mm厚加气混凝土砌块，5.5KN/m2。内墙体采用200mm厚加气混凝土砌块，4.5KN/m2。墙体两面均有20mm抹灰17KN/m31 m2外墙和抹灰的重量是：6 KN/m21 m2内墙和抹灰的重量是：5 KN/m22.5.2外窗铝合金中空玻璃窗。门窗尺寸见建筑立面图，荷载标准值为0.3KN/m2。窗墙比为：北立面为0.27；东立面为0.24；南立面为0.2；西立面为0.22。2.5.3室内、外门木制门。门窗尺寸见建筑立面图2.5.4楼梯采用钢楼梯恒荷载标准值为：1.5 KN/m2活荷载标准值为：3.5 KN/m22.6本章小结通过本章使我对建筑结构有了初步认识，例如：楼层层高、层数、面积等等，并为下面计算重力荷载代表值、自振周期等做好准备。其中梁柱截面的选取是通过轴压比和高跨比初步估算的。3重力荷载代表值计算3.1 楼面恒荷载活荷载统计4mm厚APP卷材防水层0.35KN/m220mm厚水泥砂浆找平层0.02m×20KN/m3=0.40KN/m250mm厚水泥炉渣找平层13.5KN/m3×0.05m=0.68KN/m280mm厚矿渣水泥保温层0.08m×14.5KN/m3=1.16KN/m280mm厚现浇混凝土2.53KN/m2YX75-230-690压型钢板0.11KN/m215mm铝合金龙骨吊顶0.12KN/m2屋面均布恒荷载标准值gk=5KN/m2上人屋面均布活荷载标准值qk=2.0KN/m23.2 屋面恒荷载活荷载统计20mm厚水泥砂浆找平层0.02m×20KN/m3=0.40KN/m2铺地缸砖1.75KN/m280mm厚现浇混凝土2.53KN/m2YX75-230-690压型钢板0.11KN/m215mm铝合金龙骨吊顶0.12KN/m2屋面均布恒荷载标准值gk=5KN/m2楼面均布活荷载标准值qk=2KN/m23.3 各层重力荷载代表值计算四层重力荷载代表值计算：顶层重力荷载代表值包括屋面恒载，50%屋面活荷载、梁自重、半层柱自重及半层墙自重。荷载统计：三层重力荷载代表值计算：其他层重力荷载代表值（楼面）包括楼面恒载，50%楼面活载，梁自重，上下个半层的柱及墙自重荷载统计：二层重力荷载代表值计算:一层重力荷载代表值计算:3.4 重力荷载代表值汇总集中于各楼层标高处的重力荷载代表值Gi计算结果见图3.1图3.1 各楼层标高处的重力荷载代表值房屋总重力荷载代表值3.5本章小结本章主要计算建筑主要构件的自重及其受的恒、活荷载，然后通过它们计算各楼层的重力荷载代表值。本章的难点主要在于如何计算外墙、内墙的自重以及门窗的面积。4水平地震作用下的内力计算4.1 横向框架侧移刚度计算4.1.1梁线刚度计算钢框架结构中，考虑现浇钢筋混凝土楼板与钢梁的共同作用，在计算梁线刚度时，对中框架梁取,对边框架梁取。梁采用焊接工字型钢，柱采用焊接箱型钢，弹性模量。以D轴为例：第一跨： 第二跨： 第三跨： 表4.1横向梁线刚度统计表层数跨位惯性矩I/108mm4跨度l0/m梁线刚度kb/103KN·m四层第一跨5.4248.419.95第二跨0.6463.65.54第三跨5.4248.419.95三层第一跨5.4248.419.95第二跨0.6463.65.54第三跨5.4248.419.95二层第一跨5.4248.419.95第二跨0.6463.65.54第三跨5.4248.419.95一层第一跨5.4248.419.95第二跨0.6463.65.54第三跨5.4248.419.954.1.2柱线刚度计算横向惯性矩：柱的线刚度：四层柱线刚度：三层柱线刚度：二层柱线刚度：一层柱线刚度：表4.2 柱线刚度统计表层数kc/103KN·m中柱边柱四层11.5611.56三层11.5611.56二层15.5415.54一层13.4713.474.1.3侧移刚度计算采用D值计算法计算水平荷载一般层：= 首 层：= 表4.3 B轴D值统计表B轴轴号Kc/103KN·MKb/103KN·MK 层高/mD/103KN/M一层D值合计/103KN/M四层6轴11.5631.921.38 0.41 3.93.72 16.00 7轴11.5640.81.76 0.47 4.28 8轴11.5640.81.76 0.47 4.28 9轴11.5631.921.38 0.41 3.72 三层6轴11.5631.921.38 0.41 3.93.72 16.00 7轴11.5640.81.76 0.47 4.28 8轴11.5640.81.76 0.47 4.28 9轴11.5631.921.38 0.41 3.72 二层6轴15.5431.921.03 0.34 3.94.16 18.04 7轴15.5440.81.31 0.40 4.86 8轴15.5440.81.31 0.40 4.86 9轴15.5431.921.03 0.34 4.16 一层6轴13.4715.961.18 0.53 4.54.22 17.60 7轴13.4720.41.51 0.57 4.58 8轴13.4720.41.51 0.57 4.58 9轴13.4715.961.18 0.53 4.22 表4.4 C轴D值统计表C轴轴号Kc/103KN·MKb/103KN·MK 层高/mD/103KN/M一层D值合计/103KN/M四层6轴11.5639.91.73 0.46 3.94.22 18.01 7轴11.5650.982.21 0.52 4.78 8轴11.5650.982.21 0.52 4.78 9轴11.5639.91.73 0.46 4.22 三层6轴11.5639.91.73 0.46 3.94.22 18.01 7轴11.5650.982.21 0.52 4.78 8轴11.5650.982.21 0.52 4.78 9轴11.5639.91.73 0.46 4.22 二层6轴15.5439.91.28 0.39 3.94.79 20.64 7轴15.5450.981.64 0.45 5.52 8轴15.5450.981.64 0.45 5.52 9轴15.5439.91.28 0.39 4.79 一层6轴13.4719.951.48 0.57 4.54.54 18.90 7轴13.4725.491.89 0.61 4.91 8轴13.4725.491.89 0.61 4.91 9轴13.4719.951.48 0.57 4.54 表4.5 D轴D值统计表D轴轴号Kc/103KN·MKb/103KN·MK 层高/mD/103KN/M一层D值合计/103KN/M四层6轴11.5639.91.73 0.46 3.94.22 18.01 7轴11.5650.982.21 0.52 4.78 8轴11.5650.982.21 0.52 4.78 9轴11.5639.91.73 0.46 4.22 三层6轴11.5639.91.73 0.46 3.94.22 18.01 7轴11.5650.982.21 0.52 4.78 8轴11.5650.982.21 0.52 4.78 9轴11.5639.91.73 0.46 4.22 二层6轴15.5439.91.28 0.39 3.94.79 20.64 7轴15.5450.981.64 0.45 5.52 8轴15.5450.981.64 0.45 5.52 9轴15.5439.91.28 0.39 4.79 一层6轴13.4719.951.48 0.57 4.54.54 18.90 7轴13.4725.491.89 0.61 4.91 8轴13.4725.491.89 0.61 4.91 9轴13.4719.951.48 0.57 4.54 表4.6 E轴D值统计表E轴轴号Kc/103KN·MKb/103KN·MK 层高/mD/103KN/M一层D值合计/103KN/M四层1轴11.567.60.33 0.14 3.91.29 37.66 2轴11.5615.20.66 0.25 2.26 3轴11.5639.521.71 0.46 4.20 4轴11.5663.842.76 0.58 5.29 5轴11.5663.842.76 0.58 5.29 6轴11.5671.823.11 0.61 5.55 7轴11.5650.982.21 0.52 4.78 8轴11.5650.982.21 0.52 4.78 9轴11.5639.91.73 0.46 4.22 三层1轴11.567.60.33 0.14 3.91.29 37.66 2轴11.5615.20.66 0.25 2.26 3轴11.5639.521.71 0.46 4.20 4轴11.5663.842.76 0.58 5.29 5轴11.5663.842.76 0.58 5.29 6轴11.5671.823.11 0.61 5.55 7轴11.5650.982.21 0.52 4.78 8轴11.5650.982.21 0.52 4.78 9轴11.5639.91.73 0.46 4.22 二层1轴15.547.60.24 0.11 3.91.34 43.35 2轴15.5415.20.49 0.20 2.41 3轴15.5439.521.27 0.39 4.77 4轴15.5463.842.05 0.51 6.21 5轴15.5463.842.05 0.51 6.21 6轴15.5471.822.31 0.54 6.57 7轴15.5450.981.64 0.45 5.52 8轴15.5450.981.64 0.45 5.52 9轴15.5439.91.28 0.39 4.79 一层1轴13.473.80.28 0.34 4.52.74 40.83 2轴13.477.60.56 0.42 3.31 3轴13.4719.761.47 0.57 4.53 4轴13.4731.922.37 0.66 5.24 5轴13.4731.922.37 0.66 5.24 6轴13.4735.912.67 0.68 5.42 7轴13.4725.491.89 0.61 4.91 8轴13.4725.491.89 0.61 4.91 9轴13.4719.951.48 0.57 4.54 表4.7 F轴D值统计表F轴轴号Kc/103KN·MKb/103KN·MK 层高/mD/103KN/M一层D值合计/103KN/M四层1轴11.569.50.41 0.17 3.91.55 40.03 2轴11.56190.82 0.29 2.66 3轴11.5649.42.14 0.52 4.71 4轴11.5679.83.45 0.63 5.77 5轴11.5679.83.45 0.63 5.77 6轴11.5679.83.45 0.63 5.77 7轴11.5650.982.21 0.52 4.78 8轴11.5650.982.21 0.52 4.78 9轴11.5639.91.73 0.46 4.22 三层1轴11.569.50.41 0.17 3.91.55 40.03 2轴11.56190.82 0.29 2.66 3轴11.5649.42.14 0.52 4.71 4轴11.5679.83.45 0.63 5.77 5轴11.5679.83.45 0.63 5.77 6轴11.5679.83.45 0.63 5.77 7轴11.5650.982.21 0.52 4.78 8轴11.5650.982.21 0.52 4.78 9轴11.5639.91.73 0.46 4.22 二层1轴15.549.50.31 0.13 3.91.63 46.44 2轴15.54190.61 0.23 2.87 3轴15.5449.41.59 0.44 5.43 4轴15.5479.82.57 0.56 6.89 5轴15.5479.82.57 0.56 6.89 6轴15.5479.82.57 0.56 6.89 7轴15.5450.981.64 0.45 5.52 8轴15.5450.981.64 0.45 5.52 9轴15.5439.91.28 0.39 4.79 一层1轴13.474.750.35 0.36 4.52.89 42.37 2轴13.479.50.71 0.45 3.56 3轴13.4724.71.83 0.61 4.86 4轴13.4739.92.96 0.70 5.57 5轴13.4739.92.96 0.70 5.57 6轴13.4739.92.96 0.70 5.57 7轴13.4725.491.89 0.61 4.91 8轴13.4725.491.89 0.61 4.91 9轴13.4719.951.48 0.57 4.54 表4.8 G轴D值统计表G轴轴号Kc/103KN·MKb/103KN·MK 层高/mD/103KN/M一层D值合计/103KN/M四层1轴11.569.50.41 0.17 3.91.55 40.03 2轴11.56190.82 0.29 2.66 3轴11.5649.42.14 0.52 4.71 4轴11.5679.83.45 0.63 5.77 5轴11.5679.83.45 0.63 5.77 6轴11.5679.83.45 0.63 5.77 7轴11.5650.982.21 0.52 4.78 8轴11.5650.982.21 0.52 4.78 9轴11.5639.91.73 0.46 4.22 三层1轴11.569.50.41 0.17 3.91.55 40.03 2轴11.56190.82 0.29 2.66 3轴11.5649.42.14 0.52 4.71 4轴11.5679.83.45 0.63 5.77 5轴11.5679.83.45 0.63 5.77 6轴11.5679.83.45 0.63 5.77 7轴11.5650.982.21 0.52 4.78 8轴11.5650.982.21 0.52 4.78 9轴11.5639.91.73 0.46 4.22 二层1轴15.549.50.31 0.13 3.91.63 46.44 2轴15.54190.61 0.23 2.87 3轴15.5449.41.59 0.44 5.43 4轴15.5479.82.57 0.56 6.89 5轴15.5479.82.57 0.56 6.89 6轴15.5479.82.57 0.56 6.89 7轴15.5450.981.64 0.