1、0钢框架-支撑结构设计实例4.10.1 工程设计概况本建筑为某公司办公楼，位于沈阳市区，共七层。总建筑面积约 5900 ，总高度 30.6m，室内外高2m差 0.600m；底层层高 4.5m，顶层层高 4.5m，其余层均为 4.2m。设两部楼梯和两部电梯。墙体采用聚氨酯 PU 夹芯墙板。屋面为不上人屋面。结构形式为钢框架支撑体系。设计基准期 50 年，雪荷载 0.50 ，基本风压：0.55 。2kN2mkN抗震设防烈度为 7 度，设计基本加速度为 0.1 ，结构抗震等级四级。结构设计基准期 50 年。g地质条件：拟建场地地形平坦，地下稳定水位距地坪-9.0m 以下，冰冻深度-1.20m，地质条
2、件见表 4-24，类场地。建筑地层一览表 表 4-24序号 岩土分类 土层深度 （ m） 厚度范围 （m） 地基土承载力 （kPa） 桩端阻力 （kPa） 桩周摩擦力 （kPa）1 杂填土 0.00.5 0.5 2 粉土 0.51.5 1.0 120 103 中砂 1.52.5 1.0 230 254 砾砂 2.56.5 4.0 340 2400 305 圆砾 6.512.5 6.0 520 3500 60注：表中给定土层深度由自然地坪算起。4.10.2 方案设计1.建筑方案概述1）设计依据民用建筑设计通则GB50352-2005办公建筑设计规范JGJ67-2006建筑设计防火规范GB5001
3、6-20062）设计说明（1）屋面（不上人屋面）防水层：SBS 改性沥青卷材(带保护层) ；40mm 厚 1:3 水泥沙浆找平层；70mm 厚挤塑板保温层；1:6 水泥炉渣找坡（最薄处 30mm,坡度 2%） ；压型钢板混凝土组合板（结构层折算厚度 100mm） ；轻钢龙骨吊顶。（2）楼面：20mm 厚大理石面层；20mm 厚 1：3 干硬性水泥沙浆找平层；压型钢板混凝土组合（结构层折算厚度 100mm） ； 轻钢龙骨吊顶。（3）门窗本工程采用实木门和塑钢玻璃窗。（4）墙体外墙为双层聚氨酯 PU 夹芯墙板 300mm（内塞岩棉） ；内墙为双层聚氨酯 PU 夹芯墙板 180mm 厚聚氨酯 PU
4、夹芯墙板；2. 结构方案概述1）设计依据本设计主要依据以下现行国家规范及规程设计：建筑结构荷载规范 （GB50009-2001 ） （2006 版） 钢结构设计规范 （GBJ50017-2003）建筑抗震设计规范 （GB50011-2010 ）1混凝土结构设计规范 （GB50010-2002 ）钢-混凝土组合结构设计规程 （DLT5085-99 ）2）结构形式及布置采用钢框架-支撑结构。纵向设置十字交叉支撑两道，支撑杆件用 H 型钢截面。框架梁、柱均采用焊接工字形截面。楼板采用压型钢板钢筋混凝土组合结构；楼梯为钢楼梯；基础采用柱下独立基础，结构布置如下： 6060606045123支 撑 计
5、算 单 元20 607660支 撑 1980628602ABD6024C图 4-69 结构布置及计算单元底层计算高度为 4.5m+1.5m=6.0m，其中 1.5m 为初估室内地坪至柱脚底板的距离。3）材料选用所有构件及零件均采用 Q235B；组合楼板混凝土强度等级 C20，基础混凝土强度等级 C25，钢筋为HRB335 级及 HPB235。4.主要参数及结构计算方法1）抗震设计该建筑抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为 7 度，类场地，设计基本地震加速度为 0.1g，房屋抗震等级为四级。2）自然条件基本风压 0.55 ，地面粗糙度类别为 C 类（按房屋比较密集的城市市区计） ；基本雪压 0.5
6、02mkN.k3)计算方法采用底部剪力法计算水平地震作用；采用修正反弯点法（D 值法）计算水平地震作用下的框架内力和风荷载作用下的框架内力；采用弯矩二次分配法，计算竖向荷载作用下框架内力。4.10.3 结构布置及截面初选1. 计算简图及构件截面初选1）计算单元本设计的结构计算单元如图 4-69 所示，结构的竖向布置如图 4-70 所示（基础顶面距室外地坪按0.9m 考虑） 。2604204204205315DCBA198060660图 4-70 结构竖向布置图2）结构构件截面初选（1）柱截面初估钢框架支撑结构按每平米 58 计算竖向荷载，此处取 7 ，柱的长细比2mkN2mkN（ 60120）
7、 。yf23轴压力设计值 （3.3+3.3）671.372522.52kN，1.3 为荷载分项系数平均值。N取长细比 80 （按较小刚度 y 轴考虑） ，计算长度系数 =1（设有侧向支撑） ，按 b 类截面查得稳y 定系数 0.688，则所需要面积：A 2314.7852068.5mfN考虑弯矩及倾覆压力作用的影响取：（1.31.5）A（1.31.5）17885.14 =23250.726827.7 mm 2所需截面回转半径：i y6000/8075mm。（2）钢梁截面初估纵向框架梁高 /（1520）6000/156000/20 400mm300mm；l横向框架梁高 /（1520）=6600/
8、156600/20=440mm330mm；（3）压型钢板压型钢板采用 YX70200600（V200） ，板厚 1mm，有效截面惯性矩 100.64cm 4/m,有效截面抵efI抗矩 27.37cm 3/m，一个波距宽度内截面面积 =321.42 ，自重 0.15 。efWsA2m2mkN经试算，柱、梁截面尺寸见表 4-25。31w图 4-71 梁、柱截面参数结构构件初选截面参数 表 4-25截面尺寸 构件截面特性项目 h（mm ）1b（mm ）t（mm ）wh（mm ）t（mm ）A(mm2) xI(mm4)yI(mm4)xi(mm)y(mm)重量（kN/m）框架柱 500 450 22 4
9、56 14 26184 1242416352 334229272 217.8 113.0 2.042横向框架梁 500 260 14 472 8 11056 500098325 41030805 212.7 60.9 0.862纵向框架梁 450 240 14 422 8 10096 369572005 32274005 191.33 56.54 0.787 横(纵)向次梁 400 240 10 380 8 7840 219141333 23056213 167.2 54.2 0.6124.10.4 荷载汇集1. 屋面均布荷载1）屋面恒载合计5.27 2mkN2）屋面活载不上人屋面 0.5雪荷
10、载 0.5 2重力荷载代表值计算时屋面可变荷载取雪荷载。竖向荷载作用下结构分析时活荷载和雪荷载不同时考虑，取二者较大值。2. 楼面均布荷载1）楼面恒荷载合计 3.73 2mkN2）楼面活载楼面活荷载 2.0 2走廊、楼梯的活荷载 2.5为简化计算，本设计偏于安全楼面均布荷载统一取 2.5 计算。2k3. 构件自重1）柱（单根）1 层 9.19 kN26 层 8.58 kN7 层 9.19 kN2）梁（单根）横向框架梁 5.69kN纵向框架梁 4.72kN横向次梁 4.04kN纵向次梁 3.67kN43）墙体外墙 0.65 2mkN内墙 0.50隔墙 0.434）门窗木门 0.2 2k塑钢窗 0
11、.34.10.5 地震作用计算1. 重力荷载代表值计算各楼层重力荷载代表值（组合值系数取 0.5） ，计算结果如下：5798.30kN7G5548.78kN65518.74kN54325561.20kN1房屋总重力荷载代表值：5798.30+5548.78+5518.744+5561.20 =38983.24kNiGG7=598.30kNG6=548.7kN51G4=8.7kN351G2=8.74kN1560DCBA606060198 3150450604204242420420图 4-72 重力荷载分布图2.横向框架水平地震作用下结构分析1）层间侧移刚度计算（1）梁线刚度计算钢材的弹性模量
12、N/mm2。31026E框架梁线刚度 表 4-265边框架 中框架层 跨度L（mm） 截面惯性矩 （mm 4）xI=1.2bIx（mm 4）LEIKb（ kNm）410=1.5bIx（mm 4） LEIKb（ kNm）41017 6600 500098325 600117990 1.8731 750147488 2.3414（2）柱线刚度计算柱的线刚度按式 计算hEIKc框架柱线刚度 表 4-27层 h（m ）A,D 轴柱惯性矩（DAI,9104m）A,D 轴柱子线刚度（ kNm）DA,410B,C 柱轴惯性矩（CBI,9104m）B B,C 轴柱子线刚度（ kNm）CK,4107 4.5 1
13、.2424 5.6875 1.2424 5.68756 4.2 1.2424 6.0938 1.2424 6.09385 4.2 1.2424 6.0938 1.2424 6.09384 4.2 1.2424 6.0938 1.2424 6.09383 4.2 1.2424 6.0938 1.2424 6.09382 4.2 1.2424 6.0938 1.2424 6.09381 6.0 1.2424 4.2656 1.2424 4.2656（3）柱侧移刚度计算 12CC2341CC2图 4-73 柱侧移刚度计算简图一般层： = Kcb2K21hDc首 层： = c25.0c框架柱的 值 表
14、 4-28层 柱子类别 ih（m） b(104KNm)c(104KNm) KD（10 4 KN/m）（10 4 KN/m）中柱（12 根） 4.5 9.3655 5.6875 0.8233 0.2916 0.9829中框架 边柱（12 根） 4.5 4.6827 5.6875 0.4117 0.1707 0.5753中柱（4 根） 4.5 7.4924 5.6875 0.6587 0.2477 0.83507 边框架 边柱（4 根） 4.5 3.7462 5.6875 0.3293 0.1414 0.476523.9442 中柱（12 根） 4.2 9.3655 6.0938 0.7684 0
15、.2776 1.1507中框架 边柱（12 根） 4.2 4.6827 6.0938 0.3842 0.1612 0.668026 边 中柱（4 根） 4.2 7.4924 6.0938 0.6148 0.2351 0.974627.9319 6框架 边柱（4 根） 4.2 3.7462 6.0938 0.3074 0.1332 0.5522中柱（12 根） 6.0 4.6827 4.2656 1.0978 0.5158 0.7334中框架 边柱（12 根） 6.0 2.3414 4.2656 0.5489 0.4115 0.5851中柱（4 根） 6.0 3.7462 4.2656 0.87
16、82 0.4788 0.68091 边框架 边柱（4 根） 6.0 1.8731 4.2656 0.4391 0.3850 0.547520.7352 注：与楼梯相邻处的框架梁应按边框架梁计算，本例简化计算按中框架考虑。2）结构自振周期 1T将各层重力荷载代表值集中在相应楼层处作为假想水平荷载计算整体框架的顶点位移。考虑非结构构件的影响取 。9.0结构自振周期 表 4-291T层数 iG（kN） i（kN）iD（10 4 KN/m）iiDG（m） jiu1（m ）7 5798.30 5798.30 23.9442 0.0242 0.6136 5548.78 11347.08 27.9319 0
17、.0406 0.5895 5518.74 16865.82 27.9319 0.0604 0.5484 5518.74 22384.56 27.9319 0.0801 0.4883 5518.74 27903.30 27.9319 0.0999 0.4082 5518.74 33422.04 27.9319 0.1197 0.3081 5561.20 38983.24 20.7352 0.1880 0.188=1.198613.09.71.1 nuTs3）水平地震作用计算（1）水平地震作用计算（底部剪力法）设防烈度 7 度，设计基本加速度值为 0.1g（第一组） ，则 ；类场地， ，阻8.ma
18、xsTg35.0尼比 ； =1.198s5 50.35=1.75。04.g1g 07.14.608.516.089.3.93.92 = =0.028max12Tg 89.70（2）结构总水平地震作用0.0280.8538983.24915.71 kNeqEKGF=1.198s1.4 =1.40.35=0.49s，需要考虑顶部附加水平地震作用。1Tg=0.08 +0.07=0.081.198+0.07=0.1658n1顶部附加地震作用 151.85 kN34.951680.EKnF（3）各层水平地震作用标准值及楼层地震剪力 nEKnjjii FHG11第 个质点的计算高度。iHi7楼层地震剪力：
19、（1 i j 7）nijekiFV楼层地震剪力计算 表 4-30层 ih（m ） iH（m ）iG（kN）iH（ KNm） njjiG1)(nEK（kN）F（ kN）i（ kN）ekiV（kN）7 4.5 31.5 5798.30 182646.45 0.2502 151.85 191.10 342.95 6 4.2 27 5548.78 149817.06 0.2052 156.75 499.70 5 4.2 22.8 5518.74 125827.27 0.1724 131.65 631.35 4 4.2 18.6 5518.74 102648.56 0.1406 107.40 738.7
20、5 3 4.2 14.4 5518.74 79469.86 0.1089 83.15 821.90 2 4.2 10.2 5518.74 56291.15 0.0771 58.90 880.80 1 6 6.0 5561.20 33367.20 0.0457763.86 34.91 915.71 （4）楼层地震剪力调整按抗震规范规定：各楼层地震剪力 ，剪力系数 ，具体计算如下表所示：nijjekiGV016.楼层地震剪力调整 表 4-31层 （kN）eki （kN）i （kN）nijj（kN）nijjG7 342.95 5798.30 5798.30 92.776 499.70 5548.78
21、 11347.08 181.555 631.35 5518.74 16865.82 269.854 738.75 5518.74 22384.56 358.153 821.90 5518.74 27903.30 446.452 880.80 5518.74 33422.04 534.751 915.71 5561.20 38983.24 623.73由以上计算可知各楼层计算地震剪力均满足要求，无需调整。（5）楼层地震剪力作用下横向框架侧移楼层地震剪力作用下横向框架侧移等于层间剪力除以楼层侧移刚度，计算如下表：地震剪力作用下横向框架侧移 表 4-32层 （m）ih （KN）ekiV（10 4 K
22、N/m）iD （m）iekiDVu7 4.5 342.95 23.9442 0.0014 6 4.2 499.70 27.9319 0.0018 5 4.2 631.35 27.9319 0.0023 4 4.2 738.75 27.9319 0.0026 3 4.2 821.90 27.9319 0.0029 2 4.2 880.80 27.9319 0.0032 1 6.0 915.71 20.7352 0.0044 （6）考虑节点域剪切变形对侧移的修正由于本结构横向框架梁及框架柱截面没有改变，故每层的侧移修正系数相同，计算如下：由横向框架梁的截面参数可知：梁的腹板平均高度度： =472m
23、mbmh8梁截面的平均惯性矩： =750147488bmI4柱的腹板平均高度度： =456mmch柱截面的平均惯性矩： = 1242416352 节点域腹板平均厚度： =14mmmt=4564721479000=2.3805GtKbc510mkN=1.3751，需要修正。47210385.286mhEI4.157cmbhI=（17.51.375-1.81.375 2-10.7） =11.4014567018723修正系数： 09.5.01框架侧移及修正 表 4-33层 （ m）ih（ m）iu1= （miui1） （m）niu1ihue7 4.5 0.0014 1.1079 0.0016 0.
24、0206 1/28366 4.2 0.0018 1.1079 0.0020 0.0191 1/21195 4.2 0.0023 1.1079 0.0025 0.0171 1/16774 4.2 0.0026 1.1079 0.0029 0.0146 1/14333 4.2 0.0029 1.1079 0.0033 0.0116 1/12882 4.2 0.0032 1.1079 0.0035 0.0084 1/12021 6.0 0.0044 1.1079 0.0049 0.0049 1/12261/250从上表计算可知层间位移角 ，满足要求。ihue915.780273.56149032.5
25、1243567046图 4-74 地震作用下的层间剪力4）水平地震作用下框架内力计算（采用 D 值法）取轴横向框架计算。（1）框架柱的反弯点高度计算 3210yy9iyh反弯点到柱下端结点的距离，即反弯点高度。标准反弯点高度比。0上下横粱线刚度比对标准反弯点高度比 的修正系数。1 0y上层层高变化修正系数。2y下层层高变化修正系数。3根据框架总层数、该柱所在层数和梁柱线刚度比 查表得。0 K边柱（中框架 A 柱、D 轴柱）的反弯点高度比 表 4-34层 （m）ihK0y1y2y3yy7 4.5 0.4117 0.206 0.000 0.000 0.000 0.2066 4.2 0.3842 0
26、.342 0.000 0.000 0.000 0.3425 4.2 0.3842 0.392 0.000 0.000 0.000 0.3924 4.2 0.3842 0.442 0.000 0.000 0.000 0.4423 4.2 0.3842 0.500 0.000 0.000 0.000 0.5002 4.2 0.3842 0.558 0.000 0.000 -0.050 0.5081 6.0 0.5489 0.726 0.000 0.000 0.000 0.726中柱（中框架 B 柱、C 轴柱）的反弯点高度比 表 4-35层 （m）ihK0y1y2y3yy7 4.5 0.8233 0
27、.350 0.000 0.000 0.000 0.3506 4.2 0.7684 0.400 0.000 0.000 0.000 0.4005 4.2 0.7684 0.450 0.000 0.000 0.000 0.4504 4.2 0.7684 0.450 0.000 0.000 0.000 0.4503 4.2 0.7684 0.500 0.000 0.000 0.000 0.5002 4.2 0.7684 0.500 0.000 0.000 -0.050 0.4501 6.0 1.0978 0.645 0.000 0.000 0.000 0.645（2）框架柱端弯矩计算第 层第 k 根
28、柱所受的剪力： =i ikiikVDik第 层第 k 根柱下端弯矩： yhMic上第 层第 k 根柱上端弯矩：i k)1(具体计算过程见表 4-36 和表 4-37。边柱（A、D 轴）柱端弯矩 表 4-36层 h（m ） ikD（ kN/m）410i（ kN/m）410ekiV（kN） ik（kN） yc上M（ ）mkNc上（ ）k7 4.5 0.5753 23.9442 342.95 8.24 0.206 -29.45 -7.63 6 4.2 0.6680 27.9319 499.70 11.95 0.342 -33.02 -17.17 5 4.2 0.6680 27.9319 631.35 15.10 0.392 -38.55 -24.87 4 4.2 0.6680 27.9319 738.75 17.67 0.442 -41.40 -32.81 3 4.2 0.6680 27.9319 821.90 19.66 0.500 -41.28 -41.28 2 4.2 0.6680 27.9319 880.80 21.07 0.508 -43.54 -44.94
