高层建筑结构设计-第6章-框架结构设计

高层建筑结构设计广西大学土木建筑工程学院贺盛高层建筑结构设计广西大学土木建筑工程学院贺盛第六章框架结构设计6.1框架结构抗震设计概念6.2框架梁设计6.3框架柱设计6.4梁柱节点核心区设计高层建筑结构设计广西大学土木建筑工程学院贺盛本章重点掌握“四强四弱一限制”抗震设计概念掌握框架梁的抗震承载力验算方法与抗震构造要求掌握框架柱的抗震承载力验算方法与抗震构造要求掌握框架节点的抗震承载力验算方法与抗震构造要求高层建筑结构设计广西大学土木建筑工程学院贺盛6.1框架结构抗震设计概念高层建筑结构设计广西大学土木建筑工程学院贺盛6.1框架结构抗震设计概念框架结构的构件主要为框架梁、框架柱及梁柱节点。为实现抗震设防目标，钢筋混凝土框架除了具有足够的承载力和刚度外，还应具有良好的延性和耗能能力。延性指屈服后在强度或承载力没有显著降低情况下的塑性变形能力。换而言之，延性是材料、截面、构件或结构保持一定的强度或承载力时的非弹性（塑性）变形能力。耗能能力可以用在反复荷载作用下，构件或结构的力-变形滞回曲线包含的面积进行度量。高层建筑结构设计广西大学土木建筑工程学院贺盛6.1框架结构抗震设计概念1、梁铰机制优于柱铰机制梁铰机制是指塑性铰出现在梁端，除底层柱嵌固端外，柱端不出现塑性铰的破坏机制。柱铰机制是指在同一层所有柱的上下端出现塑性铰的破坏机制。梁铰机制优于柱铰机制的原因：①柱铰机制会形成倒塌机构；②梁铰机制的单铰塑性变形能力要求低于柱铰；③梁铰更易实现高延性和高耗能能力。强柱弱梁是指同一梁柱节点处，上下柱端在轴压力作用下，顺时针或逆时针方向实际受弯承载力之和，须大于左右梁端截面相应方向实际受弯承载力之和。高层建筑结构设计广西大学土木建筑工程学院贺盛6.1框架结构抗震设计概念2、弯曲破坏优于剪切破坏弯曲破坏为延性破坏，滞回曲线的捏拢现象不严重，构件的耗能能力大；剪切破坏为脆性破坏，延性小，构件的耗能能力差。强剪弱弯是指梁或柱的实际受剪承载力，分别大于其实际受弯承载力对应的剪力设计值。高层建筑结构设计广西大学土木建筑工程学院贺盛6.1框架结构抗震设计概念3、构件破坏优于节点破坏核心区为连接梁与柱的关键部位，在往复地震作用下，核心区的破坏为剪切破坏。强节点弱构件是指节点的实际受剪承载力，大于其左右梁端截面相应方向实际受剪承载力之和。高层建筑结构设计广西大学土木建筑工程学院贺盛6.1框架结构抗震设计概念4、一般部位构件破坏优于关键部位节点破坏在往复的地震作用下，框架结构部分构件的受力不利，且其破坏后会对结构的承载力能力产生较大削弱，故须对这些关键部位构件进行加强。强关键弱一般是指柱底层嵌固端、角柱、转换柱等关键构件的承载力及抗震构造措施应强于一般构件。高层建筑结构设计广西大学土木建筑工程学院贺盛6.1框架结构抗震设计概念5、大偏心受压破坏优于小偏心受压破坏小偏心受压破坏柱的截面相对受压区高度大于大偏心受压破坏柱的截面相对受压区高度，故前者的延性及耗能能力低于后者。限制轴压比是指依据不同的抗震等级，将各类结构框架柱及剪力墙的轴压比限制在一定范围内。高层建筑结构设计广西大学土木建筑工程学院贺盛6.2框架梁设计高层建筑结构设计广西大学土木建筑工程学院贺盛6.2.1框架梁的破坏形态适筋梁——延性破坏弯曲破坏少筋梁——脆性破坏超筋梁——脆性破坏梁的破坏形态斜压破坏——脆性破坏剪切破坏斜拉破坏——脆性破坏剪压破坏——类似少筋高层建筑结构设计广西大学土木建筑工程学院贺盛6.2.2框架梁抗弯设计由于在抗震概念设计中，并未涉及框架梁弯矩设计值的调整，故直接取相应荷载效应组合计算值作为框架梁的弯矩设计值，并按下式验算框架梁的受弯承载力：①持久、短暂设计状况②地震设计状况''1c0ys0s0.5+MfbxhxfAha''1c0ys0sRE10.5+MfbxhxfAha1.350.71.41.21.4SS（1）恒载+活载恒载效应活载效应恒载效应活载效应1.350.71.40.61.41.21.40.61.41.20.71.41.4SSS（2）恒载+活载+风载恒载效应活载效应+风载效应恒载效应活载效应+风载效应恒载效应活载效应+风载效应1.21.3S（1）重力+水平（所有）重力效应水平效应1.21.3S（2）重力+竖直（9度，大跨度、长悬臂）重力效应竖直效应1.21.30.5S（3）重力+水平+竖直（9度，大跨度、长悬臂）重力效应水平效应+竖直效应m1.21.30.21.4S（4）重力+水平+风载（60以上）重力效应水平效应+风载效应m1.21.30.50.21.41.20.51.30.21.4SS（5）重力+水平+竖直+风载（9度，大跨度、长悬臂且60以上）重力效应水平效应竖向效应+风载效应重力效应水平效应竖向效应+风载效应高层建筑结构设计广西大学土木建筑工程学院贺盛【例6.2-1】某二级框架梁的抗弯设计由左端截面控制。其左端截面在恒载、等效活载、水平地震作用下产生的弯矩标准值分别80kN·m、60kN·m、40kN·m。当对该梁进行抗弯配筋设计时，起控制作用的弯矩设计值是多少？高层建筑结构设计广西大学土木建筑工程学院贺盛6.2.3框架梁抗剪设计震害及试验研究表明，框架梁的破坏主要集中在1~2倍梁高的梁端塑性铰区范围内。在这些塑性铰区内，既有竖向裂缝，又有斜裂缝，剪力主要靠箍筋及纵筋销键作用进行传递。为了使梁端塑性区有较大的延性，同时防止梁端混凝土压溃前受压钢筋过早压屈，应在梁端加密箍筋，形成箍筋加密区。梁端加密区箍筋应该按强剪弱弯的原则确定箍筋量，同时满足抗震构造要求。1、框架梁的箍筋与延性高层建筑结构设计广西大学土木建筑工程学院贺盛6.2.3框架梁抗剪设计根据强剪弱弯的抗震设计概念，需对梁端加密区剪力设计值进行放大，以确保梁的实际受剪承载力，大于其实际受弯承载力对应的剪力设计值。在实际工程中，常将以上承载力之间的大小关系，转化为内力（效应）设计值之间的大小关系，并通过乘以增大系数的方法，达到放大梁端剪力设计值的效果。2、剪力设计值①一、二、三级应按下列公式调整：lrbbbvbGbnMMVVl②一级框架结构和9度的一级框架应符合：lrbuabuabGbn1.1MMVVl加密区以外区段、四级或非抗震设计的框架，梁端剪力取最不利组合计算值作为剪力设计值。高层建筑结构设计广西大学土木建筑工程学院贺盛6.2.3框架梁抗剪设计仅配置箍筋的框架梁的受剪承载力按下式验算：3、受剪承载力验算svbt0yv00.71.25AVfbhfhs一般：svbt0yv01.751AVfbhfhs集中：svbt0yv0RE10.421.25AVfbhfhs一般：svbt0yv0RE11.051AVfbhfhs集中：①持久、短暂设计状况②地震设计状况高层建筑结构设计广西大学土木建筑工程学院贺盛【例6.2-2】高层建筑结构设计广西大学土木建筑工程学院贺盛6.2.4框架梁的构造措施框架梁截面需满足三方面的要求：承载力、构造措施及减压比。1、截面尺寸①承载力要求：通过承载力验算确定②构造措施要求：0n11~200441810hlbmmhblh，，，③减压比要求：持久、短暂设计状况地震设计状况cc00.25Vfbhncc0REncc0RE12.50.2012.50.15lhVfbhlhVfbh时，时，高层建筑结构设计广西大学土木建筑工程学院贺盛6.2.4框架梁的构造措施框架梁纵向钢筋需满足五方面的要求：相对受压区高度、最大配筋率、最小配筋率、钢筋面积比及通长钢筋。2、纵向钢筋①梁端截面的相对受压区高度需满足：00b00.250.35xhxhxh一级时，二、三级时，非梁端、四级及非抗震时，②梁端纵向受拉钢筋的最大配筋率需满足：不宜大于2.5%，不应大于2.75%。③全梁纵向受拉钢筋的最小配筋率需满足：非抗震0.2和45ft/fy0.2和45ft/fys0=Abhs0=Abh高层建筑结构设计广西大学土木建筑工程学院贺盛6.2.4框架梁的构造措施2、纵向钢筋④梁端底面受压钢筋与顶面受拉钢筋的面积比：sssssss0.50.32.5%0.5AAAAAA底顶底顶顶底顶一级时，二、三级时，非梁端、四级及非抗震时，无限制时，无论几级，⑤全梁的通长钢筋需满足：ss214max44212d120AA底顶一、二级时，，且，三、四级时，一、二、三级时，柱在梁纵向截面尺寸的高层建筑结构设计广西大学土木建筑工程学院贺盛6.2.4框架梁的构造措施框架梁箍筋需满足六方面的要求：加密区长度、最大间距、最小直径、最大肢距、最小面积配箍率及非加密区。3、箍筋①加密区长度、②最大间距、③最小直径需满足下表要求：(150)(150)(+2)(+2)(+2)(+2)高层建筑结构设计广西大学土木建筑工程学院贺盛6.2.4框架梁的构造措施3、箍筋④梁端加密区箍筋肢距需满足：vvmax200max250300dd一级时，，20二、三级时，，20四级时，⑤梁全长的面积配箍率需满足：svtyvsvtyvsvtyv0.300.280.26ffffff一级时，二级时，三、四级时，⑥梁非加密区需满足：最大间距不宜大于加密区的2倍。高层建筑结构设计广西大学土木建筑工程学院贺盛6.3框架柱设计高层建筑结构设计广西大学土木建筑工程学院贺盛6.3.1影响框架柱延性和耗能能力的主要因素大偏压——延性破坏弯曲破坏小偏压——脆性破坏柱的破坏形态斜压破坏——脆性破坏剪切破坏斜拉破坏——脆性破坏剪压破坏——类似少筋高层建筑结构设计广西大学土木建筑工程学院贺盛6.3.1影响框架柱延性和耗能能力的主要因素剪跨比反映了柱端截面承受的弯矩和剪力的相对大小。柱的剪跨比定义为：1、剪跨比cnc002HMVhhccnMVH—未经调整的最不利荷载组合弯矩计算值，取柱上下端较大值；—未经调整的最不利荷载组合剪力计算值；—柱净高；剪跨比λ≥2.0时，称为长柱，柱的破坏形态为压弯型破坏。剪跨比1.5≤λ＜2.0时，称为短柱，柱将产生以剪切为主的破坏。剪跨比λ1.5时，称为极短柱，一般发生脆性的剪切斜拉破坏，抗震性能差。设计时应当尽量避免这种极短柱。高层建筑结构设计广西大学土木建筑工程学院贺盛6.3.1影响框架柱延性和耗能能力的主要因素轴压比直接影响框架柱的延性与耗能能力。柱的轴压比定义为：2、轴压比NccNAfccNAf—考虑地震作用组合的轴压力设计值；—柱全截面面积；—混凝土轴心抗压强度设计值。轴压比越大，延性越低。高层建筑结构设计广西大学土木建筑工程学院贺盛6.3.1影响框架柱延性和耗能能力的主要因素在钢筋混凝土柱中，箍筋不仅可以抗剪，还可以对混凝土核心起约束作用，防止主筋屈服。大量试验结果表明，箍筋形式对柱核心区混凝土的约束作用有明显的影响。一般情况下，箍筋直径越大，间距越密，框架柱的延性及耗能能力越强。3、箍筋体积配箍率sv1hvbvvvv222222Anhcdnbcdshcdbcdsv1hbvAnnhbhbcds—单肢箍的面积；、—与或平行的肢数；、—截面高度与宽度；—钢筋保护层厚度；—箍筋直径；—箍筋间距。柱箍筋体积配箍率计算公式为：高层建筑结构设计广西大学土木建筑工程学院贺盛6.3.2框架柱轴力、弯矩设计值持久、短暂设计状况及地震设计状况下，柱的轴力均取最不利内力组合计算值作为轴力设计值。(1)强柱弱梁调整1、轴力设计值2、弯矩设计值①一、二、三、四级应按下列公式调整：udlrcccbbMMMM②一级框架结构和9度的一级框架应符合：udlrccbuabua1.2MMMM框架柱