工业与民用建筑施工毕业论文

浅谈小高层钢结构住宅建筑与结构设计

摘要：以某12层住宅建筑为例，介绍了该楼的建筑设计，详细分析了结构设计中钢

结构框架体系在恒载、活载、风载及水平地震作用下的内力，并对构件进行了验算。

关键词：小高层钢结构住宅；建筑设计；结构设计

随着社会的发展、科学技术的进步和人们需求的不断变化，

房屋建筑也日益多样和复杂化，它们在使用功能、建筑材料、建

筑艺术和建筑结构等方面都有了很大的发展。钢材作为一种独

特的建筑材料，在我国各类建筑中的应用日益广泛，由钢材形成

的构件进而到结构，因其具有强度高、自重轻、抗震性能好、构件

截面小、建筑空间大而灵活、施工工期短、可实现装配化及绿色

环保等优点，越来越多地应用在高层住宅建筑中。

1建筑设计

某12层住宅楼建筑面积6 233.2 m2，地上12层为住宅房

间，地下1层为设备间及停车场。根据使用功能、建筑总平面、建

筑面积、建筑朝向、防火防烟分区等多方面的要求，经多次优化

进行了本建筑的平、立、剖面设计，每一户住房中的卫生间、厨

房、卧室、客厅均有较好的自然采光和通风，均可满足住宅的建

筑使用要求。

2结构设计

2.1设计资料

设计标高：室内设计标高0.00 m，室内外高差0.30 m。

基本风压：wo＝0.35 kN/m2。

地质资料：建筑场地至地下9 m范围内为粉质黏土，地基承

载力特征值为150 kN/m2。

地震设防烈度为7度。

2.2建筑布置及计算简图的确定

（1）结构体系。根据建筑设计可知，该住宅为地上12层，地

下1层。综合考虑设计资料、建筑功能及受力合理的要求，本皮基猛建

筑采用框架结构体系。

（2）计算简图。从结构平面布置图中取出最不利一榀框架，

作为该结构的计算模型。

（3）截面的初步确定。根据荷载和跨度的要求，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，本工程主梁和柱子采用Q345B钢材，材料性能应满足《低合

金高强度结构钢》（GB/T 1591）的要求。柱采用宽翼缘的H型钢，

梁采用中翼缘的H型钢，据所选梁柱截面可以确定相应截面的

几何参数。

2.3荷载计算

（1）恒载计算。主要考虑屋面、楼面均布荷载，并得到恒载作

用下结构的计算简图。

（2）活载计算。根据《建筑结构荷载规范》得到非上人屋面的活荷载标准值以及各楼层活荷载标准值，进而通过计算，得到了

活载作用下的计算简图。

（3）风荷载计算。根据《建筑结构荷载规范》，已知基本分压

w0＝0.35 kN/m2。由wk＝βzμsμz w0可知风荷载标准值。将风荷载换算

成作燃桥用于每一层节点上的集中荷载，从而建立风荷载作用下的

结构计算简图。

（4）地震荷载计算。本工程抗震设防烈度为7度，设计基本

地震加速度为0.10 g，场地类别为Ⅱ类，设计地震分组为第二组，

Tg＝0.40 s，根据底部剪力法公式可得地震荷载作用在每一层节点

上的集中荷载，从而得到地震荷载下的结构设计简图。

2.4内力计算

（1）恒载作用下内力计算。力法、位移法、弯矩分配法、无剪

力分配法均可用来计算框架结构内力和侧移，但是多层钢结构

往往杆件较多，超静定次数很多，采用这些方法比较费时，因此

实际计算时一般用近似方法分别计算结构在竖向荷载和水平荷

载作用下的内力和位移。框架结构在竖向荷载作用下的计算方

法有分层法、迭代法、二次弯矩分配法等。

根据精确法的计算结果可以知道，在竖向荷载的作用下，框

架的侧移很小，并且竖向荷载只对受荷的构件和与之相连的构

件影响较大。因此，可采用如下假定：

假定一：在竖向荷载作用下，框架的水平位移忽略不计；

假定二：每层梁上的荷载对其他各层的梁以及非相邻层的

柱的影响可以忽略不计。

所以，多层框架在竖向荷载作用下的内力可以分层计算。采

用分层法，即框架在竖向荷载作用下，假定作用在某一层框架梁

上的锋橡竖向荷载只对本楼层的梁以及与本层梁相连的框架柱产生

弯矩和剪力。采用分层法的时候要注意，弯矩是进行了两次分

配，一次传递。

（2）活载作用下内力计算。活荷载作用下的内力计算也采用

内力分层法，取满跨活载的最不利布置，得到相应的弯矩、剪力

和轴力图。

（3）风荷载作用下内力计算。框架结构在水平荷载作用下的

近似计算方法有反弯点法、D值法、门架法等。采用D值法，主要

是由于梁柱线刚度较为接近，或梁的线刚度小于柱的线刚度，即

柱的抗侧移刚度和柱的线刚度及层高有关，也与梁的线刚度等

因素有关，故采用D值法比较接近实际。

风荷载作用下结构层间侧移≤h/400（h为层高），结构顶层

质心的侧移值H≤H/500（H为结构总高）。

（4）水平地震作用下内力计算。由《建筑抗震设计规范》可

知，此设计需要考虑水平地震作用。由于结构高度H＜60 m，且

平面和竖向布置较规则，故采用底部剪力法计算水平地震作

用。

结构在地震作用下的层间侧移≤h/300（h为层高）。

（5）内力组合。据恒、活、风以及水平地震荷载作用下的内力

计算结果，即可进行框架各梁柱各控制截面上的内力组合。其中

梁的控制截面在梁的两端，柱的控制截面在柱的上下端。

据荷载效应基本组合公式，在恒、活、风以及地震作用下结

构构件承载力计算的组合式如下：

第一组合式：1.35恒＋1.4×0.7活

1.2恒＋1.4活

1.0恒＋1.4活

第二组合式：1.2恒＋1.4风

1.0恒＋1.4风

第三组合式：1.2恒＋1.4活＋0.6×1.4风

1.0恒＋1.4活＋0.6×1.4风

第四组合式：1.2恒＋1.4风＋0.7×1.4活

1.0恒＋1.4风＋0.7×1.4活

第五组合式：1.2（恒＋0.5活）＋1.3地

1.0（恒＋0.5活）＋1.3地

2.5构件设计

据内力计算组合结果，即可选择各截面的最不利内力进行

梁柱截面设计。设计公式为S≤R和S≤R/γRE（地震作用参与的

组合）。

柱的截面设计考虑强度、刚度、平面内整体稳定、平面外整

体稳定以及局部稳定等方面。主梁设计模型按多跨连续梁考虑。

截面设计考虑强度、刚度、局部稳定等方面（由于采用压型钢板

组合楼板，且有牢靠的连接，故不必验算整体稳定），次梁截面按

两端简支考虑，由强度、刚度、稳定等综合确定。

2.6经济指标分析

本设计耗钢量为101.5 kg/m2，同国内外同类建筑相比略显

保守。原因是设计中充分考虑了地震作用的影响，保证了7度

抗震设防条件下结构的安全性。总之，本设计建筑方案简洁大

方，结构体系合理，计算方法正确，十分适合在大中城市推广发

展。

3结语

钢结构作为一种新型的结构形式，具有自重轻、结构空间大

等优点，十分适合应用于高层民用建筑中。同时，钢材具有非常

好的延性，抗震性能优于其他任何一种材料，钢结构作为一种承

重结构有不同于其他结构形式的独特之处，只是其配套体系有

待于进一步开发和完善。

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