鋼結(jié)構(gòu)廠房畢業(yè)設(shè)計-某十層鋼結(jié)構(gòu)住宅樓設(shè)計（全套建筑圖、結(jié)構(gòu)圖、計算書）,鋼結(jié)構(gòu)廠房,畢業(yè)設(shè)計,某十層,鋼結(jié)構(gòu),住宅樓,設(shè)計,全套,建筑,結(jié)構(gòu)圖,計算 I 鑫悅花園鋼結(jié)構(gòu)住宅畢業(yè)設(shè)計 摘 要 隨著經(jīng)濟快速增長，具有強度高、質(zhì)量輕等優(yōu)點的鋼結(jié)構(gòu)住宅在國內(nèi)外得到廣泛的 應(yīng)用。本文闡述了珠海某地區(qū)的一棟 10 層高鋼結(jié)構(gòu)住宅-“鑫悅花園”的設(shè)計過程，抗 震設(shè)防烈度為 8 級。設(shè)計內(nèi)容包括建筑設(shè)計、結(jié)構(gòu)體系方案選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計三部分。結(jié) 構(gòu)體系方案主要通過比較不同方案抗震性能確定。結(jié)構(gòu)設(shè)計包括手算設(shè)計樓板以及一品 框架的豎向內(nèi)力作用、地震作用以及風(fēng)荷載作用，配合電算進行構(gòu)件截面設(shè)計、節(jié)點設(shè) 計以及施工圖的繪制等。此外，還提出了一些關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)住宅發(fā)展的問題。 關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)住宅；建筑設(shè)計；結(jié)構(gòu)體系方案選擇；結(jié)構(gòu)設(shè)計；抗震性能 II 目 錄 1.鋼結(jié)構(gòu)住宅簡介與工程概況 1 1.1 鋼結(jié)構(gòu)住宅簡介 .1 1.2 工程概況 .1 1.3 鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計方法 .2 2.建筑設(shè)計 2 2.1 首層建筑平面圖 .3 2.2 二～十層建筑平面圖 .3 2.3 建筑正立面圖 .4 2.4 建筑 A-A 剖面圖 .5 3.結(jié)構(gòu)體系初選 5 3.1 結(jié)構(gòu)體系初步選擇 .5 3.2 結(jié)構(gòu)平面布置圖 .6 4.樓蓋與屋蓋設(shè)計 6 4.1 屋面樓面荷載計算 .7 4.2 施工階段驗算 .7 4.3 使用階段驗算 .8 4.4 剪切-粘結(jié)驗算 8 4.5 撓度驗算 .8 4.6 自振頻率驗算 .9 5.框架初步設(shè)計 9 5.1 梁截面初選 .9 5.2 柱截面初選 .9 5.3 支撐截面初選 10 5.4 構(gòu)件平面布置圖 10 6.結(jié)構(gòu)體系確定 .10 6.1 不同種類支撐體系的比較 10 6.2 框架體系與框架— 支撐體系的結(jié)構(gòu)性能比較 12 6.3 構(gòu)件立面布置圖 13 7.豎向內(nèi)力計算 .13 7.1 結(jié)構(gòu)計算簡圖與各構(gòu)件線剛度計算 13 7.2 恒荷載作用下的內(nèi)力計算 13 7.3 活荷載作用下的內(nèi)力計算 22 8.抗震內(nèi)力計算 .24 8.1 重力荷載計算 24 8.2 剛度計算 25 8.3 自振周期計算 27 8.4 地震作用計算 28 III 8.5 變形驗算 28 8.6 地震作用下的內(nèi)力計算 29 9.風(fēng)荷載內(nèi)力計算 .32 9.1 風(fēng)荷載作用計算 32 9.2 變形驗算 33 9.3 風(fēng)荷載作用下的內(nèi)力計算 33 10.內(nèi)力組合 35 10.1 梁內(nèi)力組合 .35 10.2 柱內(nèi)力組合 .36 10.3 各控制截面最大內(nèi)力組合值 .38 11.手算與電算結(jié)果分析比較 39 11.1 豎向荷載分析比較 .39 11.2 水平地震力計算分析比較 .41 11.3 電算主要計算指標(biāo) .42 12.截面驗算 44 12.1 框架柱的計算長度 .44 12.2 框架柱截面驗算 .45 12.3 框架梁截面驗算 .47 12.4 支撐截面驗算 .48 12.5 組合次梁設(shè)計 .48 12.6 鋼框架梁柱節(jié)點全塑性承載力驗算 .49 12.7 節(jié)點域抗剪強度驗算 .49 12.8 抗震構(gòu)造措施驗算 .49 13.節(jié)點設(shè)計 50 13.1 柱腳節(jié)點設(shè)計 .50 13.2 柱與柱的拼接連接設(shè)計 .51 13.3 梁柱節(jié)點設(shè)計 .51 13.4 次梁與主梁連接節(jié)點設(shè)計 .52 13.5 支撐節(jié)點設(shè)計 .53 14.樓梯設(shè)計與基礎(chǔ)設(shè)計 54 14.1 樓梯設(shè)計 .54 14.2 基礎(chǔ)設(shè)計 .55 15.防銹防火設(shè)計 55 15.1 防銹處理 .55 15.2 防火處理 .55 16.結(jié)語 57 參考文獻： .58 1 1.鋼結(jié)構(gòu)住宅簡介與工程概況 1.1 鋼結(jié)構(gòu)住宅簡介 鋼結(jié)構(gòu)住宅是以鋼結(jié)構(gòu)為骨架，同時配以多種其它材料的墻體和樓板拼裝而成的一 種住宅體系，是住宅建筑的一個重要分支。鋼結(jié)構(gòu)住宅是以工廠化生產(chǎn)的 H 型鋼梁、鋼 柱(包括 H 型鋼柱、鋼管柱、箱形柱、鋼骨混凝土柱或圓、方或矩形鋼管混凝土柱)為承 重骨架，同時配以新型輕質(zhì)的保溫、隔熱、高強的墻體材料作為圍護結(jié)構(gòu)，并與功能配 套的水暖電衛(wèi)設(shè)備和部品優(yōu)化集成的節(jié)能和環(huán)保型住宅。 與傳統(tǒng)的磚混和混凝土結(jié)構(gòu)住宅相比，鋼結(jié)構(gòu)住宅是一種更符合“綠色生態(tài)建筑” [1]： [1]特征的結(jié)構(gòu)形式。它具有強度高、質(zhì)量輕，構(gòu)建界面小、有效空間大，材料均勻， 塑性、韌性好，抗震性能優(yōu)越，制造簡單、施工周期短，節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點。 [2]因此， 鋼結(jié)構(gòu)住宅是我國住宅產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展方向，大力發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)住宅符合我國人口日益增長 與經(jīng)濟實力不斷提升的國情。同時鋼結(jié)構(gòu)住宅的發(fā)展依然存在耐火能力弱與容易腐蝕等 問題。 1.2 工程概況 工程名稱：鑫悅花園 建設(shè)地點：珠海市區(qū)某地； 場地概況：場地大小為 30m×30m，8～12 層，建筑總高度不超過 40m，室內(nèi)外高差 為 0.3m，設(shè)計使用年限為 50 年； 結(jié)構(gòu)形式：多高層鋼結(jié)構(gòu) 基本風(fēng)壓：w 0=0.8kN/m2，地面粗糙程度為 C 類； 抗震要求：抗震設(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度為 8 度，Ⅱ類場地土，設(shè)計地震分 組為第一組； 場地土層情況： 表 1-1 層次 層厚（m） 層底標(biāo)高（m）（標(biāo)高±0.00） 土體類型 土體參數(shù) Ⅰ 1.00 -1.00 雜填土 Ⅱ 2.50 -3.50 淤泥質(zhì)土 Ⅲ 3.00 -6.50 粉質(zhì)粘土 含水率 ，塑限13%??，液限P8L7 Ⅳ 5.50 -12.00 粉土 孔隙比 0.e Ⅴ ?-?中密的中砂 屋面做法：壓型鋼板混凝土組合樓板，20 厚水泥混凝土找平，100mm 厚鋼筋混凝土 樓板，20mm 厚石灰砂漿抹底，八層作法防水層（三氈四油上鋪小石子） ； 樓面做法：壓型鋼板混凝土組合樓板，水磨石面層，20 厚水泥混凝土找平， 100mm 厚鋼筋混凝土樓板，20mm 厚石灰砂 漿抹底； 2 墻身做法：外墻采用 150mm 厚 ALC 板，內(nèi)隔墻采用 100mm 厚 ALC 板，自重 6.5KN/m3；要加支撐的墻選用混凝土空心小砌塊，自重 11.8KN/m3； 女兒墻做法：V-125 型壓鋼板外加 100 厚彩色鋼板巖棉夾芯板，自重 0.545 kN/m2； 門窗做法：門為木門，自重 0.2 kN/m2，窗為鋼窗玻璃窗，自重 0.4 kN/m2。 1.3 鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計方法 50 年代中期至 60 年代末,有限元法出現(xiàn)并迅猛發(fā)展,由于當(dāng)時理論尚處于初級階段， 計算機的硬件及軟件也無法滿足需求，有限元法和有限元程序無法在工程上普及。到 60 年代末 70 年代初出現(xiàn)了大型通用有限元程序，它們以功能強、用戶使用方便、計算結(jié)果 可靠和效率高而逐漸形成新的技術(shù)商品，成為結(jié)構(gòu)工程強有力的分析工具。 有限元法是建立在固體流動變分原理基礎(chǔ)之上的，用有限元進行分析時，首先將被 分析物體離散成為許多小單元，其次給定邊界條件、載荷和材料特性，再者求解線性或 非線性方程組，得到位移、應(yīng)力、應(yīng)變、內(nèi)力等結(jié)果，最后在計算機上，使用圖形技術(shù) 顯示計算結(jié)果。 由于采用有限元法可以模擬任何形式的結(jié)構(gòu)，且對結(jié)構(gòu)的簡化近似可以做到最少， 因此有限元計算精度很高，能反映結(jié)構(gòu)的真實受力狀態(tài)，能夠分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)在復(fù)雜受力 狀態(tài)下的效應(yīng)。 [3]本結(jié)構(gòu)可以利用 PKPM 系列軟件對結(jié)構(gòu)進行有限元分析，配合手算及 結(jié)構(gòu)設(shè)計知識完成主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計。 2.建筑設(shè)計 以下根據(jù)《住宅建筑模數(shù)協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)》 （GB/T 50100—2001） [4]、 《住宅建筑規(guī)范》 （GB50368—2005） [5]以及《住宅設(shè)計規(guī)范》 （GB 50096—1999） [6]進行建筑設(shè)計。本結(jié) 構(gòu)建筑設(shè)計滿足建筑使用要求，空間布局協(xié)調(diào)，同時風(fēng)格以簡潔為主，以適合當(dāng)?shù)氐慕?jīng) 濟狀況，屬于休閑經(jīng)濟型住宅。 3 2.1 首層建筑平面圖 圖 2-1 首層平面圖 2.2 二～十層建筑平面圖 圖 2-2 二～十層建筑平面圖 4 2.3 建筑正立面圖 圖 2-3 建筑正立面圖 5 2.4 建筑 A-A 剖面圖 圖 2-4 建筑 A-A 剖面圖 3.結(jié)構(gòu)體系初選 3.1 結(jié)構(gòu)體系初步選擇 高層鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)體系主要有鋼框架體系、框架—支撐體系、框架—剪力墻體系、 框架—核心筒體系。根據(jù)《高層民用鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》 （JGJ99—98） [7]規(guī)定，各種結(jié)構(gòu) 體系的鋼結(jié)構(gòu)房屋有一定的適用高度： 表 3-1 鋼結(jié)構(gòu)房屋的適用高度（m） 抗震設(shè)防烈度結(jié)構(gòu)體系 6、7 度 8 度 9 度 框架 110 90 70 框架—支撐（剪力墻板） 220 200 140 各種筒體 300 260 180 6 鋼框架體系是多層鋼結(jié)構(gòu)住宅最常見的結(jié)構(gòu)體系之一，這種體系的抗側(cè)移剛度小。 鋼框架—支撐體系借助支撐來承受水平力和提供側(cè)向剛度。當(dāng)房屋較高時,它比純框架經(jīng) 濟，比較適用于 7～15 層的住宅。支撐框架主要可分為中心支撐框架、偏心支撐框架。 一般而言,地震區(qū)不超過 12 層的樓房,可用中心支撐；超過 12 層的樓房,抗震等級達到 8 度、9 度時宜采用偏心支撐等耗能支撐。鑒于本結(jié)構(gòu)高度較小，后兩種結(jié)構(gòu)體系不再敘述。 本結(jié)構(gòu)適用的結(jié)構(gòu)體系有鋼框架體系與框架—支撐體系?？紤]到本結(jié)構(gòu)建筑高度為 29.75m，屬于不超過 12 層的高層鋼結(jié)構(gòu)，且珠海地區(qū)抗震設(shè)防烈度為 8 級，初步選取框 架—支撐體系中的中心支撐框架體系作為本結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系。 3.2 結(jié)構(gòu)平面布置圖 根據(jù)建筑設(shè)計進行結(jié)構(gòu)平面布置。本結(jié)構(gòu)各層結(jié)構(gòu)布置相同，以下是結(jié)構(gòu)平面圖， 立面布置圖有待確定（圖中描黑處為支撐） 。 圖 3-1 結(jié)構(gòu)平面布置圖 4.樓蓋與屋蓋設(shè)計 樓蓋與屋蓋均采用壓型鋼板—混凝土組合樓板，且兩者結(jié)構(gòu)布置相同，故只需取樓 蓋與屋蓋荷載較大的進行設(shè)計。 [8]根據(jù)《鋼—混凝土組合樓板結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程》 （YB9238—92） [9]第 2.1.6 條規(guī)定，選用適用于組合板的國產(chǎn)壓型鋼板 YX75-230- 690（II） ，鋼材等級 Q235，板厚 1.0mm，強肋沿建筑橫向布置。混凝土厚度 100mm，且 l/h=15.88≤27 ，可視為單向簡支板計算。根據(jù)結(jié)構(gòu)布置，可知板的最大跨度為 2.7m，故 取 2.7m 的單向板按《高層民用鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》 （ JGJ99—98） [7]規(guī)定設(shè)計。下面查《建 筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》 （GB50009—2001） [10]進行荷載計算。 7 4.1 屋面樓面荷載計算 4.1.1 樓蓋荷載 恒荷載標(biāo)準(zhǔn)值： 水磨石面層 0.65 kN/m2 20 厚水泥混凝土找平 0.02×20=0.46kN/m2 100mm 厚鋼筋混凝土樓板 0.10×25=2.50kN/m2 20mm 厚石灰砂漿抹底 0.02×17=0.34kN/m2 壓型鋼板自重 0.133kN/m2 小計 4.083kN/m2 荷載設(shè)計值： 2 21.24083.9/,1.40.8/,70gkNmqkNmq????? 4.1.2 屋蓋荷載 恒荷載標(biāo)準(zhǔn)值： 20 厚水泥混凝土找平 0.02×20=0.40kN/m2 八層作法防水層 0.4kN/m2 100mm 厚鋼筋混凝土樓板 0.1×25=2.50kN/m2 20mm 厚石灰砂漿抹底 0.02×17=0.34kN/m2 壓型鋼板自重 0.133kN/m2 小計 3.773kN/m2 荷載設(shè)計值： 2 21.2374.5/,1.405.7/,0gkNmqkNmq????? 樓蓋比屋蓋的荷載大，取樓蓋作驗算。 4.2 施工階段驗算 查壓型鋼板規(guī)格表，壓型鋼板強度 f=205N/mm2，面積 Ap＝1656mm 2，壓型鋼板自重 0.133kN/mm2,Ief=110cm4,Wef=26.2cm3,混凝土選用 C20，面層自重為 1.11kN/m2，重心距底 板高度為 39.1mm。平均板厚度為：（100mm×690mm+3 ×（88mm+118mm） ÷2×75mm）÷690mm＝134.6mm 荷載計算：取一米板寬計算。 8 恒載： 1.2.(01346250.13)4.98(/)kg kNm????? 活載： 4/qkNm? 彎矩： 2210().98.7.()8Ml k?? 抗彎強度： 圖 4-136.5.5.10efWN???? 撓度計算： 4343568()8.9102.710.()10.47342[]//5()ksefgqlEI ml?? ????????? 4.3 使用階段驗算 抗彎強度： ，017539.1.()hm????165203.6()9.p ccAfxmhb???? 組合截面塑性中和軸在壓型鋼板頂面以上，則： 22().70.7.0(/)88Mgql kNm?05163.9562321(/)2(/)pxfAhkNmk????? 斜截面抗剪承載力： ()7.10.4()gql kNV????0.7.359.6()10.4()tfbh kN? 4.4 剪切-粘結(jié)驗算 荷載為均布荷載，a=1/4l=675mm ，則：021653.99.804135.91724(N).()pscktAhGlmkbfaK?????? 4.5 撓度驗算 荷載標(biāo)準(zhǔn)組合下的剛度計算： 54/2.10/.108.2Esc???? 根據(jù)壓型鋼板一個波寬截面的尺寸（圖 4-1）計算組合截面的形心位置以及組合慣性 矩。 組合截面形心位置: 9 1(0.3758.).2(57.391)0.4()2103iEsAy cm?????? ?? 組合截面慣性矩 2468.9568.9.3617()ciiIAym??? 一個波寬內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)荷載 0.2(4.8.0)139(/)kPbgqKNm??? 撓度驗算： 445381.927046.10.27()/3()seflEImlm????? 4.6 自振頻率驗算 自震頻率驗算： 3415.180.7.2f Hzv??? 5.框架初步設(shè)計 該建筑選用③軸框架進行截面初步設(shè)計，對于 AB 跨梁與次梁選用 Q235 鋼材，對于 CD 跨梁選用 Q345 鋼材，柱子選用 Q345 鋼材?？蚣艿某兄伢w系為橫向框架體系。 5.1 梁截面初選 樓板為單向板，因此荷載的傳遞路線為板?次梁?主梁。 由第 4 章計算得樓面恒載為 4.083 kN/m2，活載為 2.0kN/m2。墻面為 25mm 厚的水刷 石墻面，自重 0.5kN/m2 ；粉刷為 20mm 厚的石灰粗砂粉刷，自重 0.35kN/m2 。 則內(nèi)墻墻體荷載（假定梁高 150mm）：（6.5kN/m 3×0.1m+0.35kN/m2+0.5kN/m2） ×（2.9m －0.15m ）=4.125kN/m。 選取 CD 梁估算最大彎矩（暫不考慮梁自重） 。 作用于梁上的均布荷載 q=1.2×4.125=4.95 kN/m；集中荷載 F1= F2=1.2×4.083×5×2.4+1.4×2.0×5×2.4=99.12kN 則其固端彎矩為： ??2222114.957 kNm.1.48.47DMFabql? ????＝ ＝ ＝ 79.8++ 內(nèi)力組合時梁的最不利組合多是：恒荷載+活荷載+風(fēng)荷載，將計算彎矩乘以一個 1.2 的放大倍數(shù)，可得： 630, 14125xxnxnMfWcmf??????? 作為初始梁高可根據(jù)梁的跨度的 1/20～1/12（360mm～600mm）選取，且考慮到梁的 10 自重和要有一定安全儲備，選取 HN396×199×7×11,Wnx=1010cm3。 5.2 柱截面初選 不考慮自重，選用軸力最大的 C 柱估算截面，并考慮樓面活荷載的折減系數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)層 的作用壓力為 278.9kN，屋面層作用的壓力為 154.8kN。 底層受力為 278.9kN×9+154.8kN＝2664.9kN。 根據(jù)經(jīng)驗公式： 。 32264.910750.AmNf???? 考慮到抗震要求中的柱長細(xì)比要求： ，1～5 層選用65/49.yf??? HW400×400， 6～10 層選用 HW300×300，強軸沿橫向布置。 5.3 支撐截面初選 可初估橫向荷載，以支撐承受 100％的橫向荷載作用初選截面，并滿足長細(xì)比要求。 選用 HW250×250×9×14，Q235 鋼材。 為了滿足住宅的使用要求，框架—支撐體系的高層住宅一般會在山墻，分戶墻，樓 梯間布置支撐。對于本結(jié)構(gòu)，在山墻與分戶墻處布置支撐，以增強結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度。而縱 向則在①與②列框架之間的 C 軸隔墻上布置支撐。 5.4 構(gòu)件平面布置圖 其余梁柱支撐等也用上述的步驟選擇，最終構(gòu)件平面布置如圖 5-1 所示： 圖 5-1 構(gòu)件平面布置圖 6.結(jié)構(gòu)體系確定 6.1 不同種類支撐體系的比較 框架—中心支撐體系是常用的雙重抗側(cè)力體系之一。該類體系具有較大抗側(cè)剛度,保 證了正常使用極限狀態(tài)要求，在常遇地震作用下能有效防止非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞。但是設(shè) 11 計不當(dāng)?shù)目蚣?中心支撐結(jié)構(gòu)在罕遇地震中易遭到破壞。地震中當(dāng)某一層鋼支撐出現(xiàn)剛度、 強度退化后,很容易在該層形成軟弱層，甚至?xí)鹫w結(jié)構(gòu)的倒塌。 [11][11] 連尉安,張耀春 鋼支撐及框架— 中心支撐重抗側(cè)力體系研究現(xiàn)狀、不足及改進[D].哈爾濱.地震工程與工程振動因此，選擇正確 的支撐對結(jié)構(gòu)的性能也有不容忽視的的影響。 高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的中心支撐宜采用十字交叉斜桿、單斜桿、人字形斜桿或 V 形斜桿 體系。抗震設(shè)防的結(jié)構(gòu)不得采用 K 形斜桿體系。根據(jù) 《高層民用鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》 （JGJ99—98 ） [7]第 6.4.1 條規(guī)定，當(dāng)采用只能受拉的單斜桿體系時，應(yīng)同時設(shè)不同傾斜 方向的兩組單斜桿，且每層中不同方向單斜桿的截面面積在水平方向的投影面積之差不 得大于 10%。因此，本結(jié)構(gòu)不適合采用單斜桿支撐。 以本結(jié)構(gòu)框架為基礎(chǔ)，使用 PKPM[12], [13], [14]分別對十字交叉斜桿支撐、人字形斜 桿支撐和 V 形斜桿支撐體系進行建模與有限元計算分析。支撐均使用相同截面 HW250×250×9×14，兩端鉸支。通過自振周期、地震力和結(jié)構(gòu)位移等方面比較各種支 撐的性能。以下是三種支撐體系的①軸框架立面布置圖 [15]： 圖 6-1 三種支撐體系的①軸框架立面布置圖 表 6-1 三種支撐體系的結(jié)構(gòu)性能比較 支撐體系 結(jié)構(gòu)自重 （t） 結(jié)構(gòu)自振周期（s） 底部地震力（kN） 最大層間 位移角 最大層間 位移 （mm） 支撐最大 軸力 （ kN） 十字支撐 2610.194 0.9877 2566.18 1/771 27.8 1046.3 人字支撐 2587.349 0.9723 2666.61 1/780 26.9 758.3 V 字支撐 2581.225 1.0066 2513.5 1/741 28.2 958.5 由以上比較可以看出在采用相同支撐截面的情況下，人字形支撐體系的周期最小， 12 即其剛度最大。因此其層較位移角與層間位移最小，但其底部地震力也最大。另一方面， 十字形支撐體系的用鋼量比人字形支撐體系、V 字形支撐體系大。人字形支撐的承擔(dān)的軸 力在三者之中最小。結(jié)構(gòu)在剛度增加同時，所受到地震作用增大，支撐所受內(nèi)力也加大。 人字支撐在地震作用增大的情況下，能承受更大的軸力，達到耗能功能。綜上所述，考 慮住宅的舒適性、安全性與經(jīng)濟性的需求。本結(jié)構(gòu)采用人字形支撐體系。 6.2 框架體系與框架—支撐體系的結(jié)構(gòu)性能比較 為更進一步了解支撐對結(jié)構(gòu)性能的影響，對純框架結(jié)構(gòu)建模計算，對比其主要的性 能指標(biāo)。以下是純框架體系的①軸框架立面布置圖： 圖 6-2 純框架體系的①軸框架立面布置圖 純框架體系的第一自振周期為 1.1938s，地震作用下的最大層間位移角為 1/464，大多 數(shù)構(gòu)件的效應(yīng)偏大，使結(jié)構(gòu)存在不安全因素。而人字形中心支撐體系的結(jié)構(gòu)周期為 13 0.9723s，最大層間位移角為 1/774，而支撐的用鋼量只占整個結(jié)構(gòu)用鋼量的 15%。 由此可見，支撐使結(jié)構(gòu)的抗震性能大大提高，主要是因為結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度提高，使 變形大大減小，梁柱彎矩也相應(yīng)地減小。除此以外，在下面的地震力計算中還將對兩種 體系的手算計算結(jié)果進行比較。 6.3 構(gòu)件立面布置圖 本結(jié)構(gòu)確定使用人字形框架—中心支撐結(jié)構(gòu)體系，以下是構(gòu)件立面布置圖： 圖 6-3 構(gòu)件立面布置圖 7.豎向內(nèi)力計算 7.1 結(jié)構(gòu)計算簡圖與各構(gòu)件線剛度計算 根據(jù)《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》 （JGJ98-99） [7]規(guī)定，壓型鋼板組合樓蓋中梁 的慣性矩對兩側(cè)有樓板的梁宜取 1.5I0，對僅一側(cè)有樓板的梁宜取 1.2I0，I 0 為鋼梁慣性矩。 結(jié)構(gòu)計算簡圖和各構(gòu)件的線剛度經(jīng)計算 [16], [17], [18]后如圖 7-1 所示： AC 跨梁： 451.520/5.61iEE?????? CD 跨梁： 70 柱 5~10 層： 45./.9i?? 14 柱 1～5 層： 456.910/2.3.071iEE?????? 7.2 恒荷載作用下的內(nèi)力計算 恒荷載作用下的內(nèi)力計算采用分層法。 5～10 層的中間層為第一標(biāo)準(zhǔn)層，1～5 層 圖 7-1 的中間層為第二標(biāo)準(zhǔn)層。 7.2.1 頂層計算 荷載計算： 梁自重 56.7×9.8×10-3＝0.56kN/m 小計 0.56kN/m A 節(jié)點縱向主梁自重 0.56×（1.8+2.5） ＝2.41kN 屋蓋傳來的荷載 3.773×4.3×1.35＝21.90kN 小計 24.31kN B 節(jié)點縱向主梁自重 0.56×（1.8+2.5） ＝2.41kN 屋蓋傳來的荷載 3.773×4.3×2.7＝43.80kN 小計 46.21kN C 節(jié)點縱向主梁自重 0.56×（1.8+2.5） ＝2.41kN 屋蓋傳來的荷載 3.773×(4.3×1.35+5×1.2)＝44.54kN 小計 46.95kN E 與 F 節(jié)點縱向主梁自重 0.56×（1.8+3.2） ＝2.8kN 屋蓋傳來的荷載 3.773×5×2.4＝45.28kN 小計 48.08kN D 節(jié)點縱向主梁自重 0.56×（1.8+3.2） ＝2.8kN 屋蓋傳來的荷載 3.773×5×1.2＝22.64kN 小計 25.44kN 則頂層荷載與計算簡圖如圖 7-2 所示： 15 圖 7-2 分層法計算中，除底層柱外，其余各層柱的線剛度乘以 0.9 的折減系數(shù)，彎矩傳遞系 數(shù)取 1/3。荷載計算如表 7-1 所示： 表 7-1 頂層梁彎矩分配 節(jié)點 A C D 項目 下柱 右梁 左梁 下柱 右梁 左梁 下柱 分配系數(shù) 0.534 0.466 0.345 0.396 0.259 0.396 0.604 固端彎矩 -32.55 32.55 -79.35 79.35 17.382 15.168 -31.423 -47.927 7.584 -15.711 18.950 21.751 14.226 9.475 7.113 -5.060 -4.415 -2.817 -4.296 -2.208 -1.408 1.248 1.432 0.937 ∑ 12.32 -12.32 58.12 23.18 -81.31 52.22 -52.22 圖 7-3 7.2.2 第一標(biāo)準(zhǔn)層計算 荷載計算： 梁自重 0.56kN/m 墻自重 (6.5kN/m3×0.1m+0.35kN/m2+0.5kN/m2) ×(2.9-0.199)=4.05kN/m 小計 4.61kN/m 16 A 節(jié)點縱向主梁自重 0.56×（1.8+2.5） ＝2.41kN 墻自重 (6.5kN/m3×0.15m+0.35kN/m2+0.5kN/m2) ×(2.9-0.199) ×4.2=20.71kN 樓蓋傳來的荷載 4.083×4.3×1.35＝23.70kN 柱自重 94.5×9.8×10-3×2.9＝2.69kN 小計 49.51kN B 節(jié)點縱向主梁自重 0.56×（1.8+2.5） ＝2.41kN 墻自重 4.05×2.5=10.13kN 樓蓋傳來的荷載 4.083×4.3×2.7＝47.40kN 柱自重 94.5×9.8×10-3×2.9＝2.69kN 小計 62.63kN C 節(jié)點縱向主梁自重 0.56×（1.8+2.5） ＝2.41kN 墻自重 4.05×1.8=7.29kN 樓蓋傳來的荷載 4.083×(4.3×1.35+5×1.2)＝48.20kN 柱自重 94.5×9.8×10-3×2.9＝2.69kN 計 60.59kN E 與 F 節(jié)點縱向主梁自重 0.56×（1.8+3.2） ＝2.8kN 樓蓋傳來的荷載 4.083×5×2.4＝49.00kN 柱自重 94.5×9.8×10-3×2.9＝2.69kN 小計 54.49kN D 節(jié)點縱向主梁自重 0.56×（1.8+3.2） ＝2.8kN 墻自重 4.93×4.9=24.16kN 樓蓋傳來的荷載 4.083×5×1.2＝24.50kN 柱自重 94.5×9.8×10-3×2.9＝2.69kN 小計 54.15kN 則頂層荷載與計算簡圖如圖 7-4 所示： 17 圖 7-4 荷載計算如表 7-2 所示： 表 7-2 第一標(biāo)準(zhǔn)層梁彎矩分配 節(jié)點 A C D 項目 上柱 下柱 右梁 左梁 上柱 下柱 右梁 左梁 下柱 上柱 分配系數(shù) 0.348 0.348 0.304 0.248 0.283 0.283 0.186 0.246 0.377 0.377 固端彎矩 -53.48 53.48 -107.1 107.1 18.611 18.611 16.258 -26.347 -40.377 -40.377 8.129 -13.173 14.549 16.602 16.602 10.912 7.274 5.456 -2.531 -2.531 -2.211 -1.342 -2.057 -2.057 -1.106 -0.671 0.441 0.503 0.503 0.330 ∑ 16.08 16.08 -32.16 75.49 17.10 17.10 -109.70 84.87 -42.43 -42.43 圖 7-5 7.2.3 第一標(biāo)準(zhǔn)層與第二標(biāo)準(zhǔn)層連接層計算 表 7-3 第一標(biāo)準(zhǔn)層梁與第二標(biāo)準(zhǔn)層連接層彎矩分配 節(jié)點 A C D 項目 上柱 下柱 右梁 左梁 上柱 下柱 右梁 左梁 下柱 上柱 分配系數(shù) 0.195 0.635 0.170 0.151 0.173 0.563 0.113 0.133 0.663 0.204 18 固端彎矩 -53.48 53.48 -107.1 107.1 10.429 33.960 9.092 -14.244 -71.007 -21.848 4.546 -7.122 8.486 9.722 31.639 6.350 4.243 3.175 -0.827 -2.694 -0.721 -0.422 -2.105 -0.648 -0.361 -0.211 0.086 0.099 0.322 0.065 ∑ 9.60 31.27 -40.87 66.24 9.82 31.96 -108.02 95.61 -73.11 -22.50 圖 7-6 7.2.4 第二標(biāo)準(zhǔn)層計算 截面改變后荷載值發(fā)生改變，但只是柱節(jié)點荷載因柱截面改變而發(fā)生變化，故在其他 荷載不必重復(fù)計算，利用以前的數(shù)據(jù)即可。HM350×350 的柱自重為 2.69kN，HM400×400 的柱自重為 4.89kN，故個節(jié)點自重均增加 2.2kN。A 節(jié)點荷載為 51.71kN，B 節(jié)點荷載為 64.83kN，C 節(jié)點荷載為 62.79kN，E 與 F 節(jié)點荷載為 56.69kN，D 節(jié)點荷載為 56.35kN。 表 7-4 第二標(biāo)準(zhǔn)層彎矩分配 節(jié)點 A C D 項目 上柱 下柱 右梁 左梁 上柱 下柱 右梁 左梁 下柱 上柱 分配系數(shù) 0.441 0.441 0.118 0.109 0.405 0.405 0.081 0.092 0.454 0.454 固端彎矩 -54.96 54.96 - 110.62 110.62 24.237 24.237 6.485 -10.177 -50.221 -50.221 3.243 -5.089 6.268 23.290 23.290 4.658 3.134 2.329 -1.382 -1.382 -0.370 -0.214 -1.057 -1.057 -0.185 -0.107 19 0.032 0.118 0.118 0.024 ∑ 22.86 22.86 -45.71 64.32 23.41 23.41 - 111.13 102.56 -51.28 -51.28 圖 5-7 7.2.5 底層計算 底層的荷載與第二標(biāo)準(zhǔn)層相同，但底層柱的線剛度不乘以 0.9，且傳遞系數(shù)為 1/2。 表 7-4 第二標(biāo)準(zhǔn)層彎矩分配 節(jié)點 A C D 項目 上柱 下柱 右梁 左梁 上柱 下柱 右梁 左梁 下柱 上柱 分配系數(shù) 0.420 0.467 0.113 0.104 0.388 0.430 0.078 0.087 0.481 0.432 固端彎矩 -54.96 54.96 -110.62 110.62 23.083 25.666 6.210 -9.624 -53.208 -47.788 3.105 -4.812 5.966 22.258 24.668 4.475 2.983 2.237 -1.253 -1.393 -0.337 -0.195 -1.076 -0.967 -0.169 -0.097 0.028 0.103 0.114 0.021 ∑ 21.83 24.27 -46.10 63.89 22.36 24.78 -111.03 103.04 -54.28 -48.75 圖 7-8 20 7.2.6 各層彎矩組合與剪力、軸力計算 7.2.6.1 各層彎矩組合 頂層與第一標(biāo)準(zhǔn)層的彎矩組合如表 7-5 所示： 表 7-5 頂層與第一標(biāo)準(zhǔn)層的彎矩組合 A C D 節(jié)點 內(nèi)容 上柱 下柱 右梁 左梁 上柱 下柱 右梁 左梁 下柱 上柱 頂層梁 分配系數(shù) 0.534 0.466 0.345 0.396 0.259 0.396 0.604 節(jié)點彎矩 17.68 -12.32 58.12 28.88 -81.31 52.22 -66.37 彎矩分配 -2.86 -2.50 -1.97 -2.26 -1.48 5.60 8.54 ∑ 14.82 -14.82 56.16 26.63 -82.78 57.82 -57.82 第 9 層梁 分配系數(shù) 0.348 0.348 0.304 0.248 0.283 0.283 0.186 0.246 0.377 0.377 節(jié)點彎矩 20.19 21.44 -32.16 75.49 24.83 22.81 -109.70 84.87 -56.58 -59.84 彎矩分配 -3.29 -3.29 -2.88 -3.33 -3.80 -3.80 -2.50 7.76 11.90 11.90 ∑ 16.89 18.14 -35.04 72.16 21.03 19.01 -112.20 92.63 -44.68 -47.95 第一標(biāo)準(zhǔn)層與第一標(biāo)準(zhǔn)層的彎矩組合如表 7-6 所示： 表 7-6 第一標(biāo)準(zhǔn)層與第一標(biāo)準(zhǔn)層的彎矩組合 A C D 節(jié)點 內(nèi)容 上柱 下柱 右梁 左梁 上柱 下柱 右梁 左梁 下柱 上柱 分配系數(shù) 0.348 0.348 0.304 0.248 0.283 0.283 0.186 0.246 0.377 0.377 節(jié)點彎矩 21.44 21.44 -32.16 75.49 22.81 22.81 -109.70 84.87 -56.58 -56.58 彎矩分配 -3.73 -3.73 -3.26 -2.83 -3.23 -3.23 -2.12 6.96 10.66 10.66 ∑ 17.71 17.71 -35.42 72.66 19.58 19.58 -111.82 91.83 -45.91 -45.91 第一標(biāo)準(zhǔn)層與第二標(biāo)準(zhǔn)層的彎矩組合如表 7-7 所示： 表 7-7 第一標(biāo)準(zhǔn)層與第二標(biāo)準(zhǔn)層的彎矩組合 A C D 節(jié)點 內(nèi)容 上柱 下柱 右梁 左梁 上柱 下柱 右梁 左梁 下柱 上柱 第 6 層梁 分配系數(shù) 0.348 0.348 0.304 0.248 0.283 0.283 0.186 0.246 0.377 0.377 節(jié)點彎矩 21.44 19.28 -32.16 75.49 22.81 20.38 -109.70 84.87 -49.93 -56.58 彎矩分配 -2.98 -2.98 -2.60 -2.23 -2.54 -2.54 -1.67 5.32 8.16 8.16 ∑ 18.46 16.30 -34.76 73.27 20.27 17.84 -111.37 90.19 -41.77 -48.42 21 第 5 層梁 分配系數(shù) 0.195 0.635 0.170 0.151 0.173 0.563 0.113 0.133 0.663 0.204 節(jié)點彎矩 14.96 38.88 -40.87 66.24 15.52 39.76 -108.02 95.61 -90.21 -36.64 彎矩分配 -2.53 -8.24 -2.21 -2.04 -2.34 -7.60 -1.53 4.15 20.71 6.37 ∑ 12.43 30.64 -43.07 64.20 13.19 32.16 -109.54 99.76 -69.49 -30.27 第 4 層梁 分配系數(shù) 0.441 0.441 0.118 0.109 0.405 0.405 0.081 0.092 0.454 0.454 節(jié)點彎矩 33.28 30.47 -45.71 64.32 34.06 31.21 -111.13 102.56 -68.37 -75.65 彎矩分配 -7.96 -7.96 -2.13 -2.01 -7.47 -7.47 -1.49 3.81 18.82 18.82 ∑ 25.32 22.52 -47.84 62.31 26.59 23.74 -112.63 106.37 -49.55 -56.83 第二標(biāo)準(zhǔn)層與第二標(biāo)準(zhǔn)層的彎矩組合如表 7-8 所示： 表 7-8 第二標(biāo)準(zhǔn)層與第二標(biāo)準(zhǔn)層的彎矩組合 A C D 節(jié)點 內(nèi)容 上柱 下柱 右梁 左梁 上柱 下柱 右梁 左梁 下柱 上柱 分配系數(shù) 0.441 0.441 0.118 0.109 0.405 0.405 0.081 0.092 0.454 0.454 節(jié)點彎矩 30.47 30.47 -45.71 64.32 31.21 31.21 -111.13 102.56 -68.37 -68.37 彎矩分配 -6.72 -6.72 -1.80 -1.70 -6.32 -6.32 -1.26 3.15 15.52 15.52 ∑ 23.75 23.75 -47.51 62.62 24.89 24.89 -112.40 105.70 -52.85 -52.85 第二標(biāo)準(zhǔn)層與底層的彎矩組合如表 7-9 所示： 表 7-9 第二標(biāo)準(zhǔn)層與底層的彎矩組合 A C D 節(jié)點 內(nèi)容 上柱 下柱 右梁 左梁 上柱 下柱 右梁 左梁 下柱 上柱 第 2 層梁 分配系數(shù) 0.441 0.441 0.118 0.109 0.405 0.405 0.081 0.092 0.454 0.454 節(jié)點彎矩 30.47 33.77 -45.71 64.32 31.21 34.59 -111.13 102.56 -75.66 -68.37 彎矩分配 -8.17 -8.17 -2.19 -2.07 -7.69 -7.69 -1.54 3.82 18.83 18.83 ∑ 22.30 25.60 -47.90 62.25 23.52 26.90 -112.67 106.37 -56.83 -49.54 第 1 層梁 分配系數(shù) 0.420 0.467 0.113 0.104 0.388 0.430 0.078 0.087 0.481 0.432 節(jié)點彎矩 29.45 24.27 -46.10 63.89 30.16 24.78 -111.03 103.04 -54.28 -65.85 彎矩分配 -3.20 -3.56 -0.86 -0.81 -3.03 -3.36 -0.61 1.49 8.22 7.38 ∑ 26.25 20.72 -46.96 63.08 27.14 21.43 -111.64 104.53 -46.06 -58.46 7.2.6.2 各層彎矩組合 根據(jù)以上計算，匯總各節(jié)點彎矩如表 7-10 所示： 表 7-10 恒荷載作用下的各節(jié)點彎矩 22 A C D 節(jié)點 層次 上柱 下柱 右梁 左梁 上柱 下柱 右梁 左梁 下柱 上柱 10 14.82 -14.82 56.16 26.63 -82.78 57.82 -57.82 9 16.89 18.14 -35.04 72.16 21.03 19.01 -112.20 92.63 -44.68 -47.95 8 17.71 17.71 -35.42 72.66 19.58 19.58 -111.82 91.83 -45.91 -45.91 7 17.71 17.71 -35.42 72.66 19.58 19.58 -111.82 91.83 -45.91 -45.91 6 18.46 16.30 -34.76 73.27 20.27 17.84 -111.37 90.19 -41.77 -48.42 5 12.43 30.64 -43.07 64.20 13.19 32.16 -109.54 99.76 -69.49 -30.27 4 25.32 22.52 -47.84 62.31 26.59 23.74 -112.63 106.37 -49.55 -56.83 3 23.75 23.75 -47.51 62.62 24.89 24.89 -112.40 105.70 -52.85 -52.85 2 22.30 25.60 -47.90 62.25 23.52 26.90 -112.67 106.37 -56.83 -49.54 1 26.25 20.72 -46.96 63.08 27.14 21.43 -111.64 104.53 -46.06 -58.46 根據(jù)彎矩進行剪力與軸力的計算，結(jié)果如表 7-11 所示： 表 7-11 恒荷載作用下的軸力與剪力 項目 剪力(kN) 軸力(kN) 層次 A C（左） C（右） D A C D 10 16.96 -32.27 53.56 -46.63 -41.27 -132.79 -72.07 9 36.89 -50.64 73.80 -68.37 -127.67 -317.82 -194.59 8 36.87 -50.66 73.86 -68.31 -214.05 -502.93 -317.05 7 36.87 -50.66 73.86 -68.31 -300.42 -688.04 -439.51 6 36.63 -50.89 74.03 -68.14 -386.56 -873.55 -561.80 5 39.85 -47.67 72.44 -69.73 -475.92 -1054.26 -685.68 4 42.18 -47.54 74.16 -72.42 -569.81 -1238.74 -814.45 3 42.06 -47.66 74.22 -72.36 -663.59 -1423.41 -943.15 2 42.20 -47.52 74.16 -72.41 -757.50 -1607.88 -1071.91 1 41.88 -47.85 74.27 -72.30 -851.09 -1792.79 -1200.56 7.3 活荷載作用下的內(nèi)力計算 計算或荷載作用下的內(nèi)力時，考慮活荷載最不利分布。活荷載的不利分布有下圖所示 的兩種情況，利用恒荷載計算是的參數(shù)進行彎矩分配法計算。樓面活荷載為 2kN/m 和屋 面活荷載為 0.5kN/m。 頂層活荷載計算： 最不利分布的兩種情況： 圖 7-9 23 計算結(jié)果如下： 圖 7-10 標(biāo)準(zhǔn)層活荷載計算： 圖 7-11 第一標(biāo)準(zhǔn)層計算結(jié)果： 圖 7-12 第一與第二標(biāo)準(zhǔn)層連接層計算結(jié)果： 圖 7-13 第二標(biāo)準(zhǔn)層計算結(jié)果： 圖 7-14 因為活荷載較小，底層與第二標(biāo)準(zhǔn)層的計算結(jié)果差別很小，可以采用第二標(biāo)準(zhǔn)層的 計算結(jié)果。 24 另外，由于傳遞彎矩也較小，各層彎矩不需再進行彎矩組合，直接得出各節(jié)點彎矩 的計算結(jié)果，如表 7-12、7-13 所示： 表 7-12 活荷載作用下的各節(jié)點彎矩（左布置） A C D 節(jié)點 層次 上柱 下柱 右梁 左梁 上柱 下柱 右梁 左梁 下柱 上柱 10 2.54 -2.54 3.25 -2.04 -1.21 0.38 0.38 9～6 6.24 6.24 -12.47 13.79 -5.27 -5.27 -3.25 -1.27 0.63 0.63 5 3.31 10.77 -14.08 14.53 -2.97 -9.68 -1.88 -0.83 0.64 0.20 4～1 7.31 7.31 -14.63 14.84 -6.76 -6.76 -1.32 -0.61 0.31 0.31 表 7-13 活荷載作用下的各節(jié)點彎矩（右布置） A C D 節(jié)點 層次 上柱 下柱 右梁 左梁 上柱 下柱 右梁 左梁 下柱 上柱 10 -0.88 0.88 3.80 4.80 -8.60 6.55 -6.55 9～6 -1.86 -1.86 3.72 10.21 12.57 12.57 -35.35 31.98 -15.99 -15.99 5 -0.60 -1.96 2.57 5.98 7.16 23.29 -36.43 35.30 -26.99 -8.31 4～1 -0.97 -0.97 1.93 4.27 16.35 16.35 -36.97 36.34 -18.17 -18.17 根據(jù)彎矩進行兩種情況剪力與軸力的計算（軸力無需疊加） ，結(jié)果如表 5-14、7-15 所 示： 表 7-13 活荷載作用下的剪力與軸力 剪力(kN) 軸力(kN) 節(jié)點 層次 A C（左） C（右） D A C D 左布置 10 2.77 -3.04 0.12 0.12 -5.67 -9.05 0.12 9～6 11.38 -11.86 0.63 0.63 -22.98 -36.09 0.63 5 11.54 -11.70 0.38 0.38 -23.14 -35.68 0.38 4～1 11.58 -11.66 0.27 0.27 -23.18 -35.53 0.27 右布置 10 -0.87 -0.87 6.29 -5.71 0.87 -13.05 -8.71 9～6 -2.58 -2.58 24.47 -23.53 2.58 -50.65 -35.53 5 -1.58 -1.58 24.16 -23.84 1.58 -49.34 -35.84 4～1 -1.15 -1.15 24.09 -23.91 1.15 -48.84 -35.91 25 8.抗震內(nèi)力計算 本結(jié)構(gòu)高度不超過 40m，質(zhì)量和剛度沿高度分布均勻且近似于單質(zhì)點體系，可以采 用底部剪力 [19]法計算地震作用。在計算過程中，分別計算純框架體系與框架—支撐體系 的地震作用，進一步比較兩種體系的結(jié)構(gòu)性能。內(nèi)力計算則采用 D 值法計算。 8.1 重力荷載計算 根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》 （GB50011—2001） [20]第 5.1.3 條規(guī)定，計算地震作用時 重力荷載代表值應(yīng)取結(jié)構(gòu)自重標(biāo)準(zhǔn)值和各可變荷載組合值之和。按等效均布荷載計算的 民用建筑樓面活荷載的組合系數(shù)為 0.5 且不再按樓層折減，屋面活荷載則不計。 8.1.1 頂層重力荷載計算 屋蓋自重 3.773×27.2×12.6=1293.08kN 梁自重 0.56×（12.6×6+7.2+5.4×2+27.2×5+12.2×2） =142.24kN 柱自重 2.69×24=64.56kN 支撐自重 0.71×2×（3.96×2+4.62×3+3.14×2 ） =39.85kN 帶支撐墻體自重 （11.8×0.15+0.85）×2.9×（12.6+3.6+7.2）=177.79 kN 內(nèi)墻自重 （6.5×0.1+0.85） ×56.68×