课题研究的目的与意义 建筑是人类最早的生产活动之一， 是在一定的历史条件下， 随着社会生产力发展而形成发展的。 由于经济的发展、土地的减少，现代建筑趋向于多高层建筑，而砌体结构存在自重大、砌筑工作相 当繁重、抗拉抗弯性能低、粘土砖用量很大，往往占用农田，影响农业生产等缺点，现代建筑多采 用框架结构、框剪结构、框筒结构等结构体系。而框架结构是多高层建筑的一种主要结构形式。框 架结构有钢筋混凝土框架和钢框架，而随着我国建筑业的快速发展，建筑设计理念的不断更新，钢 框架结构建筑体系作为一种新型的产业体系集合了房地产业、建筑业、冶金业正在华夏大地迅速崛 起。钢框架结构由于其抗震性能好、建筑自重轻、房屋利用率高、工业化程度高、施工周期短、绿 色环保、科技含量高适用范围广等特点，成为当今应用最为广泛的结构之一。大力发展和积极推广 能抗震抗灾的适用建筑，对于我国国民抵御自然灾害、保障生命安全具有重要的现实意义。 多层钢框架结构虽然已经非常流行，但是结构的合理与否依旧影响着用户的满意度及开发商的 经济效益。不断地优化，在两者之间取得一个平衡是我们结构设计工作者的追求目标。此次设计的 任务是对吉林省某四层钢框架办公楼结构及制造工艺设计，设计过程中会涉及到结构力学、材料力 学、钢结构设计原理、多层建筑钢结构设计、钢结构焊接制造及安装、钢结构涂装等大学所学的专 业知识，通过本次设计有利于使所学的知识系统化，提高我们对知识的综合应用能力，使我能够在 指导老师的指导下，比较独立地完成办公楼的设计，可以熟悉相关的设计规范、手册、标准图集， 掌握 AutoCAD、Office、PKPM 等办公软件技术，为将来走向工作岗位打下坚实的基础。毕业设计 是我们在毕业前最后的学习和综合训练的实践性学习环节，是深化、拓宽、综合学习的重要过程， 是学习、研究与实践成果的全面总结；是学生综合素质与实践能力培养效果的全 面检验。所以我们 都应该认真完成自己的毕业设计，使自己成为社会所需要的人才。

国内外现状：1 国内钢结构发展现状 我国建筑工程领域中已经出现了产品结构新的调整，钢结构以其自身的优越性，正在工程中得 到越来越广泛的、合理的应用[6]。 目前钢框架在我国的应用还不多。随着我国钢材产量的迅速增加， 品种增多，钢结构设计和施工技术的不断提高，钢框架的运用将有良好的的前景[11]。多层框架一 般层数不超过 10 层，否则宜按高层建筑考虑。多层框架钢结构应根据生产工艺的特点，采取相应的 措施，以满足 GBJ16-87《建筑设计防火规范》[5]。 近几年，钢结构建筑相比于砖混结构建筑在环保、节能、高效、工厂化生产等方面具有明显优 势。深圳高 325 米的地王大厦、上海浦东高 421 米的金茂大厦、北京的京广中心等大型建筑都采用 了钢结构，北京、上海、山东等省市已开始进行钢结构住宅试点，其中，北京金宸公寓已被列为建 设部住宅钢结构体系示范工程。高层钢结构建筑屡见不鲜。人们预料 21 世纪是金属结构的世纪，钢 结构将成为新建筑时代的脊梁。 人类自 17 世纪 70 年代开始使用生铁， 世纪初开始使用熟铁建造 19 桥梁和房屋，钢结构发展的历史要比钢筋混凝土结构发展的历史悠久，它的生命力也是越来越强。 在美国，低层建筑如两层楼以下的非居住型建筑市场已有 70％以上是建筑金属制品；而在我国早期 多层钢结构只见于个别工业厂房的一部分，在民用建筑中仍然为空白。 我国二十世纪初建造的松花江钢桁桥、黄河大桥、上海国际饭店等就采用了钢结构；新中国成 立后，我国钢结构建筑发展速度进一步加快。如 2008 年奥运场馆国家大剧院、鸟巢、水立方等；随 着 2010 年上海世博会的到来， 钢结构场馆的建设更是达到了一个空前的高度。 全国上百个大小机场 都将设计采用钢结构，以加快建设速度和增大空间。我国多层民用钢结构房屋才仅仅出现十几年， 仍处在初期阶段，但是各地陆续建造了数百万平方米的多层钢结构民用房屋，取得了显著地成绩。 如中国工商银行总行营业办公楼、北京市亦庄青年公寓、北京金宸公寓、上海现代集团在新疆库尔 勒建造的 8 层钢结构住宅、天津市丽苑小区 11 层钢结构住宅、杭州天成 6 层钢结构综合楼、山东莱 钢钢结构住宅小区、山东建筑工程学院土木馆、长沙远大集成住宅楼、河北唐山的几幢 3~5 层钢结 构住宅、福建师大学生公寓、武汉国际会展中心、四川攀枝花市迎宾苑小区钢结构住宅等等。 目前，国内高层钢结构钢材几乎都从国外进口，工程总承包由国外承担，制造和安装则由国内 廉价劳动力承包，这种局面应从速扭转，因为这与我国产钢大国的地位很不相称。大跨度钢结构钢 材不象高层钢结构那样突出，但设计方案（包括建筑和结构）经常国外中标，这种局面与中央强调 建立我们自己的科技创新体系的号召相距甚远，应该引起我国建筑界的关注，是水平低还是其它原 因，值得我们深思。 1.2.2 国外钢结构发展现状 发达的欧美国家，钢结构早在 30 年代就迅速发展，他们工效比我们高，他们的工人收入在钢结 构行业是我国工人收入的 40 倍。美国金属建筑的主要市场分布：工业（生产用厂房、仓库及辅助设 施等） 、商业（商场、旅馆、展览馆、医院、办公大楼等） 、社区（私有及公有社区活动中心及建筑 如学校、体育馆、图书馆 、教堂等） 、综合等方面，分别占到 46%、31%、14%和 9%的份额。在美 国， 低层建筑中采用钢结构还是很普遍的。 美国钢结构学会和金属房屋制造协会 （AISC 和 MBMA） 联合编制了低层建筑的设计指南。所谓低层建筑是指层高低于 18m，层数不超过 5 层的工业厂房、 仓库、办公室及其他的办公和社区建筑等，其中两层以下的非居住用楼房建筑占 70%。 从美国、日本、欧洲一些发达国家的经验看，建筑业即将成为钢材应用的主要市场。而目前我 国与之相比还有差距。因此我国的高层建筑钢材到目前为止还都从国外进口，特别是大于 50mm 的 厚钢板，国产产品的 Z 向性能尚达不到要求。国外不仅钢板厚度较大，而且可以满足各种性能要求。 如日本已经能够生产的 100mm 的厚钢板，具有以下类型： ①、有高强度低预热型（以前预热 75℃，现在预热 50℃）的厚钢板 590N/mm2 级（HT590 级） ； ②、抗地震的厚钢板，主要有低屈服比高强度钢材（HT590～HT780 级）和低屈服点钢板，这 种钢材日本重点生产，用于次要结构上，当地震时这种材料先屈服，保证主要 结构减少地震损 失； 当其在 600℃ 时屈服强度还能达到常温下的 2/3； ③、 防火厚钢板。 400N/mm2 及 490N/mm2， 有 ④、装饰用的奥氏体不锈钢板及铁素体不锈钢板（沿海用，优于前者 ） 。

2. 研究的基本内容与方案

采用的设计方案（基本理论）与技术路线 采用的设计方案（基本理论） 1.3.1 设计基本理论 根据现行国家相关钢结构技术规范、 规程与标准,采用以概率论为基础的极限状态设计法,按分项 系数的设计表达式进行计算 （对疲劳强度计算除外） 各种承重结构按承载力极限状态和正常使用极 ； 限状态的原则设计；在设计过程中,应根据钢结构破坏可能产生的后果采用不 同安全等级，并在荷载 效应计算中分别采用不同的系数；结构件或连接按承载力极限状态设计时，一般按使用条件采用荷 载效应的基本组合；钢结构构件按正常使用极限状态验算变形,应考虑短期效应组合等级。从产品焊 接结构生产的要求入手，包括技术要求、经济要求、劳动保护、安全卫生、明确焊接结构生产的规 模和方式。确定工艺方案时，应即保证钢结构质量，同时也应合理考虑生产周期、成本和环境保护。 1.3.2 技术路线 采用框架结构近似计算法：求竖向荷载作用下的内力用“弯矩分配法” ；求水平荷载作用下的内 力时，用“D 值法”等。求水平地震作用的时候采用“底部剪力法” ； 结合所学过的知识、通过查阅参考资料初步设计，再交指导老师审查，审查通过后，利用 AutoCAD 、和手工完成绘图，利用 Excel、word 等完成设计说明书及其他内容的编写。 结构部分计算的大概步骤如下： 1)、结构布置 2)、确定计算模型 3） 、初估梁柱截面尺寸 4)、荷载计算 5)、水平地震作用的侧移验算 6)、风荷载作用下的侧移验算 7)、水平地震作用下横向框架的内力计算 8)、竖向荷载作用下框架的内力计算 9)、楼板的配筋计算 10)、楼梯设计计算 11)、基础的设计及配筋计算 12)、用 PKPM 对各计算项目进行验算 13)、绘制钢框架施工图，包括梁柱组合图、节点图、零件图、拼装图及材料表等 14)、编写计算说明书和制造工艺过程说明 1.4 可能存在的问题 1.4.1 变形缝设置 《高层民用建筑钢结构技术规程》上“高层建筑钢结构不宜设置伸缩缝。当必须设置时，抗震设 防的结构伸缩应满足防震缝要求”。本次设计的办公楼尺寸为 20m×36m，较小，可以不设置变形缝， 但考虑得到工程地点在是在温差较大的东北地区，进行温度应力的验算后再做决定。 1.4.2 结构设计 框架结构是柔性结构，有水平位移，房屋的总水平位移越大，人的感觉越不舒服，而层间位移 会影响建筑物的装修和隔墙开裂，因而对这两种水平位移进行限，这样在设计中要增大房屋的抗侧 刚度。 1.4.3 内力计算 结构形式不规格，受力复杂，超静定次数多，不管用分层法、反弯点法还是“D”值法都有很大的 难度。本设计采“D”值法用手算，将用结构力学求解器进行验算。 1.4.4 地震振型分析 地震分析时，由于高度少于 60 米， 采用底部剪切法，但是计算经验不足，在重力荷载代表值等 计算时有可能存在误差。设计将用 PKPM 进行验算。确保抗震设防的可靠性。

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