建筑结构 第十七章 多层钢筋混凝土框架的抗震设计二

第十七章多层钢筋混凝土框架的抗震设计第一节震害及其分析第二节框架抗震设计的一般规定第三节框架截面的抗震设计第四节纵向钢筋的锚固和连接第五节抗震框架的一般构造要求第一节震害及其分析一、结构布置不合理产生的震害1．扭转破坏结构的平面布置不当容易造成刚度中心和质量中心的不重合，从而地震时结构产生过大的扭转反应。2．薄弱层破坏地震作用下，结构抗侧移刚度沿高度方向的突然变化易在抗侧移刚度薄弱的楼层形成塑性变形和破坏集中，造成结构的倒塌。3．应力集中结构竖向布置的突变处由于应力集中会产生严重震害。4．防震缝处碰撞防震缝如果宽度不够，其两侧的结构单元在地震时就会相互碰撞而产生震害。二、框架结构的震害1．整体破坏形式框架的整体破坏形式可分为延性破坏和脆性破坏，按破坏机制可分为梁铰机制和柱铰机制。2．钢筋混凝土柱破坏形式柱端弯剪破坏：柱上、下端出现水平、斜裂缝，混凝土剥落，箍筋外鼓崩断，柱筋屈曲，柱端形成塑性饺。柱身剪切破坏：柱出现交叉或S形裂缝，箍筋屈服。角柱破坏：由于受弯、剪、扭共同作用，柱身错动，钢筋由柱内拨出，震害重。短柱破坏：短柱刚度大，易产生剪切破坏。柱破坏的原因：抗弯和抗剪承载力不足；箍筋太稀，对混凝土约束很差；在压、弯、剪作用下，柱的截面承载力达到极限。3．梁破坏形式地震作用下，梁端纵向钢筋屈服，出现上下贯通的垂直裂缝和交叉斜裂缝。梁负弯矩钢筋切断处由于抗弯能力削弱也容易产生裂缝，造成梁剪切破坏。梁剪切破坏的主要原因：梁端屈服后产生的剪力较大；而其箍筋较稀；反复荷载作用下混凝土抗剪强度降低。4．梁柱节点破坏形式节点核心区剪切破坏：产生对角方向的斜裂缝或交叉斜裂缝，混凝土剪碎剥落；箍筋很少或没箍筋时，柱纵向钢筋压曲外鼓。梁筋锚固破坏：梁纵向钢筋锚固长度不足，从节点内拔出，将混凝土拉裂。节点连接破坏：装配式框架构件连接处容易发生坡口焊接钢筋拉断。预制构件接缝处后浇混凝土开裂或散落。节点破坏的主要原因：节点的受剪承载力不足；箍筋太少；梁筋锚固长度不够；施工质量差。5．框架填充墙破坏形式嵌砌砖填充墙容易产生斜裂缝，特殊部位的墙体破坏会更加严重。烈度较高时墙体容易倒塌。由于框架变形属剪切型，下部层间位移大，填充墙震害呈现“下重上轻”的现象。填充墙破坏的主要原因：墙体受剪承载力低，变形能力小；墙体与框架缺乏有效的拉结。6．钢筋的搭接不合理，造成搭接处破坏。第二节框架抗震设计的一般规定一、结构抗震等级二、抗震缝设置三、结构布置原则四、截面尺寸选择一、结构抗震等级1.钢筋混凝土房屋应根据烈度、房屋高度和结构类型采用不同的抗震等级。抗震等级分为一、二、三、四共4级。2.丙类建筑的框架结构其抗震等级规定如下表。3.对甲、乙、丁类建筑，按相应的抗震设防标准和表确定抗震等级。4.裙房与主楼相连时，除应按裙房本身确定抗震等级外，尚不应低于主楼的抗震等级；裙房与主楼分离时，按裙房本身确定抗震等级。5.地下结构的抗震等级的确定。二、抗震缝设置1.钢筋混凝土框架结构应避免采用不规则的建筑结构方案，不设防震缝。2.当需要设置防震缝时，框架结构房屋的防震缝宽度与高度有关。当高度不超过15m时，可采用70mm；超过15m时，6、7、8、9度相应每增加高度5、4、3和2m时加宽20mm。3.对于8、9度的框架结构房屋，当防震缝两侧结构高度、刚度或层高相差较大时，可在缝两侧房屋的尽端沿全高设置垂直于防震缝的抗撞墙（每一侧抗撞墙的数量不少于两道，并宜分别对称布置，墙肢长度可不大于一个柱距）。三、结构布置原则1.框架结构的平面布置和沿高度方向的布置原则应符合“规则结构”的规定。2.框架应双向设置，梁中线与柱中线之间的偏心距不宜大于柱宽的l/4。3.框架结构中的填充墙在平面和竖向的布置宜均匀对称，砌体填充墙宜与柱脱开或采用柔性连接。4.砌体砂浆强度不低于M5，墙顶与框架梁密切结合；墙中沿框架柱全高设置拉筋。6.墙长＞5m时，墙顶宜与框架梁有拉结。7.墙长超过层高2倍，宜设钢筋混凝土构造柱。8.墙高超过4m时，墙体半高宜设置与柱连接，且沿墙全长贯通的钢筋混凝土水平系梁。四、截面尺寸选择1.梁的截面尺寸梁的截面宽度不宜小于200mm；截面高宽比不宜大于4；净跨与截面高度之比不宜小于4。2.柱的截面尺寸柱的截面宽度和高度均不宜小于300mm；圆柱直径不宜小于350mm；截面长边与短的边长比不宜大于3；剪跨比宜大于2；柱的截面尺寸需满足柱的轴压比的要求。（轴压比是指柱组合的轴压力设计值N与柱的全截面面积A和混凝土轴心抗压强度设计值fc的乘积的比值，即uN=N/fcA。第三节框架截面的抗震设计一、抗震框架的一般设计原则二、地震作用计算三、框架在水平地震作用下的内力和侧移四、荷载效应基本组合五、框架截面抗震验算一、抗震框架的一般设计原则1.强柱弱梁原则梁端受拉钢筋的屈服先于柱端受拉钢筋的屈服。2.强剪弱弯原则构件的抗剪承载能力应高于该构件的抗弯承载能力。3.强节点、强锚固原则强节点——抗剪验算，在节点区配置足够的箍筋，并保证混凝土的强度及密实性。强锚固——处理好纵向钢筋在节点区的锚固构造。二、地震作用计算1.多层框架结构在一般情况下应沿两个主轴方向分布考虑水平地震作用，各方向的水平地震作用应全部由该方向的抗侧力构件承担。2.对高度不超过40m，以剪切变形为主，且刚度与质量沿高度分布比较均匀的框架结构，可采用底部剪力法计算水平地震作用。三、框架在水平地震作用下的内力和侧移采用D值法计算框架内力和侧移四、荷载效应基本组合SE=γGSGE+γEhSEhk+γEvSEvk+ψWγWSWk式中：SE—荷载效应和地震作用效应组合的设计值；SGE—重力荷载代表值的效应；SEhk—水平地震作用标准值的效应，尚应乘以相应的增大系数或调整系数；SEvk—竖向地震作用标准值的效应，尚应乘以相应的增大系数或调整系数；γG—重力荷载分项系数；γW—风荷载分项系数；γEh—水平地震作用分项系数；γEv—竖向地震作用分项系数；ψW—风荷载的组合值系数，应取0.20。五、框架截面抗震验算（一）框架梁1、框架梁的正截面受弯承载力计算（1）抗震设计中的正截面承载力计算直接采用静载作用下的承载力计算公式：MEMuE/RE=Mu/RE（或REMEMu）（2）除按计算确定外，框架梁梁端截面的底部和顶部纵向受力钢筋截面面积的比值需满足下列要求：一级抗震等级As/As≥0.5；二、三级抗震等级As/As≥0.3。∴框架梁两端（支座截面）必须是双筋截面。（3）承载力计算公式如下：得到名义压区高度为：cyybfffhx10ysyscfAfAfbx1由平衡条件X=0：由另一极限状态平衡条件M|As=0：不考虑地震作用时：)()5.0)((00maxahfAxhfAfAMbysbysysb)]()5.0)([(100maxahfAxhfAfAMbysbysysREb考虑地震作用时：1——等效矩形应力图形系数，当混凝土强度等级不超过C50时，取为1.0；当混凝土强度等级为C80时，取为0.94，其间按线性内插；RE——承载力抗震调整系数，由表2—15选用；Mbmax——由荷载效应组合得到的最大弯矩设计值。2、框架梁斜截面受剪承载力计算(1)抗震设计中采用与非抗震设计中不同的斜截面受剪承载力计算公式（R=Vu=Vc+Vs；RE=VuE=0.6Vc+Vs)即：VbVuE/RE=（0.6Vc+Vs)/RE或REVb(0.6Vc+Vs)(2)承载力计算（抗震设计）一般框架梁：REVb≤0.42ftbh0+1.25fyvAsvh0/s集中荷载作用下(包括有多种荷载，其中集中荷载对节点边缘产生的剪力值占总剪力值的75%以上的情况)的框架梁：REVb≤1.05ftbh0/(+1)+fyvAsvh0/s（二）框架柱1、柱的正截面承载力计算公式：（NENuE/RE=Nu/RE）（对大偏心受压柱）aheeahAfxhbxfeNAfAfbxfNciREsycsysyc5.0/)]()2([]/[001RE12、柱端弯矩调整——计算偏心距e0时(1)按“强柱弱梁”要求调整0cMcbMccMMM即：“强柱弱梁”要求：柱端弯矩放大Mc倍静力平衡条件：Muc0+Mdc0=Mbl+MbrbcMM09度和一级框架尚应满足：Mc1.2Mbu∑Mc——同一节点上下柱端截面设计弯矩之和；∑Mb——同一节点左右梁端截面设计弯矩之和；∑Mbu——同一节点左右梁端截面抗弯承载力之和。mc——强柱系数；对一、二、三级抗震等级，M分别为1.4、1.2、1.1。顶层柱及轴压比小于0.15的柱，弯矩可以不调整。(2)按“强底层柱”要求调整抗震设计时，一、二、三级框架结构底层柱下端截面弯矩设计值，应按考虑地震作用组合的弯矩设计值分别乘以增大系数1.5、1.25和1.15。计算偏心距e0=M/N时，采用按“强柱弱梁”、“强底层柱”要求调整后的柱端弯矩Mc。3、柱正截面构造规定抗震结构中柱截面最小含钢率（%）柱类型抗震等级非抗震一级二级三级四级框架中柱、边柱1.00.80.70.60.6框架角柱、框支柱1.21.00.90.80.64、柱的斜截面承载力(1)计算公式：（VEVuE/RE，VuE=0.6Vc+Vs)即：Vb=VuE/RE=（0.6Vc+Vs)/RE]056.0105.1[100NhsAfbhfVsvyvtREC]2.0105.1[100NhsAfbhfVsvyvtREC轴力为压力：轴力为拉力：Vc——设计剪力（取按以下要求调整后的值）；——框架柱的剪跨比，＝M／(Vhc0)；设计时可近似取=Hc0／(2hc)，(Hc0为柱净高)，当3时，取=3，当1时取=1。N——为与设计剪力相应的轴向压力；对极短柱(Hc0／hc3)，验算时要求：当N0.3fcbchc0时，取N=0.3fcbchc0。当N为拉力时，公式右端不小于(fyvAsvhc0／s)/Re，且此值不小于0.36fcbchc0。01csvyvREchsAfV(2)剪力调整（1）按柱“强剪弱弯”要求调整nbctcbctcocHMMVVV00nbctcvccHMMV平衡条件：强剪弱弯要求——剪力Vc0放大vc倍，对一、二、三级抗震等级，cv分别为1.4、1.2、1.1。9度和一级框架尚应符合：02.1cbcutcubHMMVMtc、Mbc——由内力组合得到的柱上、下端的最不利设计弯矩；Mtcu、Mbcu——柱上、下端截面的抗弯承载力，可按实际配筋面积和材料强度标准值确定；（2)“角柱”剪力调整一、二、三级抗震等级的框架角柱，经前述调整后的剪力设计值尚应乘以不小于1.1的增大系数。(3)柱的构斜截面构造要求a.截面尺寸和混凝土强度：地震作用时：剪跨比大于2的柱Vc0.25cfcbchc0剪跨比不大于2的柱Vc0.20cfcbchc0地震作用时：剪跨比大于2的柱Vc(0.20cfcbchc0)RE剪跨比不大于2的柱Vc(0.15cfcbchc0)REb.柱的轴压比限制：结构类型抗震等级一二三框架0.70.80.9框架一剪力墙框架一核芯筒0.750.850.95框支结构0.60.7—第四节纵向钢筋的锚固和连接一、纵向受拉钢筋的抗震锚固长度二、纵向受力钢筋的连接三、钢筋在梁柱节点区的锚固和连接梁、柱钢筋锚固及搭接在抗震设计时，纵向受力钢筋的锚固和搭接长度要求比非抗震设计时加大。（1）纵筋锚固要求一、二级抗震等级laE=1.15la三级抗震等级laE=1.05la四级抗震等级laE=1.00la式中：la为非抗震设计时受拉钢筋的锚固长度。（2）纵筋搭接要求搭接方法有搭接接头、机械接头和焊接接头；宜优先选用焊接或机械接头；