5_多层及高层钢筋混凝土房屋抗震设计

第5章多层及高层钢筋混凝土房屋抗震设计（框架结构）§5.1概述一.多高层建筑的结构形式框架、抗震墙、框架－抗震墙及框架－简体等结构体系二.抗震设计的内容抗震概念设计：结构体系选择，结构布置，一般规定等。抗震计算设计：内力，强度，变形等。抗震的构造措施设计等。§5.2抗震设计的一般要求（概念设计）一.结构体系选择多高层钢筋混凝土房屋的结构体系有：框架、抗震墙、框架－抗震墙及框架－简体等结构体系。根据房屋的高度等可选择不同的体系（表5.1）。二.结构布置1.结构布置的基本原则是：①结构平面应力求简单规则，结构的主要抗侧力构件应对称均匀布置，尽量使结构的刚心与质心重合，避免地震时引起结构扭转及局部应力集中。刚度中心质量中心②结构的竖向布置，应使其质量沿高度方向均匀分布，避免结构刚度突变，并应尽可能降低建筑物的重心，以利结构的整体稳定性。③合理地设置变形缝。④加强楼屋盖的整体性。使结构受力均匀。⑤尽可能做到技术先进，经济合理。2.框架结构布置A,一般的柱网形式。承重框架宜双向设置。楼电梯间不宜设在结构单元的两端及拐角处。B地震区的框架结构，应设计成延性框架，遵守“强柱弱梁”、“强剪弱弯”、强节点、强锚固等设计原则。3、抗震等级体现在同样地震烈度下不同结构类型的钢筋砼房屋不同的抗震要求。如：次要的抗侧力结构单元的抗震要求可以低于主要的抗侧力结构单元。抗震等级分为四级，结构的抗震等级越高，抗震措施越高。C框架结构梁柱截面尺寸要求（作业）框架结构设计的过程及内容：结构布置及构件截面尺寸确定——计算简图——荷载计算——重力荷载代表值计算——水平（地震）作用计算——内力计算（竖向、水平向）——内力组合——截面强度计算——变形验算——构造措施等§5.3框架内力与位移计算一、水平地震作用的计算（一）计算简图横向框架；纵向框架跨度，层高，荷载作用位置和大小（一）、水平地震作用的计算一般情况下可用底部剪力法周期计算可采用顶点位移法非结构墙体影响系数eqEkGFTtuT7.110.6~0.8T各楼层地震作用标准值EknjjiiiFHGHGF)1(顶层附加地震作用EknnFF二、水平地震作用下框架内力计算（1)反弯点法反弯点法适用条件：层数较少，梁柱线刚度比大于3时。反弯点位置：上部0.5H，底层0.7H内力计算步骤：层间剪力分配到柱——计算柱弯矩——根据节点平衡计算梁弯矩。(2)、D值法（改进反弯点法）考虑上下梁刚度的影响，对反弯点位置加以修正。计算步骤如下：①、计算各层柱的侧移刚度Da——修正系数，由梁柱线刚度比定。1312hEID312cEIDhhEIkcc212cDkh柱线刚度ckkkk221ckkkkkk24321kk2ckkk3ckkkk65kk25.0cK2K1KcK4K1K2K3K3KcK5KcK6Kα取值边柱中柱一般层底层②、计算各柱分配剪力③、确定反弯点高度yy0——标准反弯点高度比，查附表5-1P181y1——上、下梁线刚度不同，对y0的修正值弯点上移，y1为正值弯点下移，y1为负值ijjijVDDVhyyyyy)(32101K2K4K3K143211kkkk121431kkkky2——上层层高与本层层高不同时，反弯点高度修正值。由和查表。④、计算柱端弯矩上端下端hhu2k()cijMVhy上y3——下层层高与本层层高不同时，反弯点高度修正值。上cM下cMijVycijMVy下⑥、梁端剪力⑦、计算柱轴力N，为各层柱上梁端剪力之和lMMVrblbbbVlbMrbMbV⑤、计算梁端弯矩1k2k112(bcckMMMkk左上下）212(bcckMMMkk右上下）三、框架结构设计例题某综合服务楼，主体为8层钢筋混凝土框架结构，空心砖填充墙，局部9层，梁板柱均为现浇。柱网布置、建筑层高及横剖面简图见图，底层柱截面尺寸；中柱650mm×650mm，边柱550×550mm。柱混凝土1～3层C40，4～~9层C30。楼板采用双向连续板。纵横向框架梁截面400mm×650mm，梁混凝土C30。设防烈度8度，设计基本地震加速度为0.20g，I类场地土，设计地震分组为二组，抗震等级为二级。要求进行横向框架设计。计算步骤：重力荷载代表值计算刚度计算：梁，柱，层自振周期计算地震作用计算地震作用的分配地震作用下的内力计算竖向荷载下的内力计算内力组合强度、变形计算计算简图【解］（1）．重力荷载计算恒荷载取全部，活荷载取50％，各层重力荷载集中于楼屋盖标高处，其代表值为；9层1800kN，8层11570kN，2～7层9597kN，底层9623kN。（2）．梁柱刚度计算（为计算框架的自振周期）①梁的线刚度如表5．14。对于现浇砼框架梁：Ib=1.5I0Ib=2.0I0考虑板的影响边框架中框架注意区分不同位置的框架柱刚度影响因素：层位置；砼等级；截面尺寸；层高。还有：边框架；中框架；边柱；中柱等。边框架边框架中框架区分边框架与中框架，是考虑梁的刚度不同。区分边柱与中柱，是考虑梁的约束不同。②柱的侧移刚度D值如表515及表5．16。cK2K1K3KcK①①②③④⑤⑥⑦⑦②②将各层不同柱的刚度都计算出来。将各层柱的总刚度汇总（3）.自振周期计算按顶点位移法计算，考虑填充墙对框架刚度的影响，取基本周期调整系数a0=0.6。计算公式为将各层的重力荷载代表值看作水平荷载，计算其产生的框架顶点位移。V层间刚度层间位移累积位移（4）．横向地震作用计算地震作用按8度设计基本地震加速度0.2g，Ⅰ类场地，设计地震分组按二组，则Tg=0.3s，amax=0.16，采用底部剪力法计算。由于T=0.715＞1.4Tg=0.425，故应考虑顶点附加地震作用，取顶点附加地震作用各层地震作用分配：注意：第9层考虑鞭梢作用。第8层考虑顶点附加地震作用。（5）弹性层间变形验算（6）．地震作用下框架的内力分析作为例题，此处取横向框架KJ－4为例，KJ－4柱端弯矩计算结果详见表5．20.imimiiDVVDy为反弯点高度；imMVyh下1imiMVyh上上cM下cMijVy柱剪力分配地震作用下框架梁端弯矩：将柱端弯矩在梁端分配，使梁端弯矩与柱端弯矩相等。1k2k112(bcckMMMkk左上下）212(bcckMMMkk右上下）地震作用下的梁端剪力及柱轴力：lMMVrblbbbVlbMrbMbV梁端剪力之合为柱轴力四、竖向荷载作用下框架内力计算分层法和弯矩二次分配法1)分层法（弯矩分配法）3层2层1层特点：底层其它层柱线刚度不变0.9传递系数1/21/3将各层计算结果叠加。对于不平衡弯矩较大节点再分配一次（不再传递）。2)弯矩二次分配法过程：计算各节点固端弯矩（不平衡弯矩）——分配（第一次）和传递同时进行——再分配（第二次）。3)弯矩调幅考虑塑性内力重分布，可将梁端弯矩调幅，减小梁端弯矩调整系数现浇框架0.8~0.9装配整体式0.7~0.8调幅后的跨中弯矩计算注意只有竖向荷载作用下的梁端弯矩可以调幅，水平荷载作用下的梁端弯矩不能调幅。例题续（7）．竖向荷载作用下框架内力分析内力分析采用弯矩分配法。在竖向荷载作用下梁端可以考虑塑性内力重分布，取弯矩调幅系数0.8，楼面竖向荷载分别按恒荷载及全部活荷载计算。分配两次，传递一次。竖向荷载下梁端剪力和柱轴力计算计算五、内力组合通过内力计算，获得了在不同荷载作用下产生的构件内力标准值。根据可能出现的最不利情况进行构件的内力组合所得设计内力值，进行截面设计.一般有两种组合：（1）、地震作用效应与重力荷载代表值效应的组合EhGESSS3.12.1（2）、竖向荷载效应组合(非抗震组合)包括全部恒载与活载的组合。QGSSS4.12.1具体对于框架来说，对框架梁、框架柱的控制截面进行内力组合。i)、框架梁（取不利组合）QGEhGEMMMMMM4.12.13.12.1梁端正弯矩梁端负弯矩GEEhMMM2.13.1GEMEhM跨中正弯矩取不利组合中中QGEhGEMMMMMM4.12.13.12.1取不利组合QGbEhGEbVVVVVV4.12.13.12.1梁端剪力GEAMEhAMGEBMEhBMARBRxl用平衡求出或求出剪力为零的位置xARBRqRxAGEAEhAAMMqxxRM22中关于梁跨中弯矩的求法：ii)、框架柱内力不利组合柱上下端为控制截面取不利组合QGQGEhGEEhGEQGQGEhGEEhGEMMMNNNMMMNNNNNNMMMNNNNMMM4.12.14.12.13.12.13.12.14.12.14.12.1(3.13.12.1maxmaxmaxmax尽量小）取六、位移计算1)多遇地震烈度下。求出多遇烈度下得各层间剪力层间位移2)罕遇地震作用下层间弹塑性位移计算对于大于0.5的框架，只要弹性位移满足要求，可不进行弹塑性位移计算。iVjieDVHee][y(略）当时，进行弹塑性位移计算。验算步骤：①楼层屈服强度的确定②薄弱层确定，一般在底层和较小层。③薄弱层的层间弹塑性位移验算⑴楼层屈服强度的确定a、根据梁柱的实际配筋及材料的强度标准值，计算梁柱的实际极限抗弯承载力梁:柱:5.0yy)(0syksbuahfAM)1(5.0)(0ckcccsykscufhbNNhahfAMy楼层屈服强度(剪力)的确定示意①.计算梁柱极限抗弯能力②.计算柱截面有效受弯承载力③.计算柱的层间受剪承载力b、计算柱端截面有效受弯承载力（与屈服机制有关）。根据破坏机制当时，为强梁弱柱型柱先屈服，梁后屈服当时，为强柱弱梁型，梁首先屈服。柱端截面有效受弯承载力由节点的弯矩平衡得出，且不大于柱的极限弯矩。bucuMM11~icuicMM下下icuicMM上上~1icuM下icuM上cubuMM当且一柱端先达到屈服，此时，另一端的受弯承载力按刚度求得。上柱下端屈服取小下下1111~icubuiiiicMMKKKM取小上上icubuiiiicMMKKKM1~1ikikcubuMM取小上下上icuicuiiicMMKKM11~11~icuicMM下下1icuM下1iKiK下柱上端屈服取小者下上下111,~icuicuiiicMMKKM1iKiKicuM上icuM上icM上~c、计算第i层第j根柱的受剪承载力yijVnicijcijyijHMMV下上~~上cijM下cijMnHd、第i层各柱总的屈服强度niyijyiVV1VeVyiy⑶薄弱层的层间弹塑性位移计算⑷层间弹塑性位移验算eppuuHupp][框架计算步骤①确定计算简图、几何参数计算、静力荷载统计。②地震作用计算：用底部剪力法计算水平地震作用及层间剪力TaFEkVi③内力计算：用D值法计算水平作用下的内力（并同时进行弹性层间位移验算）；用分层法或弯矩二次分配法计算重力荷载代表值作用下的内力。④计算各项非地震荷载作用下的内力。⑤内力组合：包括地震作用组合及非地震作用组合。⑥截面及节点设计（配筋计算）：注意内力值的调整。⑦弹塑性位移验算：梁柱截面极限抗弯承载力柱端有效受弯承载力VpjiVpi；a1iVeixyi薄弱层hpDup§5.4钢筋混凝土框架结构构件设计（一）、框架梁抗震设计1、设计要求及计算要点：⑴梁形成塑性铰后仍有足够的受剪承载力(强剪弱弯）——设计剪力的取值。⑵梁筋屈服后，塑性铰区段应有较好的延性和耗能能力——延性设计问题。⑶解决好梁筋的锚固问题（强锚固）。2、框架梁受剪承载力验算⑴梁剪力设计值要充分估计梁端实际配筋屈服并产生超强时有可能产生的最大剪力。——梁左右端顺时针或逆时针组合设计弯矩。对一级框架两端