第6章 钢筋混凝土框架构件设计

第6章钢筋混凝土框架构件设计6.1延性耗能框架的概念设计6.2框架梁抗震设计6.3框架柱抗震设计6.4梁柱节点核芯区抗震设计6.5钢筋的连接和锚固6.1延性耗能框架的概念设计延性结构延性结构延性结构延性结构：结构在进入塑性状态以后，具有较大的塑性，同时又能维持承载力。结构延性的度量结构延性的度量结构延性的度量结构延性的度量：：：：延性比延性比延性比延性比
延性比=维持结构承载力的框架顶点最大位移/屈服时框架顶点的位移。设计延性结构的目的设计延性结构的目的设计延性结构的目的设计延性结构的目的：
避免出现无先兆的脆性破坏；
利用结构的延性在地震中耗能，减轻震害；
实现中震可修、大震不倒。实现延性框架的途径延性结构可以通过合理的设计实现1.延性结构要通过构件的延性和保持结构的整体性来实现；2.梁的剪切破坏为脆性破坏必须避免。斜截面的剪压破坏也不应该过早发生，应先发生正截面的弯曲破坏(适筋梁)。3.柱本身重要、柱的的延性小，避免柱破坏4.节点破坏会导致结构整体破坏，要避免实现延性框架的措施：(1)强柱弱梁；(2)强剪弱弯；(3)强结点、强锚固、弱构件。框架设计的基本原则(参考抗震P.138)强柱弱梁：保证塑性铰大部分出现在梁端，梁先于柱破坏；柱是主要承重构件，出现破坏以后比较难以修复。强剪弱弯；避免梁、柱构件过早剪切破坏，在可能出现塑性铰区段内，梁的剪切破坏是脆性的(剪拉破坏)或延性很小的(剪压破坏)。抗震的延性框架不仅要求在塑性铰出现之前不被剪坏，塑性铰出现以后也不要过早地被剪坏，后者就是提高延性的措施。强节点、强锚固，弱构件。避免出现节点破坏及钢筋的锚固破坏，要保证节点不先于梁和柱破坏；同时在梁中出现塑性铰以后梁柱仍然构成一个整体。变形的滞回曲线(高层P.146)滞回曲线越饱满，耗能能力越强避免脆性破坏的原因：破坏突然；耗能能力低所以：弯曲破坏优于压弯破坏(大偏压)优于剪切破坏单向框架和双向框架抗震要求：
必须设计成双向框架
框架梁柱必须刚性连接
不允许采用单跨框架框架的承重方式－取决于楼板横向承重纵向承重双向承重三种均可采用框架结构的布置-复习与提高(阅读资料)1111．．．．双向框架双向框架双向框架双向框架：：：：框架结构只能承受自身平面内的水平力，因此沿建筑的两个主轴方向都应设置框架。2222．．．．刚性结点刚性结点刚性结点刚性结点：：：：有抗震设防的框架结构，或非地震区层数较多的房屋框架结构，横向和纵向均应设计为刚接框架。设计成双向梁柱抗侧力体系。主体结构除个别部位外，不应采用铰接。抗震设计的框架结构不宜采用单跨框架。梁柱刚接可增大结构的刚度和整体性。3333．．．．柱网布置柱网布置柱网布置柱网布置：：：：布置框架时，首先要确定柱网尺寸。框架的抗侧刚度除了与柱断面尺寸有关外，梁的断面尺寸对抗侧刚度影响很大，但是由于抗震结构的延性框架要求，抗震框架的梁不宜太强，因此抗震的钢筋混凝土框架柱网一般不宜超过6~8m。大柱网适用于建筑平面要求有较大空间的房屋，但将增大梁柱的截面尺寸。小柱网梁柱截面尺寸小，适用于饭店、办公楼、医院病房楼等分隔墙体较多的建筑。在有抗震设防的框架房屋中，过大的柱网将给实现强柱弱梁及延性框架增加一定困难。框架结构的布置-复习与提高(阅读资料)4.4.4.4.框架梁、柱中心线宜重合。当梁柱中心线不能重合时，在计算中应考虑梁荷载对柱子的偏心影响。为承托隔墙而又要尽量减少梁轴线与柱轴线的偏心距，可采用梁上挑板承托墙体的处理方法。梁、柱中心线之间的偏心距不宜大于柱截面在该宽度的1/4。当为8度抗震设防时，如偏心距大于该方向柱宽的1/4时，可采取增设梁的水平加腋等措施。设置水平加腋后，仍须考虑梁荷载对柱子的偏心影响。5.5.5.5.填充墙：框架结构按抗震设计时，不得采用部分由砌体墙承重之混合形式。框架结构中的楼、电梯及局部突出屋顶的电梯机房、楼梯间、水箱间等，应采用框架承重，不应采用砌体墙承重。框架结构中有填充墙时，填充墙在平面和竖向的布置，宜均匀对称，一、二级抗震的框架，宜采用轻质填充墙，或与框架柔性连接的墙板，二级且层数不超过五层、三级且层数不超过八层、四级框架等情况才可考虑粘土砖填充墙的抗侧力作用，但粘土砖填充墙应符合规范要求框架结构的布置-复习与提高(阅读资料)6666....楼、电梯间：抗震设计的框架结构中，当楼、电梯间采用钢筋混凝土墙时，结构分析计算中，应考虑该剪力墙与框架的协同工作。如果在框架结构中布置了少量剪力墙(例如楼梯间)，而剪力墙的抵抗弯矩少于总倾覆力矩的50%时，则规范要求该结构按框架结构确定构件的抗震等级，但是内力及位移分析仍应按框架-剪力墙结构进行，否则对剪力墙不利。如因楼、电梯间位置较偏等原因，不宜作为剪力墙考虑时，可采取将此种剪力墙减薄、开竖缝、开结构洞、配置少量单排钢筋等方法，以减少墙的作用，此时与墙相连的柱子，配筋宜适当增加。框架结构的布置-复习与提高(阅读资料)7.7.7.7.框架按支承楼板方式，可分为横向承重框架、纵向承重框架和双向承重框架。但是就抗风荷载和地震作用而言，无论横向承重还是纵向承重，框架都是抗侧力结构。8.8.8.8.框架沿高度方向各层平面柱网尺寸宜相同。柱子截面变化时，尽可能使轴线不变，或上下仅有较小的偏心。当某楼层高度不等形成错层时，或上部楼层某些框架柱取消形成不规则框架时，应视不规则程度采取措施加强楼层，如加厚楼板、增加边梁配筋。框架构件截面设计过程与重要规定-阅读材料1111、、、、框架结构的简化手算方法分析内力和位移，应分别在竖向荷载、风荷载或地震作用下单独进行计算，然后按非抗震设计时荷载效应的组合或抗震设计时荷载效应与地震作用效应的组合。2222、、、、组合后的框架侧向位移应校核是否满足位移限制值的要求。如果已满足，则按组合后的内力进行构件截面设计，不满足时，则应修改构件截面大小或提高混凝土强度等级，然后再进行内力和位移计算，直至侧向位移满足限制值。3333、、、、在高层建筑框架结构中，当竖向活荷载与永久荷载之比小于0.5时，可不考虑活荷载的不利布置。在竖向活荷载大于4KN/m2(如书库、仓库等)时，宜考虑活荷载不利布置引起的梁弯矩的增大。框架构件截面设计过程与重要规定-阅读材料4444、、、、风荷载及水平地震作用时，应按两个主轴方向作用分别进行内力和位移计算，每个方向水平力必须考虑正、反两个方向作用。在有斜交布置抗侧力框架结构中，当沿斜交方向作用的水平力可能使斜交抗侧力框架的内力比主轴方向水平力产生的内力更大时，则应计算这斜向水平力作用下的内力。5555、、、、内力组合后的取用值，梁端控制截面在柱边，柱端控制截面在梁底及梁顶。按轴线计算简图得到的弯矩和剪力值宜换算到设计控制截面处的相应值。为了简便设计，也可采用轴线处的内力值，但是这将增大配筋量和结构的承载力。6666、、、、框架梁、柱构件截面应分别按正截面承载力计算和斜截面承载力计算，并应按有关规定要求进行构造配筋。框架构件截面设计过程与重要规定-阅读材料7777、、、、有抗震设防的框架角柱，应按双向偏心受压构件计算。抗震等级为一、二、三、级时，角柱的内力设计值宜乘以增大系数。8888、、、、地震区的高层建筑框架结构，要求强柱弱梁、强剪弱弯、强底层柱根，抗震等级为一、二、三级时，梁、柱内力设计值均应乘以提高系数。9999、、、、框架梁、柱节点，应设计成强节点，使节点区在地震作用下能基本处于弹性状态，避免出现脆性破坏。抗震等级为一、二级时，节点应进行受剪承载力的验算。框架梁、柱节点区，必须配置箍筋，并保证梁的纵向钢筋锚固。1、轴压比轴压比轴压比轴压比：轴压比是指有地震作用组合的柱组合轴压力设计值与柱的全截面面积和砼轴心受压抗压强度设计值乘积的比值，是影响柱子破坏形态和延性的主要因素之一。轴压比限值的依据是理论分析和试验研究并参照国外的类似条件确定的，其基准值是对称配筋柱大小偏心受压状态的轴压比分界值。规范对墙肢和柱均有相应限值要求，见抗规6.3.7和6.4.6，在剪力墙的轴压比计算中，轴力取重力荷载代表设计值，与柱子的不一样。2、剪重比剪重比剪重比剪重比：主要为控制各楼层最小地震剪力，确保结构安全性，见抗规5.2.5。3、侧向刚度比侧向刚度比侧向刚度比侧向刚度比：主要为控制结构竖向规则性。位移比：主要为控制结构平面规则性，以免形成扭转，对结构产生不利影响。控制比例为1.5。见抗规3.4.2、3.4.3。4、剪跨比剪跨比剪跨比剪跨比：梁的剪跨比，剪力的位置a与h0的比值。剪跨比影响了剪应力和正应力之间的相对关系，因此也决定了主应力的大小和方向，也影响着梁的斜截面受剪承载力和破坏的方式；同时也反映在受剪承载力的公式上。柱的剪跨比：若反弯点在柱子层高范围内，可取柱子的剪跨比小于2时，需要全长加密，见混凝土规范11.4.12、11.4.17。砼结构若干限值的意义汇总-15、周期比周期比周期比周期比：为控制结构扭转效应，减小扭转对结构产生的不利影响，见高规4.3.5。6、刚重比刚重比刚重比刚重比：主要为控制结构的稳定性，以免结构产生滑移和倾覆，要求见高规。7、剪压比剪压比剪压比剪压比（梁柱截面上的名义剪应力V/fcbh0与混凝土轴心抗压强度设计值的比值）：梁塑性铰区的截面剪压比对梁的延性、耗能能力及保持梁的强度、刚度有明显的影响，当剪压比大于0.15的时候，梁的强度和刚度有明显的退化现象，此时再增加箍筋用量，也不能发挥作用，因此对梁柱的截面尺寸有所要求。8、跨高比跨高比跨高比跨高比：梁的跨高比（梁的净跨与梁截面高度的比值）对梁的抗震性能有明显的影响。梁（非剪力墙的连梁）的跨高比小于5和深梁都按照深受弯构件进行计算的。随着跨高比的增大受剪承载力降低。9、延性比延性比延性比延性比：延性比即为弹塑性位移增大系数。延性是指材料、构件、结构在初始强度没有明显退化的情况下的非弹性变形能力。延性比主要分为三个层面，即截面的延性比、构件的延性比和结构的延性比。结构的延性比多指框架或者剪力墙等结构的水平荷载-顶层水平位移（P-Δ）、水平荷载-层间位移等曲线。砼结构若干限值的意义汇总-2框架梁端截面抗震设计要求按强剪弱弯的要求，在梁端形成塑性铰（正截面弯曲破坏）梁端形成塑性铰以后，仍然由足够的抗剪承载力。梁中钢筋屈服以后，塑性铰区应该有较好的延性和耗能能力。防止因塑性铰的形成而影响梁柱节点，要解决好锚固问题。6.2.1框架梁的破坏形态与延性6.2.2梁截面抗弯设计6.2.3梁的抗剪设计6.2.4构造措施例题6-1(P.169)6.2梁截面设计及构造6.2框架梁抗震设计框架梁是钢混框架结构的主要耗能构件影响框架梁延性和耗能的主要因素：
1破坏形态剪切破坏脆性，通过强剪弱弯加以避免弯曲破坏少筋，适筋，超筋
2截面混凝土相对受压区高度－6.2.2节相对受压区高度小者延性好。
3塑性铰区混凝土的约束程度－6.2.3节梁的抗震设计要点－强剪弱弯保证适筋梁－避免正截面少筋和超筋；保证正截面弯曲破坏在先；避免出现斜截面先破坏－强剪弱弯采用配受压区钢筋可提高梁的延性；塑性铰区应配受压钢筋形成双筋截面；塑性铰区应加密箍筋，加大箍筋直径、采用闭口箍。以保证抗剪强度。剪切破坏为脆性破坏要加以避免弹性阶段和塑性阶段(出现塑性铰)都不能发生剪切破坏注意：强剪弱弯包括梁、柱，同时包括变形的各阶段。提高适筋梁的延性(P.148)受压区高度减小则延性增加(截面曲率增加)。减小受拉钢筋配筋率，可减小受压区高度增加受压钢筋配筋率,，可减小受压区高度)(1sscyffffyyρραξ′-=′=f*为钢筋和混凝土的强度设计值受拉、受压钢筋配筋率相对受压区高度=x/h0例题P.169设计AB跨的梁梁的组合弯矩剪力设计值梁中材料和尺寸均已选定抗震设计流程钢钢钢钢筋筋筋筋混混混混凝凝凝凝土土土土砼砼砼砼结结结结构构构构设设设设计计计计步步步步骤骤骤骤结构布置初选材料尺寸场地类别重要性等级抗震等级等效地震荷载结构抗震计算荷载效应组合结构弹性变形验算(小震)截面尺寸验算配筋构造结构施工图结构计算恒、活、风确定荷载恒、活、风结构计算简图分层法D值法底部剪力法