第6章 钢筋砼框架构件设计

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问题：为什么要把框架设计成延性耗能框架呢？1.延性结构用它的变形能力而不是承载力来抵抗罕遇地震作用。---第四章2.请结合三水准抗震设防目标和两阶段设计方法来加以理解。---第三章结论：地震区钢筋混凝土框架都应当设计成延性结构，大量震害调查和试验表明，这种结构经过中震后加以修复仍可重新使用，在强地震作用下也不至于倒塌。一、延性、滞回曲线二、延性结构设计原则三、关于结构概念设计§6.1延性耗能框架的概念设计§6.1延性耗能框架的概念设计一、延性、滞回曲线延性是指结构或构件能维持承载能力而又具有较大的塑性变形能力的性能，一般用延性比表示延性的大小延性比定义：——结构或构件屈服时的位移——承载力降低（降低10～20％）时的极限位移yu/yu顶点位移Δ△y△u延性结构荷载——位移关系maxpupyp滞回曲线（P146）：1、钢筋混凝土的滞回曲线为“荷载-位移”曲线。2、采用低周往复循环的静力加载试验方法来研究。3、滞回环包围的面积——荷载正反交变一周时结构所吸收的能量。显然，滞回环饱满者有利于结构的抗震。4、轴压比为0（受弯构件），滞回曲线十分饱满，有优越的延性和耗能性能；5、轴压比不为0（压弯构件）：轴压比提高，延性明显下降，滞回环捏拢但不严重。6、剪切破坏，延性小，捏拢严重，耗能能力差。二、延性结构设计原则（1）强柱弱梁（或强墙弱梁）（2）强剪弱弯（3）强节点、强锚固（4）局部加强（5）限制轴压比，加强柱箍筋对混凝土的约束。要控制梁、柱的相对强度，使塑性铰首先在梁端出现，尽量避免或减少柱子中的塑性铰。（1）强柱弱梁（或强墙弱梁）（2）强剪弱弯梁、柱弯曲破坏是延性破坏，耗能能力好，剪切破坏是脆性破坏，耗能能力差。（3）强核芯、强锚固梁、柱塑性铰充分发挥前，核芯区不破坏。纵筋锚固长度要足够，避免支座连接和锚固发生破坏。（4）局部加强受力不利部位要加强，如柱根部，角柱，框支柱、错层柱等（5）限制轴压比，加强柱箍筋对混凝土的约束。轴压比大的构件屈服后的变形能力小，滞回曲线捏拢严重，耗能能力变差。箍筋对混凝土的约束程度与箍筋的抗拉强度、数量以及箍筋的形式有关。三、关于结构概念设计是保证结构具有优良抗震性能的一种方法。概念设计包含极为广泛的内容，选择对抗震有利的结构方案和布置，采取减少扭转和加强抗扭刚度的措施，设计延性结构和延性结构构件，分析结构薄弱部位，并采取相应的措施，避免薄弱层过早破坏，防止局部破坏引起连锁效应，避免设计静定结构，采取二道防线措施等等。应该说，从方案、布置、计算到构件设计、构造措施每个设计步骤中都贯穿了抗震概念设计内容。6.2框架梁抗震设计一、框架梁的破坏形态与延性三、框架梁抗剪验算（略）四、框架梁构造措施二、框架截面抗弯设计（略）6.2框架梁抗震设计弯曲破坏超筋破坏一、框架梁的破坏形态与延性剪切破坏适筋破坏少筋破坏斜压破坏剪压破坏斜拉破坏其他都是脆性破坏，要保证强剪弱弯延性破坏1、破坏形态1）纵筋配筋率（影响相对受压区高度）受拉纵筋配筋率增大，相对受压区高度增大，延性减小受拉纵筋配筋率减小，相对受压区高度减小，延性增大受压纵筋配筋率增大，相对受压区高度减小，延性增大受压纵筋配筋率减小，相对受压区高度增大，延性减小2、影响框架梁延性的因素2）剪压比（限制截面最小尺寸）3）跨高比（随着跨高比的减小，剪力的影响加大）hln＝梁截面高度梁净跨跨高比＝4/,2/hlhlnn极差；产生斜裂缝破坏，延性0bhfVc＝砼轴心抗压强度截面平均剪应力剪压比＝4）塑性铰区的箍筋用量在塑性铰区配置足够的封闭式箍筋，对提高塑性铰的转动能力十分有效。规定：在框架梁塑性铰区范围内，箍筋必须加密。2、影响框架梁延性的因素二、框架截面抗弯设计（P149略）1、无地震作用组合时sycsycsyAfbhfAfbxfAf011ahAfbhfahAfxhbxfMMsycsycu02010015.0122、有地震作用组合时sycsycsyAfbhfAfbxfAf011ahAfbhfahAfxhbxfMMsycREsycREu02010015.011211）一、二、三级非加密区，四级和非抗震框架梁无需调整GbnrblbVbVlMMV/)(3）9度抗震设计的结构和一级框架结构尚应符合GbnrbualbuaVlMMV/)(1.1——分别为梁左右端逆时针或顺时针方向截面组合的弯矩设计值.当抗震等级为一级且梁两端弯矩均为负弯矩时,绝对值较小一端的弯矩应取零——梁端剪力增大系数，一、二、三级分别取1.3、1.2、1.1——梁的净跨——考虑地震作用组合的重力荷载代表值作用下，按简支梁分析的梁端截面剪力设计值rblbMM、VbnlGbV三、框架梁抗剪验算（P150略）1、剪力设计值调整（据强剪弱弯调整）2）一、二、三级抗震梁端箍筋加密区调整三、框架梁抗剪验算（P151略）2、受剪承载力验算（略）1）无地震作用组合的剪力：0025.17.0hsAfbhfVVsvyvtcs集中荷载为主的梁)175.1(00hsAfbhfVVsvyvtcs均布荷载为主的梁2）有地震作用组合的剪力，按下式计算一般梁)25.142.0(100hsAfbhfVVsvyvtREcs)105.1(100hsAfbhfVVsvyvtREcs集中荷载为主的梁均布荷载为主的梁四、框架梁构造措施1、最小截面尺寸承载力要求：通过承载力验算实现构造要求：主梁截面高度剪压比限值：bblh)181~101(4/0bhlmmb2004/bhb主梁计算跨度bl025.0bhfVcc1）无地震作用组合时2）有地震作用组合时跨高比大于2.5)2.0(10bhfVccRE)15.0(10bhfVccRE跨高比不大于2.5——混凝土强度影响系数C四、框架梁构造措施2、相对受压区高度和纵筋配筋率1）相对受压区高度限制一级框架梁端025.0bhx二、三级框架梁端035.0bhx跨中、四级和非抗震框架梁端0bbhx5.0/ssAA3.0/ssAA2）纵向配筋率抗震设计时，梁端纵向受拉钢筋配筋率不应大于2.5%梁顶和梁底的贯通钢筋：一、二级框架：三、四级框架：142122四、框架梁构造措施2、相对受压区高度和纵筋配筋率2）纵向配筋率梁纵向受拉钢筋的最小配筋率（％）截面非抗震抗震等级一级二级三、四级支座0.2和45ft/fy中的较大值0.4和80ft/fy中的较大值0.3和65ft/fy中的较大值0.25和55ft/fy中的较大值跨中0.3和65ft/fy中的较大值0.25和55ft/fy中的较大值0.2和45ft/fy中的较大值为了防止粘结破坏，一、二级抗震等级的框架梁内贯通中柱的每根纵向钢筋直径，对矩形柱，不宜大于柱在该方向截面尺寸的1/20，对圆形柱，不宜大于纵向钢筋所在位置截面弦长的1/20。四、框架梁构造措施3、梁端箍筋加密区要求梁端箍筋加密区长度、箍筋最大间距和最小直径抗震等级加密区长度（mm）（取较大值）箍筋最大间距（mm）（取最小值）箍筋最小直径（mm）一级2hb，500hb/4,6d,10010二级1.5hb，500hb/4,8d,1008三级1.5hb，500hb/4,8d,1508四级1.5hb，500hb/4,8d,1506注：1）d为纵筋直径，hb为梁截面高度2）当梁端纵向受拉钢筋配筋率大于2％时，表中箍筋最小直径加2mm3）非加密区箍筋最大间距不宜大于加密区箍筋间距的2倍四、框架梁构造措施4、箍筋构造1）框架梁不宜采用弯起钢筋抗剪)75,10max(mmd一级yvtsvff/3.0二级yvtsvff/28.0三、四级yvtsvff/26.05）沿框架梁全长箍筋的面积配箍率要求：3）箍筋必须为封闭箍，应有135o弯钩，直段长度2）加密区箍筋肢距：一级框架不宜大于200mm和20倍箍筋直径中较大值；二、三级不宜大于250mm和20倍箍筋直径中较大值；四级框架不宜大于300mm4）第一个箍筋应设置在距支座边缘50mm处6.3框架柱抗震设计一、框架柱的破坏形态与延性四、框架柱构造措施二、框架柱压弯承载力验算（略）三、框架柱抗剪验算(略)6.3框架柱抗震设计大偏压破坏：压弯或弯曲破坏一、框架柱的破坏形态与延性剪切破坏剪切受压破坏剪切受拉破坏剪切斜拉破坏脆性破坏，应避免延性破坏1、破坏形态小偏压破坏脆性破坏2、破坏特点角柱重于中柱短柱重于一般柱柱底重于柱顶1）剪跨比：反映柱截面所承受的弯矩与剪力相对大小的参数3、影响框架柱延性的因素0/cVhM剪跨比λ＜1.5时——极短柱——一般出现剪切斜拉破坏，几乎没有延性剪跨比λ2时——长柱——弯曲破坏，仍需要配置足够的抗剪箍筋剪跨比λ≤2时——短柱——剪切破坏，配置足够的抗剪箍筋，可能出现稍有延性的剪压破坏我们常用柱的长细比(框架柱的净高与截面高度之比)近似反映剪跨比的影响。新抗震规范中规定,框架柱的长细比宜大于4。2）轴压比3、影响框架柱延性的因素cccfhbNN——组合的柱轴力设计值fc——混凝土轴心抗压强度设计值bc、hc——柱截面宽度和高度试验结果：相对受压区高度增大，延性系数减小；轴压比大，变形能力小，耗能能力小，延性差。轴压比较小时，柱截面受压区高度较小轴压比较大时，柱截面受压区高度较大大偏心破坏小偏心破坏规范：限制轴压比来满足大偏压延性破坏。结论：长柱中,轴压比愈大,混凝土压区高度愈大,压弯构件会从受拉钢筋首先屈服的具有较好延性的大偏压破坏状态向小偏压破坏状态过渡,而小偏压破坏延性很小或者没有延性。因此,长柱的抗震设计一般应控制在大偏压破坏范围内。短柱中,较大轴压比也会改变柱的破坏形式,即从剪切破坏变为脆性的斜拉破坏,破坏时承载能力突然丧失,因此必须控制轴压比。3）箍筋3、影响框架柱延性的因素作用：抵抗剪力对混凝土提供约束防止纵筋压屈配箍特征值：箍筋抗拉强度和数量，砼强度配箍形式：普通箍，复合箍，螺旋箍，连续复合矩形螺旋箍配箍间距：间距越小，约束越均匀cyvvvff箍筋的体积配箍率:v配箍特征值:v箍筋的抗拉强度设计值:yvf普通箍：单个矩形箍和单个圆形箍复合箍：由矩形、多边形、圆形箍或拉筋组成的箍筋复合螺旋箍：由螺旋箍和矩形、多边形、圆形箍或拉筋组成的箍筋连续复合矩形螺旋箍：全部螺旋箍为同一根钢筋加工而成的箍筋二、框架柱压弯承载力验算（略）1、轴力、弯矩设计值1）按强柱弱梁调整柱端弯矩设计值一、二、三级框架柱：轴力取最不利内力组合；弯矩要调整增大无地震作用组合及四级框架柱：取最不利内力组合一、二、三级框架9度抗震设计的结构和一级框架结构尚应符合——节点上下柱端截面顺时针或逆时针方向组合弯矩设计值之和，上下柱端的弯矩设计值，可按弹性分析的弯矩比例进行分配——节点左右梁端截面顺时针或逆时针方向组合弯矩设计值之和，当抗震等级为一级且节点左右梁端均为负弯矩时，绝对值较小的弯矩取为零——柱端弯矩增大系数，一、二、三级分别取1.4、1.2、1.1bCCMMbuaCMM2.1CMbMC二、框架柱压弯承载力验算(略)1、轴力、弯矩设计值2）框架柱固端弯矩增大一、二、三级框架增大系数：1.5,1.25,1.153）框支柱当框支柱多于10根，柱承受的弯矩之和不小于该楼层地震剪力的20％当框支柱少于10根，每根柱承受的弯矩不小于该楼层地震剪力的2％轴力不调整4）角柱按上述方法调整后的组合弯矩设计值再乘以不小于1.10的增大系数二、框架柱压弯承载力验算(略)2、柱正截面受弯承载力验算2）有地震作用组合时)()2/(1)()2/(00110