钢结构设计计算书范例

摘要

本建筑为拟建于大庆市开发区的夏宫休闲娱乐休闲中心，总建筑面积为5184m2。主体高度12.6m，由游泳池及洗浴办公区构成。场地类型为Ⅱ类场地，地震分组为第二组，抗震烈度为7度。

设计内容主要包括：建筑设计和结构设计。

建筑设计部分包括总体布局、平面与竖向交通、建筑朝向与选型以及防火和疏散要求。主要进行了建筑设计构思，平面布局、立面设计、剖面设计以及防火和疏散设计。平面布局合理、立面简洁大方，满足功能要求。

结构设计部分包括：结构布置、荷载计算、内力组合、钢框架设计、网架设计以及基础设计。

完成了该建筑的结构设计说明书及部分施工图。本建筑上部结构采用钢结构体系，下部采用独立基础。

关键词：钢结构；建筑设计；内力组合；钢框架；独立基础

Abstract

This building is a tier steel frame structural recreation ground, which is to be built in the Summer palace of Daqing City. Its total area is 5184 square meters. Its overall height is 12.4 meters and constructed with the swimming pool and office area. The area is the second type area, and the second group in earthquake resistance intensity.

This article includes two parts that are architecture design and structural design.

Architecture design includes the total layout, plane and the perpendicular transportation, the orientation of the building and chooses the size, and the design of fireproof and dispersion. the plane’s arrangement is reasonable,and its sem blance is succinct and generous，which satisfies the function’s requirement.

The structure design includes what is following as the structure arrangement, the calculation of loads, the combination of the internal forces, the calculation of the frame; the calculation of the crane’s beam and the calculation of column and foundation. The method of bottom shearing force is used to calculate the lateral seismic action. In according to the geologic condition, spread foundation is adopted.

Through the calculating and designing, the instruction of structure design of the building and some construction plans are finished. The structure system of all steel frames is adopted in the building’s top structure and the spread foundation is adopts in its foundation structure.

Key words: Steel structures; architecture design; the combination of the internal forces; structure steel frame; spread foundation

目录

第1章建筑设计 (1)

1.1 夏宫休闲娱乐中心组成 (1)

1.2平面设计 (1)

1.3 剖面设计 (2)

1.4立面设计及内部空间处理 (3)

第2章结构设计 (4)

2.1 荷载计算 (4)

2.2 钢框架设计 (7)

2.3 组合楼板设计 (51)

2.4 网架设计 (55)

2.5 檩条设计 (63)

2.6 基础设计 (65)

结论 (69)

参考文献 (70)

致谢 (71)

第1章建筑设计

1.1 夏宫休闲娱乐中心的组成

1.1.1 夏宫休闲娱乐中心简介

夏宫休闲娱乐中心的组成体系由游泳区及洗浴办公区组成。游泳区是休闲娱乐中心的基本休闲单位，洗浴办公区是其附属单位，洗浴办公区组成部分包括浴池，休息区（包括休息大厅，游艺室，健身区等内容），休闲中心职工办公区，职工休息区。

1.1.2 构件的组成

1.1.

2.1 承重结构

本承重结构主要采用局部钢框架结构，这主要是因为泳池及办公区使用空间不同、高度较低，这种结构受力合理，建筑设计灵活，施工方便，工业化程度较高。它包括下列几部分承重构件：

（1）横向框架：由基础、框架梁、柱组成。

（2）纵向框架：由基础、框架梁、柱组成。

（3）游泳池区：有柱，网架组成。

1.1.

2.2 围护结构

本建筑物的外围护结构包括外墙、屋顶、地面、门窗等。

1.2平面设计

本建筑物的平面设计主要研究以下几方面的问题：

（1）总平面对平面设计的影响；

（2）平面设计与不同功能分区的关系；

（3）平面设计与人流的关系；

（4）柱网选择；

（5）生活间设计；

1.2.1 总平面对平面设计的影响

平面设计根据全建筑物的人流流程、交通运输、卫生、防火、气象、地形、地质以及建筑群体艺术等条件，确定这些建筑物与构筑物之间的位置关系；合理的组织人流、货流，避免交叉和迂回；布置各种工程管线；进行竖向设计及绿化、美化布置等。

1.2.2 平面设计与不同功能分区的关系

民用建筑的平面及空间组合设计，主要是根据建筑物使用功能的要求进行的；而休闲娱乐中心平面及空间组合设计，则是在泳池及其附属结构布置的基础上进行的。

本设计，主要包括下面五个内容：（1）根据任务书要求的规模、性质等确定的总建筑面积；（2）选择和布置泳池及其附属结构；（3）划分泳池及其附属结构面积；（4）初步拟定柱网跨度和长度；（5）使用功能对建筑设计的要求，如采光、通风、保温、防潮等。

1.2.3 平面设计与人流的关系

为了方便娱乐人员，客户，职工出入，并且不出现人流交叉而布置。

总之，平面设计时，必须考虑周围建筑物的影响及要求。

1.2.4 柱网布置

本设计柱距采用6m36m。

1.2.5 休息空间布置

为保证游泳及洗浴人员休息而设置休息大厅、餐厅、健身区等。

1.3 剖面设计

剖面设计的具体任务是：确定建筑高度；选择承重结构及围护结构方案；游泳池上空的采光、通风及屋面排水等问题。

在本设计中，建筑高度为12.6m，承重结构为钢框架，维护结构为砌体结构，游泳池上空为大空间网架。

1.3.1高度的确定

确定建筑的高度必须根据使用要求以及建筑统一化的要求，同时，还应考虑到空间的合理利用及功能的需求。建筑高度直接影响建筑的造价，在确定建筑高度时，应不影响生产使用的前提下，充分发掘空间的潜力，节约建筑空间，降低造价。

在本设计中，层高为4.2m，游泳池层高为12.8m，

1.3.2 天然采光

白天，室内利用天然光线进行照明的叫做天然采光。由于天然光线质量好，又能节约能源，只有天然采光不能满足要求时才辅以人工照明。

在本设计中，办公区采用人工采光，游泳馆上空采用天然采光。

1.4立面设计及内部空间处理

建筑物的体型与使用功能、平面形状、剖面形式和结构类型都有着密切的关系，而立面处理又是在建筑体型的基础上进行的。建筑平面、立面、剖面三者是一个有机体，设计虽然是首先从平面着手，但自始至终应将三者结合考虑和处理。立面应根据使用功能要求、技术条件、经济等因素，运用建筑构图原理进行设计，使建筑物具有更加简洁、大方、新颖的外观形象。

1.4.1 立面设计

由于泳池的大空间及洗浴办公区的小空间，因此在立面设计中墙面划分很关键，墙面的大小、色彩与门窗的大小、位置、比例、组合形式等，直接关系到立面效果。在工程实践中，墙面划分常采用三种方法：(1)垂直划分；(2)水平划分；

(3)混合划分。

本设计中，正立面采用玻璃幕墙，上空采用大空间网架造型优美，活泼。

1.4.2 内部空间处理

影响内部空间处理的因素有以下几个方面：

（1）使用功能

内部空间应满足功能要求，同时也应考虑空间的艺术处理。

（2）空间利用

设置在内部的职工生活空间使用方便，可用死角作为仓库，同时利用的空间来布置生活设施，这样可充分利用空间，降低造价。利用距离泳池最近房间作为急救室，方便区域作为广播室，大厅入口处设置前台，侧面设置存鞋处等。

（3）设备管道

有条不絮地组织排列设备管道，不但方便使用，而且便于管理和维修，其布置和色彩处理得当，会增加室内艺术效果尤其是泳池处玻璃幕墙后面的柱及柱间支撑。

（4）建筑色彩在内部的应用

建筑色彩受世界流行色的影响，虽然目前世界上趋向清淡或中和色，但鲜艳夺目的色彩仍广泛使用。建筑中墙面、地面、天棚的色彩应根据性质、用途、气候条件等因素确定。

第2章结构设计

2.1 荷载计算

2.1.1 设计资料

大庆市开发区夏宫休闲娱乐中心，该厂房建筑物为局部三层，三层部分采用钢框架结构，单层部分采用大空间网架结构；长60m，宽度48m；共有4榀钢框架，柱距6.0m,屋面彩板坡度2%，网架部分屋面坡度为2%；地震设防烈度为7级，设计地震分组为第二组，设计地震基本加速度值0.05g。另附平面布置图，见图2-1；框架形式及框架尺寸见图2-2。钢框架屋顶为彩色钢板夹聚苯乙烯保温板，空间网架上空为有机玻璃。

图2-1 刚架平面布置图

2.1.2 荷载计算

2.1.2.1 荷载取值计算

1、楼面、屋面永久荷载标准值（对水平投影面）

压型钢板及保温层： 0 .12 kN/m2

檩条： 0.10 kN/m2屋架及支撑自重： 0.384 kN/m2水磨石地面： 0.65 kN/m2 74+46厚现浇混凝土板： 2.5 kN/m2 20厚板底抹灰： 0.02317=0.34 kN/m2 YX-70-200-600压型钢板： 0.221 kN/m2外墙空心小砌块： 11.8 kN/m3内墙陶粒空心砌块： 5 kN/m3塑钢门： 0.4 kN/m2塑钢窗： 0.4 kN/m2外墙面荷载： 11.830.4+1730.02+0.5=5.56kN/M2内墙面荷载： 530.4+1730.02+0.5=2.84kN/M2轻质墙面及柱自重标准值（包括柱、墙骨架等）0.50 kN/m2。

图2-2 钢框架形式及尺寸

2、初选截面

选定梁柱截面尺寸及截面几何特性

钢材均为Q235

柱：H300X305X15X15：A=135.4cm2;I

x =21600cm4; W

1x

=1440cm3;i

x

=12.6cm;

I y =7100cm4;i

y

=7.24cm;q=106kg/m。

一二层梁：H300X300X10X15:A=120.4cm2;I

x =20500cm4;W

1x

=1370cm3;i

x

=13.1cm;

I y =6760cm4;W

y

=450cm3;i

y

=7.49cm;q=94.5kg/m。

顶层梁：H125X125X6.5X9:A=30.31cm2;I

x =837cm4;W

1x

=44.01cm3;i

x

=5.29cm;

i

y

=3.11cm;q=23.8kg/m。

3、地震作用

具体计算见横向地震荷载计算。

图2-3 梁柱截面尺寸示意图

2.1.2.2 作用在屋面及楼面的荷载标准值

屋面可变荷载标准值

屋面活荷载：按不上人屋面考虑，取为0.50 kN/m

2

雪荷载：基本雪压S 0=0.35kN/m 2。按雪荷载均匀分布，u r =1.0，雪荷

0k r S u S =?=1.030.35=0.35 kN/m 2。

风荷载标准值

基本风压w 0=0.55 kN/m 2,地面粗糙度类别为B 类，风荷载高度变化系数按《建筑结构荷载规范》（GB50009——2001）的规定采用，

柱顶：H=12.6m ， u z =1.07 楼面：

办公区活荷载取值 2.0 kN/M 2 宿舍区活荷载取值 2.0 kN/M 2

餐厅区活荷载取值 2.5 kN/M 2 休息大厅活荷载取值 3.0 kN/M 2 健身区活荷载取值 3.5 kN/M 2 走廊、楼梯活荷载取值 3.5 kN/M 2

2.2 钢框架设计

2.2.1设计资料

钢框架柱距为6.0mX6.0m，层高为H=4.2m，，无挡风板，间距6.0m，屋面材料为压型钢板，屋面坡度为2%，钢材选用为Q235型，焊条采用E43型，天窗架几何尺寸、结构形式及杆件编号如图2-6所示。

图2-4 钢框架左一半

2.2.2荷载标准值汇集

2.2.2.1 永久荷载

2.2.2.1.1 屋面恒载

屋面板（压型钢板） 0.12 kN/m2 檩条 0.10 kN/m2屋架及支撑自重 0.384 kN/m2

小计 0.604 kN/m2 边跨框架梁自重 0.945 kN/m

小计 0.945 kN/m 中跨（BC跨）框架梁自重： 0.945 kN/m

小计： 0.945 kN/m 边柱连系梁自重： 0.530.94536=5.67kN 连系梁传来屋架自重： 0.530.60436=3.624kN 顶层边节点集中荷载标准值： 9.29kN

顶层中节点集中荷载标准值： 18.58kN 2.2.2.1.1 标准层框架恒荷载

水磨石面层： 0.65 kN/m2 74+46mm厚现浇钢筋混凝土楼板： =2.5kN/m2 20厚板底抹灰： 0.02317=0.34 kN/m2 YX-70-200-600压型钢板： 0.221 kN/m2屋面吊顶 0.2 kN/m2楼面恒荷载： 3.88 kN/m2边跨框架梁： 0.945kN/m 中跨框架梁： 0.945kN/m 楼面板传给中跨（35）框架梁荷载： 3.8832=6.98 kN/m 中跨（35）框架梁线荷载标准值： 6.98+0.945=7.925 kN/m 楼面板传给边跨（13）框架梁荷载： 330.11325=8.389kN/m 中跨（35）框架梁线荷载标准值： 11.25+2.5+0.945=14.695kN/m 边跨框架联系梁： 0.945kN/m 钢窗自重： 1.832.130.4=1.51kN 窗下墙体自重： 5.5630.931.8=9.01kN 窗边墙体自重： 5.56?0.6?4.2=14kN 框架柱自重： 1.0634.2=4.45kN 连系梁传来楼面自重： 11.2533+3.493331=44.22kN

标准层边柱中荷载标准值： 78.86kN 中柱连系梁自重： 0.945kN 联系梁传来的集中荷载： 3.493332=20.94kN

小计 26.61kN

扣除门窗洞加上门窗重： 534.236-532.432.4+0.432.432.4=99.5kN

标准层中结点集中荷载标准值： 99.5+26.61=126.11kN

2.2.2.1.1 底层框架相关荷载计算

水磨石面层： 0.65 kN/m2 74+46mm厚现浇钢筋混凝土楼板： =2.5kN/m2 20厚板底抹灰： 0.02317=0.34 kN/m2 YX-70-200-600压型钢板： 0.221 kN/m2屋面吊顶 0.2 kN/m2楼面恒荷载： 3.88 kN/m2边跨框架梁： 0.945kN/m 中跨框架梁： 0.945kN/m 楼面板传给中跨（35）框架梁荷载： 3.8832=6.98 kN/m 中跨（35）框架梁线荷载标准值： 6.98+0.945=7.925 kN/m 楼面板传给边跨（13）框架梁荷载： 330.11325=8.389kN/m 中跨（35）框架梁线荷载标准值： 11.25+2.5+0.945=14.695kN/m 边跨框架联系梁： 0.945kN/m 钢窗自重： 1.832.130.4=1.51kN 窗下墙体自重： 5.5630.931.8=9.01kN 窗边墙体自重： 5.56?0.6?4.2=14kN 框架柱自重： 1.06?4.2=4.45kN 连系梁传来楼面自重： 11.25?3+3.49?3?1=44.22kN

底层边柱中荷载标准值： 78.86kN 中柱连系梁自重： 0.945kN 联系梁传来的集中荷载： 3.49?3?2=20.94kN

小计 26.61kN

扣除门窗洞加上门窗重： 5?4.2?6-5?2.4?2.4+0.4?2.4?2.4=99.5kN

底层中结点集中荷载标准值： 99.5+26.61=126.11kN

2.2.2.2 活荷载计算

2.2.2.2.1 屋面框架活荷载计算

中跨主梁由屋面传递的均布活荷载： 6?0.5=3kN/m 屋面传递给边跨连系梁活荷载： 6?3?0.5=9kN 屋面传递给中跨连系梁活荷载： 6?6?0.5=18kN

2.2.2.2.2 标准层活荷载计算

中跨主梁均布活载： 3?3+3.5?2.4+0.6?2=18.6kN/m 楼面传递给次梁的活荷载： 2.5?2?3+2?2?3=27kN 楼面传递给边跨系梁活荷载： 2.5?3?2=15kN 屋面传递给中跨连系梁活荷载： 2.5?1?6+2?1?6=27kN 2.2.2.2.3底层活荷载计算

中跨主梁均布活载： 3?3+3.5?2.4+0.6?2=18.6kN/m 楼面传递给次梁的活荷载： 2.5?2?3+2?2?3=27kN 楼面传递给边跨系梁活荷载： 2.5?3?2=15kN 屋面传递给中跨连系梁活荷载： 2.5?1?6+2?1?6=27kN

2.2.3 屋盖、楼盖重力荷载代表值G i的计算

2.2.

3.1 屋盖重力荷载代表值Gn的计算。

=0.604?24?48+0.3?0.5?48=1156.6kN 1）屋架自重： g

1

=0.238?6?37+0.238?9?8=69.97kN 2）横纵梁恒载： g

2

=5.56?2.1? (48+48)=1120.89kN

3)半层高外墙恒载： g

3

4)半层高内墙荷载： g

=[(3.6+9)?4+3.6?2+6?12]?2.8?2.1=772.93kN

4

=1.06?2.1?53=117.96kN=1120.89kN

5)半层柱高荷载： g

5

=∑g=3623.61kN

G

3

2.2.

3.2 二层楼盖重力荷载代表值G

的计算

i

=（3.49+2.5?0.5）?48?24=5460.48kN 1）楼面荷载： g

1

=0.945?6?37+0.945?9?8=277.83kN 2）横纵梁荷载： g

2

3)上下层半高外墙荷载： g

=1120.89?2=2241.78kN

3

=772.93?2=1545.86kN

4)上下层半高内墙荷载： g

4

=117.98?2=235.96kN

5)上下层半高柱自重荷载： g

5

G

=∑g=9761.91kN

2

的计算

2.2.

3.3 底层楼盖重力荷载代表值G

i

=（3.49+2.5?0.5）X48X24=5460.48kN 1）楼面荷载： g

1

=0.945?6?37+0.945?9?8=277.83kN 2）横纵梁荷载: g

2

3)上下层半高外墙荷载： g

=1120.89?2=2241.78kN

3

=772.93?2=1545.86kN

4)上下层半高内墙荷载： g

4

5)上下层半高柱自重荷载： g

=117.98?2=235.96kN

5

G

=∑g=9761.91kN

1

合计G

=∑G =2347.43kN

i

表2-1 重力荷载代表值计算表

2.2.4 水平地震作用下框架的侧移计算

2.2.4.1 梁线刚度

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K b =2.0EI b /l;对边框架取K b =1.5 EI b /l 。

底层框架为例：

EXI b /l=2.06?105?20500/6000=1.37?109(kN 2m)

表2-2 梁线刚度表

2.2.4.2 柱线刚度 一、二、三层柱线刚度

K c =EXI c /h=2.06?105?21600/4200=1.033?109(kN 2m) 2.2.4.3 横向框架柱侧翼刚度D 值

D 即是使两端固定的柱上、下端产生相对水平位移时需要在柱顶施加的水平力。 以底层框架3柱为例

K =c b K K /∑=（1.37+1.03）/1.033=2.32(kN 2m)

αc=（0.5+K ）/(K +2)=（0.5+2.32）/(2.32+2)=0.65 12/h 2=0.68

D=12αK / h 2=1.0254kN/m

ΣD=0.3383?42+1.0254?8+1.18?12=36.57 kN/m 2.2.4.4 横向框架自振周期

按顶点位移法计算框架基本自振周期 T 1=1.7ξ

T

n

u

以顶层为例：

层间相对位移δ3=∑

=3

3

3

j j G G =7.14/3923.61=0.0549（m ）

μn=Σδi =0.1676(m)

T 1=1.7ξ

T

n

u =1.7?0.9?167.0=0.626(S)

表2-3 横向框架1柱抗侧移刚度D值计算

表2-4 横向框架3柱抗侧移刚度D值计算

表2-5 横向框架5柱抗侧移刚度D值计算

表2-6 横向框架6柱抗侧移刚度D 值计算

表2-7 横向框架8柱抗侧移刚度D 值计算

表2-8 横向框架定点位移计算

2.2.4.5 横向框架水平地震作用计算

此建筑物高度不超过40m ，且平面和竖向较规则和以剪切变形为主的建筑，故地震作用计算采用底部剪力法。阻尼比为

G Eq =0.85G E =0.85?23447.43=19930.32kN

max 2)(

αηαγ

T

T g ==(0.35/0.626)

0.9

?

1.0X0.08=0.047

结构总水平地震作用等效的底部剪力标准值 F EK =α G Eq =0.047?19930.32=936.72kN 定点附加水平地震作用系数

T g =0.35s ，T 1=0.626s ＞1.4?0.35=0.49s 查表得 δn=0.08T 1+0.07=0.08?0.626+0.07=0.12 顶点附加水平地震作用

ΔF n =δnX F EK =0.12?936.72=112.4kN 各层水平地震作用标准值计算： 以顶层为例 ∑

-=

j

j n Ek i i i H

G F H G F )

1(δ=49437?936.72? (1-0.12)/23447.43=236.58kN

加入ΔF n 后F 3=112.4+236.58=348.98kN

2.2.4.5.1 各层地震作用及楼层剪力

表2-9 横向框架各层地震作用及楼层地震剪力

图2-5 地震作用示意图

2.2.4.5.2 各楼层地震剪力最小取值验算

各楼层地震剪力最小取值验算，满足Vi<∑=n

i

j j G λ。

表2-10 楼层地震剪力最小取值验算

2.2.4.6 横向框架侧移计算

框架水平位移可分为两部分：由框架梁弯曲变形产生的位移u M 和由柱子轴向变形产生的位移u N ，框架顶端位移为：u=u M +u N 。

表2-11 层间位移验算

层间位移：

U i =348.98/71400=0.00489(m)

高层钢框架中柱轴力较大，由柱子的轴向变形产生的框架顶点水平位移也比较大，不能忽略。

框架受到倒三角形水平分布荷载（将集中水平地震作用折算成倒三角形分布的水平荷载），顶端荷载强度为q 时 n=A 1/A m =1(柱截面沿高度不变) 所以Fn=1/3

∑=

i

i

H

F H qHX

3

221

q=

2

3H

H F i

i ∑=3? (348.98?12.6+445.88?8.4+222.94?4.2)/12.62=171.56kN/M u N =

2

14

2B EA F qH n =171.56?12.84?1/3/2?2.06?108?0.01354?48=0.00479

u=u m +u N =0.01049+0.00479=0.01969m

图2-6 层间位移示意图

2.2.5 框架在水平地震作用下的内力计算

2.2.5.1 反弯点高度比

根据该框架总层数及该层所在层数梁柱线刚度比k值，且荷载近似倒三角形，差的反弯点高度比y

n

。

表2-12 水平地震作用下每柱剪力计算

在水平荷载作用下，框架内力及位移可采用D值法进行简化计算。

以顶层边柱为例

每柱剪力V

i =V?D

i

/ΣD=348.98?0.0726/9.73=2.6kN

反弯点y=0.51m

柱顶截面处弯矩为M

上

=2.6?(4.2-0.51?4.2)=1.274 kN·m

柱顶截面处弯矩为M

下

=2.6?0.51?4.2=1.326 kN·m

大庆石油学院本科生毕业设计（论文）表2-13 水平地震作用下内力计算

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