空腹钢框架结构实验研究论文

框架结构办公楼的建筑设计和结构设计论文

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摘要：

本设计的工程是钢筋混凝土框架综合办公楼，分为建筑设计和结构设计两部分。建筑设计：根据设计任务书的要求和工程技术的条件，在满足总体规划的条件下，综合考虑建筑物场地环境、使用功能、结构、施工、材料、设备、经济及建筑艺术美观等方面因素，在此基础上提出建筑设计方案。按照相关设计规范，确定建筑物的结构形式，完成平立剖面设计。结构设计：首先确定结构方案，选择建筑材料，再进行结构布置并确定结构构件尺寸，最后进行结构计算。在确定框架布局和完成荷载统计后，计算出水平荷载作用（风荷载、地震作用）下的结构内力。接着计算竖向荷载（恒载及活荷载）作用下的结构内力，找出最不利的一组或几组内力组合，按最不利的结果计算配筋，并绘制相关结构施工图。

关键词：

框架结构； 地震； 内力计算； 内力组合； 结构配筋设计；

一、工程概况

工程概况

工程建筑名称：钢筋混凝土框架综合办公楼

工程总建筑面积：8553㎡

建筑层数、高度：六层，每层层高,房屋设备层,女儿墙高,室内外高差,建筑总高度;

建筑结构形式：框架结构；

设计使用年限：50年；

办公楼高度为,满足《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）第条的规定，即房屋高度<50m（8度，）。办公楼宽度为18m,房屋高宽比为<3,满足《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）第条规定。

设计资料

1）气候条件：

最冷月平均气温：‐13℃，最热月平均气温℃。

主导风向：基本风压：㎡。主导风向：夏季东南风、冬季西北风。

基本雪压值均为：

2）地震烈度：8度，设计基本加速度.

3）地下水位较深，设计中可不考虑。

4）场地地质资料：II类场地，地势平坦。

二、建筑设计

建筑平面设计

建筑的平面设计包括单个房间平面设计及平面组合设计，单个房间的设计是在整体建筑合理而适用的基础上，确定房间的面积、形状、尺寸、及门窗的大小和位置。平面组合设计实际上是建筑空间在平面上的组合。影响平面组合设计包括以下几个方面：

（1）使用功能：一是要合理分区；二是要有明确的流线组织。

（2）结构类型：目前民用建筑常用的结构类型有三种，即框架结构、框架‐剪力墙结构和剪力墙结构。综合考虑框架结构对于本工程的诸多优点，本设计采用框架结构。

（3）设备管线：设备管线占有一定空间，在设计时应考虑一定的设备位置，恰当的布置相应的房间。

（4）建筑造型：一般来讲，简洁，完整的建筑造型无论对于缩短内部交通流线，还是对于结构的简化，节约用地，降低造价以及抗震性能都是极为有利的。

建筑立面设计

由于不同功能要求的建筑类型具有不同的内部空间组合特点，一幢建筑物的外部形象在很大程度上是其内部空间功能的的表露，因此，采用那些与其功能要求相适应的外部形式，并在此基础上采用适当的建筑艺术处理方法来强调该建筑的性格特征，使其更为鲜明、更为突出。建筑立面设计则偏重于对建筑物的各个立面以及其外表面上所有的构件，例如门窗、雨篷、遮阳、暴露的梁、柱等等的形式、比例关系和表面的装饰效果等进行仔细的推敲。在设计时，通常是根据初步确定的建筑内部空间组合的平、剖面关系，例如房间的大小和层髙、构部件的构成关系和断面尺寸、适合开门窗的位置等等，先绘制出建筑物各个立面的基本轮廓，作为下一步调整的基础。然后再在进一步推敲各个立面的总体尺度比例的同时，综合考虑立面之间的相互协调，特别是相邻立面之间的连续关系，并且对立面上的各个细部，特别是门窗的大小、比例、位置，以及各种突出物的形状等进行必要的调整。最后还应该对特殊部位，例如出人口等作重点的处理。

建筑剖面设计

剖面设计的主要目的是根据建筑空间的使用特点、造型要求及经济等因素，分析并确定建筑物在垂直方向的剖面形状、建筑层数、高度、建筑竖向方向的空间及利用，以及建筑剖面中的结构、构造关系。建筑物的剖面形状与功能要求有关，在民用建筑中绝大多数的建筑是属于一般功能要求的，住宅、宿舍楼、旅馆、办公楼等建筑房间的剖面形状多采用规整的矩形。一般进深不大的房间多采用侧光窗，当进深较大时刻提高窗户高度。普通窗台的高度一般为900mm,但有时功能需求不同时可相应变换。

为了防止室外雨水侵入室内，并防止墙身受潮，首层室内地坪（地面标高为±），一般应高于室外底面至少150mm,室内外高差通常在150~600mm之间，本设计采用室内外高差为750mm.通常对于一些经常使用水的房间，如卫生间、盥洗室、阳台等，为避免溢水，常将地坪设置的比本层地坪低20~50mm,本设计中，卫生间的标高比本层楼面标高低50mm.剖面设计与平面设计时分别从两个不同的方面来反映建筑物内部空间关系。平面设计着重解决空间内部在水平方向上的逻辑关系，而剖面设计则主要针对于内部空间在垂直方向上的组合，主要解决层数、层高和空间组合等问题，它直接表达了不同的建筑空间尺度关系。一般习惯于先进行平面设计，继而进行剖面设计，剖面关系反过来又会影响建筑平面的布局。因而在建筑设计中，必须将剖面与平面设计综合考虑，不断调整，修缮，才能使设计更加完善、合理。综合各方面因素考虑，本设计采用：首层层高层层高 m,屋面为上人屋面，总高为,室内外高差取,女儿墙高度取1200mm.

装饰

外墙颜色应与周围环境保持协调，且装饰上注重质量、和谐。外墙采用浅黄色外墙涂料配上红、白色立面线条，窗户采用本色铝全金窗框料。室内采陶瓷地砖地面，在卫生间内采用防滑地砖地面。

抗震设计

本设计模拟抗震设防烈度8度（）。根据《建筑抗震设计规范》（GB50011‐2010）第规定：抗震设防烈度为6度及以上地区的建筑，必须进行抗震设计。

钢筋混凝土房屋应根据设防类别、烈度、结构类型和房屋高度采用不同的抗震等级，并应符合相应的计算和构造措施要求。本工程的抗震设防类别为丙类。地震作用和抗震措施均应符合本地区抗震设防的要求。本设计属于框架结构，8度设防，高度小于24m,抗震等级为二级。

楼梯设计

楼梯作为建筑物垂直交通的主要设施，设计时应满足以下几个方面的要求：

（1）疏散要求：楼梯的.位置，数量，间距及宽度都应满足防火规范的疏散要求，做到人流通行流畅，上下楼层联系便捷。

（2）使用要求：楼梯作为垂直交通主要设施，应位于建筑明显突出的位置，起到引导人流的作用，因使用频率高应充分考虑其造型美观，并有良好的采光条件，给人以舒适的感觉。

（3）安全要求：作为主要的疏散通道，应坚固安全，经久耐磨，受力合理。

（4）构造要求：合理的选择楼的形式、坡度、材料、构造做法，精心的处理好其细部构造。楼梯的形式是多种多样的，对象不同，场合不同，环境部同，角度不同，性质不同，对楼梯的称谓也不同。本设计采用平行双跑楼梯。楼梯属于建筑物中重要的疏散通道和消防通道，因此国家各种现行规范对楼梯的尺度有着明确的构造要求。《民用建筑设计通则》规定每个梯段的踏步不应超过18级，且不应少于3级。《建筑楼梯模数协调标准》规定楼梯踏步不宜高于210mm,并不宜小于140mm,各级踏步高度均应相同。一般楼梯的坡度范围在23°~45°，适宜的坡度为30°。《建筑楼梯模数协调标准》规定楼梯段的最大坡度不宜超过38°。作为主要交通用的楼梯梯段净宽应根据楼梯使用过程中人流股数确定，一般按每股人流宽度为（0‐）m计算，并不应少于两股人流。（0‐为人流在行进中人体的摆幅，公共建筑人流众多应取上限值）。楼梯梯井指四周为梯段和平台的内侧面围绕的空间，实际设计时梯井宽度一般取60~200mm.楼梯栏杆应采取不宜攀登的构造，当采用垂直杆件做栏杆时，其杆件净距不应大于.中间平台的深度不应小于楼梯梯段的宽度，并不得小于,当有搬运大型物件需要时应适量加宽，住宅建筑中的楼梯平台的结构下缘至人行过道的垂直高度不应低于2m.梯段最低、最高踏步的前缘线与顶部凸出物的内边缘线的水平距离不应小于300m.

在本工程中，共有两部楼梯，均采用双跑楼梯，楼梯的开间为,进深.层高为,设计为等跑楼梯，每跑均12级踏步，11个踏面，踏步尺寸为300mm×150mm,中间休息平台尺寸为1950mm×3600mm.

防火设计

为减少火灾和降低火灾损失，在建筑内部采用防火墙、耐火楼板。本工程耐火等级为二级。民用建筑必须满足耐火等级和耐火极限的要求，为防止着火建筑的辐射热在一定时间内引燃相邻建筑，且便于消防扑救的间隔距离成为防火间距。防火建筑必须满足规范要求。

三、结构设计

进行结构方案的比较，结构布置和构件选型，选取一榀主框架进行设计计算，进行楼梯雨蓬的设计，先进行标准层结构平面布置，然后进行梁柱结构布置，包括梁柱尺寸粗估与验算，然后就是进行现浇楼板的设计与计算，楼梯的设计与计算，接下来就是进行横向框架在竖向荷载作用下的计算简图和计算，为了便于设计计算，在计算模型和受力分析进行不同程度的简化，在手算横向框架时进行的基本假定包括：结构分析的弹性静力假定，一般情况下不考虑结构进入弹塑性状态引起的内力重分布；平面结构假定，在柱网正交布置情况下，可以认为每一方向的水平力只有该方向的抗侧力结构承担，垂直于该方向的抗侧力结构不受力。楼板在自身平面内的刚性假定，由刚性楼板的假定，同一标高处，所有抗侧力结构的水平位移相等。

横向框架在恒荷载作用下的计算，首层单独计算，第二层至第五层所受的荷载一致，由于屋顶的作用另外计算求解。

计算框架在活荷载作用下的计算简图，通过详细的受力分析及荷载折算，求解方法与恒荷载一致。

横向框架在重力荷载代表值作用下的计算简图，在有地震作用的荷载效应组合时要用到重力荷载代表值，对于楼层，重力荷载代表值取全部的荷载和50%的楼面活荷载，对于屋面，重力荷载代表值取全部的恒荷载和50%的雪荷载。

内力的计算与内力组合，通过手算恒荷载产生的弯矩，轴力和剪力，其余内力的计算取用结构力学求解器进行计算加快进度，节省时间。内力组合，选择最不利内力进行配筋计算。

[1] 中华人民共和国国家标准.高层民用建筑防火规范GB5 0045-2010[S].北京：中国建筑工业出版社，2012

[2] 中华人民共和国国家标准.建筑制图标准GB 50104-2010[S].北京：中国建筑工业出版社，2012

[3] 中华人民共和国国家标准.房屋建筑制图统一标准GB 50001-2010[S].北京：中国建筑工业出版社，2011

[4] 中华人民共和国国家标准.建筑抗震设防分类标准GB 50223-2010[S].北京：中国建筑工业出版社，2012

[5] 中华人民共和国国家建筑标准设计图集.建筑物抗震构造详图GB 50068-2012[M].北京：中国建筑工业出版社，2013

[6] 中华人民共和国国家标准.建筑结构荷载规范GB 50009-2010[S].北京：中国建筑工业出版社，2012

[7] 中华人民共和国国家标准.混凝土结构设计规范GB 50010-2012[S].北京：中国建筑工业出版社，2013

[8] 中华人民共和国国家标准.建筑抗震设计规范GB 50011-2010[S].北京：中国建筑工业出版社，2012

[9] 中华人民共和国国家标准.建筑结构制图标准GB 50079-2010[S].北京：中国建筑工业出版社，2013

[10] 中华人民共和国国家标准.GB50068,建筑结构可靠度设计统一标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2018

摘要： 钢结构建筑本身具有自重轻、强度高、施工快等优点，与其他建筑工程相比，更具有在“高、大、轻”三个方面发展的独特优势。随着改革开放，我国的钢铁产量有了突飞猛进的发展，特别是1997年以后，我国的钢产量突破1亿吨，尽管我国是世界的钢铁产量的大国，但在钢铁应用上只占产量的3%左右。近几年随着国家经济建设的发展，特别是2008年奥运会场馆设施、首都钢铁公司的搬迁、同时十五期间我国将钢结构住宅作为重点推广的项目。为此，国家外经贸委会同冶金部制定了在建筑工程中推广使用钢结构的一系列政策措施，鼓励建筑工程采用钢结构形式，争取在2010年建筑钢结构的用量达到总钢产量的6%，使一个发展建筑钢结构行业和市场的势头正在我国出现。

关键词：钢结构；钢结构特点；发展趋势

钢结构工程同其他结构工程相比，具有材料强度高、抗震性能好、工业化生产程度高、密闭性能好、安全更可靠的特点，决定了过去在一些高度或跨度较大的结构，荷载或吊车起重量很大的结构、有较大振动的结构、高温车间的结构、密封要求很高的结构、要求能活动或经常装拆的结构、桥梁结构中应用比较广。随着改革开放和经济发展，钢结构工程正从跨度大、多层或高层、耐热性等要求高的工业建筑足见向民用建筑发展。

1从我国钢材生产上看，越来越给钢结构建筑发展创造了非常好的物质基础。随着我国经济的发展，随着老钢厂的不断更新，新钢厂不断崛起，越来越多的钢铁基地为了适应市场的需要，成品钢材的品种越来越齐全，热轧H型钢、彩色钢板、冷弯型钢的生产能力大大提高，为钢结构发展创造了重要的条件。其他钢结构中型钢、及涂镀层钢板都有明显增长，产品质量有较大提高。耐火、耐候钢、超薄热轧H型钢等一批新型钢已开始在工程中应用，为钢结构发展创造了条件。

2从设计、施工、钢结构工业化生产看，越来越多的标志性钢结构建筑，已经足够证明我国的钢结构建筑无论从设计到施工，还是从设计到钢结构构件的工业化生产加工，专业钢结构设计人员的素质在实践中得到不断提高，一批有特色有实力的专业研究所、设计院、建筑施工单位、施工监理单位都在日臻成熟，专业性、技术性、规模化更加完善。

随着钢结构建筑的遍地开花，我国各地分别建起了钢结构的标志性建筑，如：世界第三高度421米的上海金茂大厦，具有国际领先水平、高度279米的深圳赛格大厦，跨度1490米的润扬长江大桥，跨度550米的上海卢浦大桥，345米高的跨长江输电铁塔，以及首都国际机场，鸟巢国家体育中心，首钢钢结构厂房建筑群等等许多采用钢结构建筑体系的重要工程，标志着建筑钢结构正向高层重型和空间大跨度钢结构发展。

3从钢结构应用范围看，我国的钢结构建筑正从高层重型和空间大跨度工业和公共建筑钢结构向住在发展。近年来，随着城市建设的发展和高层建筑的增多，我国钢结构发展十分迅速，钢结构住宅作为一种绿色环保建筑，已被建设部列为重点推广项目。其实，我国钢结构住宅起步很晚，只是改革开放后，从国外引进了一些低层和多层钢结构住宅，才使我们有了学习与借鉴的机会。1986年意大利钢铁公司和冶金部建筑研究总院合作介绍一种低层钢结构住宅建筑体系——Bsis，并在冶金部建筑研究总院院内建造一栋二层钢结构住宅样板房；1988年日本积水株式会社赠送上海同济大学二栋钢结构住宅（二层），建在同济新村中；90年代个别国外公司为推广其产品在北京、上海等地建立多层钢结构办公、住宅楼。大规模研究开发、设计制造、施工安装钢结构住宅还是近几年才发展起来。这说明了钢结构住宅的发展势头良好。

4钢结构作为绿色环保产品，与传统的混凝土结构相比较，具有自重轻、强度高、抗震性能好等优点。适合于活荷载占总荷载比例较小的结构，更适合与大跨度空间结构、高耸构筑物并适合在软土地基上建造。也符合环境保护与节约、集约利用资源的国策，其综合经济效益越来越为各方投资者所认同，客观上将促使设计者和开发商们选择钢结构。也正是钢结构建筑的这些优点和实用性，引起了政府的高度重视和推广，并把钢结构住宅作为我国十五期间的重点推广项目。

5钢结构的发展趋势表明，我国发展钢结构存在着巨大的市场潜力和发展前景。这存在的'巨大市场潜力和发展前景及趋势，主要来源于：

（1）我国自1996年开始钢产量超过一亿吨，居世界首位。1998年投产的轧制H型钢系列给钢结构发展创造了良好的物质基础。

（2）高效的焊接工艺和新的焊接、切割设备的应用以及焊接材料的开发应用，都为发展钢结构工程创造了良好的技术条件。

（3）1997年11月建设部发布的《中国建筑技术政策》中，明确提出发展建筑钢材、建筑钢结构和建筑钢结构施工工艺的具体要求，使我国长期以来实行的“合理用钢”政策转变为“鼓励用钢”政策。将为促进钢结构的推广应用起到积极的作用。

（4）钢结构行业将出现一批有特色有实力的专业设计院、研究所，年产量超过20万吨的大型钢结构制造厂，有几十家技术一流、设备先进的施工安装企业，上千家中小企业相互补充、协调发展，逐步形成较规范的竞争市场。

6发展钢结构住宅是我国住宅产业化的必由之路。住宅产业化是我国住宅业发展的必由之路，这将成为推动我国经济发展新的增长点。钢结构住宅体系易于实现工业化生产，标准化制作，与之相配套的墙体材料可以采用节能、环保的新型材料，它属绿色环保性建筑，可再生重复利用，符合可持续发展的战略，因此钢结构体系住宅成套技术的研究成果必将大大促进住宅产业化的快速发展，直接影响着我国住宅产业的发展水平和前途。

随着钢结构建筑的发展，钢结构住宅建筑技术也必将不断的成熟，大量的适合钢结构住宅的新材料也将不断的涌现，同时，钢结构行业建筑规范、建筑标准也将随之逐渐完善。相信不久的将来，钢结构住宅必然会给住宅产业和建筑行业带来了一场深层次的革命。

“钢结构是环保住宅，钢结构符合可持续发展概念”——21世纪钢结构将占领广阔的建筑市场。在我国目前大力推广住宅产业化的时代背景下，钢结构体系必将成为住宅结构体系的主流。展望未来，随着经济建设的蓬勃发展和交流的进一步扩大，要建造更多的高层建筑、桥梁和大型公共场所、新型的智能化小区等建筑物的需求十分旺盛。这将为钢结构的发展提供更多的机会，钢结构产业兴旺发展的新局面就在眼前。

现在我国钢结构研究已进入一个新阶段，有关规范和标准已出台，国内钢产量充足，为钢结构住宅的发展提供了较好的物质和技术基础。应及时把握其发展趋势，结合我国国情，积极借鉴并吸纳国外成熟技术，注意各专业间的相互配合，促进钢结构住宅产业化发展，相信我国钢结构住宅的发展前景是美好的。