6 钢筋混凝土框架构件设计Ⅰ

1周葆春土木工程学院Email：[e-mail]版权说明：本课件仅供用于非赢利教育目的第6章钢筋混凝土框架构件设计PPT:[e-mail](password:foundation)22框架是框架结构、框－剪结构及框架－筒体结构中的基本结构单元。各种体系的内力计算方法有所不同，但在求出内力以后，都要通过内力组合求出梁、柱控制截面的最不利内力，然后进行截面配筋计算及构造设计。框架梁按照受弯构件设计，框架柱按照压弯构件设计。梁、柱截面的一般配筋计算及构造在《钢筋混凝土基本构件》中已有详细讨论。本章重点讨论高层框架结构梁、柱及其节点的抗震设计方法。336.1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446.1延性耗能框架的概念设计在强震作用下要求结构处于弹性状态是没有必要的，也是不经济的。通常的做法是在中等烈度的地震作用下允许结构某些杆件屈服，出现塑性铰，结构刚度降低，塑件变形加大。当塑性铰达到一定数量时，结构会出现“屈服”现象，即能承受的地震作用不再增加或增加很少，而结构变形迅速增加。如果结构能维持承载能力的同时具有较大的塑性变形能力，就称为延性结构，它的性能可以用荷载－位移曲线描述。结构的延性能力通常用顶点水平位移延性比来衡量。延性比定义为μ＝Δu/Δy，其中Δy为结构“屈服”时的顶点位移；Δu为能维持承载能力的最大顶点位移。55结构的延性能力通常用顶点水平位移延性比来衡量。延性比定义为μ＝Δu/Δy，其中Δy为结构“屈服”时的顶点位移；Δu为能维持承载能力的最大顶点位移。66框架顶点水平位移是由各个杆件的变形形成的。当各杆件都处于弹件阶段时，结构的变形也是弹性的。当杆件屈服后，结构就出现塑性变形。在框架中，塑性铰可能出现在梁上，也可能出现在柱上。因此，梁、柱构件都应有良好的延性。构件延性以构件的变形或塑性铰转动能力来衡量，称为构件位移延性比μf＝fu/fy或截面曲率延性比μφ＝φu/φy。77延性框架的设计原则非抗震及抗震结构在结构设计上有许多不同之处，根本区别在于非抗震结构在外荷载作用下结构处于弹性状态或仅有微小裂缝，构件设计主要是满足承载力要求；而抗震结构在设防烈度下，构件进入了塑性变形状态。为了实现抗震设防目标，钢筋混凝土框架除了必须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。延性是指强度或承载力没有大幅度下降情况下的屈服后变形能力；耗能能力用往复荷载作用下构件或结构的力－变形滞回曲线包含的面积度量。试验表明：梁的耗能能力大于柱的耗能能力，构件弯曲破坏的耗能能力大于剪切破坏的耗能能力。88延性大的结构，可通过变形耗散大量的地震能量，从而导致框架上的地震作用在一定时间内维持基本不变；当结构延性较差时，地震作用下的高层框架结构容易发生脆性破坏而突然倒塌。对高层框架而言，一般认为延性比的取值在3～4之间为好。大量震害调查和试验表明，经过合理设计，钢筋混凝土框架可以达到所需要的延性，称为延性框架结构。991.强柱弱梁框架的设计原则在强震时，结构会进入弹塑性阶段，可能会在梁和柱的某些部位出现塑性铰。在框架结构中，塑性铰可能出现在梁上，也可能出现在柱上。一般来说，塑性铰出现在梁上较为有利，如图（a）所示。在梁端出现的塑性铰数量可以很多而结构不至于形成机动体系，每一个塑性铰都能吸收和耗散一部分地震能量。此外，梁是受弯构件，而受弯构件处理得当能够具有较好的延性。如果塑性铰出现在柱中，很容易形成机动体系，如图（b）所示。1010抗震设计时，控制节点附近梁端和柱端的承载力设计值，使柱的受弯承载力高于梁的受弯承载力，这样就可以控制柱的破坏不至于发生在梁破坏之前，破坏时形成延性较好的梁铰型机构，这就是强柱弱梁的设计原则。强柱弱梁也就是控制塑性铰的位置。112.强剪弱弯的设计原则要保证框架结构有一定的延性，就必须保证梁柱构件具有足够的延性。梁、柱剪切破坏往往因混凝土强度不足引起，是脆性破坏，延性小，构件的耗能能力差；而弯曲破坏多因钢筋屈服引起，为延性破坏，构件的耗能能力大。弯曲（压弯）破坏优于剪切破坏。因此，设计时可以通过控制截面和配筋，保证构件抗剪承载力分别大于其受弯承载力对应的剪力，使剪切破坏不在弯曲破坏之前发生，则构件的延性就可以得到保证。这就是强剪弱弯的设计原则。强剪弱弯是为了控制构件的破坏形态。12123.强节点、强锚固的设计原则要设计延性框架，除了梁、柱构件必须具有延性外，还必须保证各构件的连接节点不过早出现破坏。连接框架梁、柱的节点受力比较复杂，而且容易发生非延性的剪切破坏，从而引起更为严重的后果。因此，设计时应使节点不在与其相连的梁端、柱端破坏之前失效，这就是强节点的设计原则。在地震往复作用下，伸入核芯区的纵筋与混凝土之间的粘结破坏，会导致梁端转角增大，从而增大层间位移。因此，框架设计的重要环节之一是避免梁、柱节点核心区破坏以及纵筋在核心区锚固破坏，同时还要保证支座连接不发生破坏。强节点、弱构件是为了保证节点区的承载力，核芯区的受剪承载力应大于汇交在同一节点的两侧梁达到受弯承载力时对应的核心区的剪力。在梁、柱塑性铰充分发展前，节点核芯区不应破坏。13134.限制轴压比的设计原则钢筋混凝土柱大偏压破坏优于小偏压破坏，钢筋混凝土小偏心受压柱的延性和耗能能力显著低于大偏心受压柱，主要是因为小偏压柱相对受压区高度大，延性和耗能能力降低。因此，要限制抗震设计的框架柱的轴压比（平均轴向压应力与混凝土轴心抗压强度之比），并采取配置足够箍筋等措施，以获得较大的延性和耗能能力。5.局部加强的设计原则提高和加强柱根部以及角柱、框支柱等受力不利部位的承载力和抗震构造措施，推迟或避免其过早破坏。14高层框架结构设计的一般规定15161718192021222324246.2框架梁抗震设计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梁的抗剪验算6.2.4构造措施2525框架梁是钢筋混凝土框架的主要延性耗能构件，框架的延性特别需要梁的延性来保证。在地震作用下，框架结构的合理屈服机制是在梁上出现塑性铰。结构进入弹塑性状态时，既允许塑性铰在梁上出现，又不要发生梁剪切破坏，同时还要防止由于梁筋屈服渗入节点而影响节点核心的性能，这就是对梁端抗震设计的要求。具体说来，即梁形成塑性铰后仍有足够的受剪承载力；梁筋屈服后，塑性铰区段应有较好的延性和耗能能力；妥善地解决梁筋锚固问题。在强柱弱梁结构中，主要由梁构件的延性来提供框架结构的延性。因此要求设计良好延性的框架梁。影响梁的延性和耗能的主要因素有：破坏形态，截面混凝土相对受压区高度，塑性铰区混凝土约束程度等。26266.2.1框架梁的破坏形态与延性钢筋混凝土受弯构件有两种破坏可能：弯曲破坏与剪切破坏。弯曲破坏时，由于纵筋配筋率的影响，可能出现三种破坏形态：少筋梁在钢筋屈服后立即被拉断而发生断裂破坏，这是一种脆性破坏；超筋梁则由于受拉钢筋配置过多，在钢筋未屈服前混凝土就被压碎而丧失承载能力，这种破坏无预兆，也是一种脆性破坏；适筋梁在钢筋屈服之后，由于钢筋屈服形成塑性铰、中和轴上升，直到受压区混凝土被压碎而破坏，属于延性破坏。梁的剪切破坏是脆性的，或延性很小。要防止梁在屈服前出现剪切破坏，即要求强剪弱弯。27271.梁截面抗弯配筋与延性控制框架梁混凝土受压区的目的是控制塑性铰区纵向受拉钢筋的最大配筋率。试验表明，当纵向受拉钢筋配筋率很高时，梁受压区的高度相应加大，截面上受到的压力也大，梁的变形能力随截面混凝土受压区的相对高度增大而减小。为防止框架梁因过高的配筋率而不能满足延性的要求，对梁的混凝土受压区高度应根据不同抗震等级加以限制，受压区高度小则有利于提高梁的延性。当ξ（x/h0）为0.20～0.35时，梁的位移延性可达3～4。6.2.2梁截面抗弯设计2828另外，梁端截面上纵向受压钢筋与纵向受拉钢筋保持一定的比例，对梁的延性也有较大的影响。原因是：一定的受压钢筋可以减小混凝土受压区高度；在地震作用下，梁端可能会出现正弯矩，如果梁底面钢筋过少，梁下部破坏严重，也会影响梁的承载力和变形能力。因此，梁端部截面必须配置一定的受压钢筋用以提高梁的截面延性。2929双筋矩形截面适筋梁相对受压区高度11sysyccffffρρξαα′′=−可见，增大受拉钢筋的配筋率，相对受压区高度增大；增大受压钢筋的配筋率，相对受压区高度减小。因此，为实现延性钢筋混凝土梁，应限制梁端塑性铰区上部受拉钢筋的配筋率，同时，必须在梁端下部配置一定量的受压钢筋，以减小框架梁端塑性铰区截面的相对受压区高度。ρs、ρ′s：受拉钢筋和受压钢筋的配筋率；fy、f′y：受拉钢筋和受压钢筋的抗拉强度设计值；α1：与混凝土等级有关的等效矩形应力图形系数，当混凝土强度等级不超过C50时取1.0，当混凝土强度等级为C80时取0.94，当混凝土强度等级在C50和C80之间时，按线性内插值取用；fc：混凝土轴心抗压强度设计值。bxα1fc＋A′sfy＝Asfy30302.梁截面抗弯验算（1）无地震作用组合时：bxα1fc＋A′sfy＝AsfyMb≤(As－A′s)fy(hb0－0.5x)＋A′sfy(hb0－a′)（2）有地震作用组合时：试验研究表明，在低周反复荷载作用下，构件的正截面承载力与一次加载时的正截面承载力没有太多差别。因此，对框架梁正截面承载力仍可用非抗震设计的相应公式计算，但应考虑相应的承载力抗震调整系数。bxα1fc＋A′sfy＝Asfy[(As－A′s)fy(hb0－0.5x)＋A′sfy(hb0－a′)]Mb≤REγ1Mb：组合的梁端截面弯矩设计值；As、A′s：受拉钢筋面积和受压钢筋面积；a′：受压钢筋中心至截面受压边缘的距离；γRE：承载力抗震调整系数，取0.75。对受拉钢筋合力作用点取矩31316.2.3梁的抗剪验算梁的受剪承载力由混凝土和抗剪钢筋两部分组成。试验研究表明，在低周反复荷载作用下，构件上出现两个不同方向的交叉斜裂缝，直接承受剪力的混凝土受压区因有斜裂缝通过，受剪承载力比一次加载时的受剪承载力要低，梁的受压区混凝土不再完整，斜裂缝的反复张开与闭合，使骨料咬合作用下降，严重时混凝土将剥落。根据试验资料，反复荷载下梁的受剪承载力比静载下约低20%～40％。32323333抗震设计时，框架梁、柱、剪力墙和连梁等构件的斜截面混凝土受剪承载力取非抗震设计时混凝土相应受剪承载力的0.6，同时应考虑相应的承载力抗震调整系数，并且要满足强剪弱弯的要求。因此，在抗震设计和非抗震设计时抗剪承载力有所不同。抗剪承载力验算公式为：34（1）无地震作用组合时3535（2）有地震作用组合时36366.2.4构造措施1梁截面尺寸2相对受压区高度和纵向钢筋最小配筋率3纵向钢筋的配置4梁端箍筋加密区要求5箍筋构造1.梁截面尺寸框架梁的截面尺寸应满足三方面的要求：承载力要求、构造要求、剪压比限值。37框架主梁的截面高度可按（1/10～1/18）l确定，l为主梁计算跨度，满足此要求时，在一般荷载作用下，可不验算挠度。在地震作用下，梁端塑性铰区混凝土保护层容易剥落。如果梁截面宽度过小则截面损失比例较大，故一般框架梁宽度不宜小于200mm。构造要求3838为了对节点核心区提供约束以提高节点受剪承载力，梁宽不宜小于柱宽的1/2。狭而高的梁不利于混凝土约束，也会在梁刚度降低后引起侧向失稳，故梁的高宽比不宜大于4。梁的塑性铰区发展范围与梁的跨高比有关，当跨高比小于4时，属于短梁，在反复弯剪的作用下，斜裂缝将沿梁全长发展，从而使梁的延性和承载力急剧降低。所以，梁净跨与截面高度之比不宜小于4。3939剪压比限值梁端塑性铰区的截面剪应力大小对梁的延性、耗能及保持梁的刚度和承载力有明显影响。根据反复荷载下配箍率较高的梁剪切试验资料，其极限剪压比平均值约为0.24。当剪压比大于0.30时，即使增加配箍，也容易发生斜压破坏。剪压比限值，主要是防止发生剪切斜压破坏，其次是限制使用荷载下斜裂缝的宽度，同时也是梁的最大配箍条件。因此框架梁的截面应