桥梁抗震设计.ppt

多高层建筑钢筋混凝土结构抗震设计,5.1 多高层钢筋混凝土结构的震害及其分析,5.1.1 结构布置不合理而产生的震害,历次地震经验表明，通过合理抗震设计，钢筋混凝土多层框架及框架抗震墙结构房屋具有较好的抗震性能，应用十分广泛。 虽然框架结构本身的抗震性能较好，能承受较大的变形，但是，侧向位移大了容易引起非结构构件(如填充墙、装修等)破坏，有时甚至造成主体结构破坏，这些破坏会造成很大经济损失，也会威胁人身安全。 所以，如果在地震区建造较高的框架结构，必须选择既减轻重量，又能经受较大变形的隔墙材料和构造做法。否则，就要严格控制框架结构建造高度。,5.1.1 结构布置不合理而产生的震害,1、扭转破坏 如果建筑物的平面布置不当而造成刚度中心和质量中心有较大的不重合，或者结构刚度有过大的突变，则极易使结构在地震时由于过大的扭转或变形集中而产生严重破坏。 2、薄弱层破坏 结构刚度沿高度方向的突变，使破坏集中在刚度薄弱的楼层，变形集中在薄弱层。如果薄弱层在底层，地震时容易倒塌。（如图示）,5.1.1 结构布置不合理而产生的震害,3、应力集中 结构竖向布置产生很大的突变时，在突变处由于应力集中会产生严重破坏。（如图示） 4、防震缝处碰撞 防震缝如果宽度不够，其两侧的结构单元在地震时就会相互碰撞产生震害。,5.1.2 框架结构的震害,国内外大量震害调查表明，未经抗震设防的框架结构，在6度7度区主体结构基本完好，填充墙有轻微裂缝；在8度9度区主体结构局部破坏，填充墙及屋顶突出部分严重开裂或倒塌；在10度区梁柱严重破坏，少量倒塌，填充墙严重破坏。考虑了抗震设防的框架结构，震害则相应减轻。 震害调查还表明，下刚上柔的框架结构(下部填充墙较多)，上部震害较重；上刚下柔的框架结构(上部有填充墙)，下部柱顶及柱底震害较重。,5.1.2 框架结构的震害,一、框架梁、柱的震害 框架梁、柱的震害主要反映在梁柱节点处。一般情况是：柱的震害重于梁；柱顶震害重于柱底；角柱震害重于内柱；短柱震害重于一般柱。具体震害如下： 1、框架柱 (1)柱顶：柱顶周围有水平裂缝、斜裂缝或交叉裂缝，重者混凝土压碎崩落，柱内箍筋拉断，纵筋压屈外凸呈灯笼状，上部梁、板倾斜。主要原因是节点处柱端处于变号弯矩、剪力和轴力复合作用之下，且三者均比较大，柱的箍筋配置不足或锚固不好，致使箍筋失效，混凝土开裂、剥落，同时纵筋压曲。（图示）,5.1.2 框架结构的震害,(2)柱底：常见的震害是在离地面或楼面100mm400mm处有周圈水平裂缝。柱底受力状态虽与柱顶相似，但由于其箍筋一般较密(处在柱的纵筋搭接接头加密箍筋段)，故震害较轻。（如图示） (3)柱身：当地震剪力较大而柱抗剪强度不足时，柱身可能出现斜裂缝。（如图示） (4)角柱：在地震作用下房屋不可避免地要发生扭转，角柱所受的附加扭转剪力最大，同时角柱又受有双向弯矩作用，而其所受的横梁约束又比其它柱小，所以震害重于内柱。（如图示）,5.1.2 框架结构的震害,(5)短柱 当框架房屋中有错层、夹层或有半高的填充墙，或不适当地设置某些拉梁时，容易形成短柱。即：,hn为柱净高，hc为柱截面长边尺寸即高度。,短柱的刚度大，所受的地震剪力大，易发生剪切破坏，形成交叉裂缝，严重时产生脆性错断。(如图示),5.1.2 框架结构的震害,通常在梁的两端节点附近产生周圈的竖向裂缝和斜裂缝。 这是由于水平地震的反复作用，在梁端产生较大的变号弯矩，当超过混凝土抗拉强度时，便产生周圈裂缝，严重时梁端纵向钢筋屈服，截面曲率剧增，出现塑性铰。 若箍筋数量不足、间距过大或弯起钢筋不多，由于无法承担强烈地震作用引起的附加剪力，梁端将出现斜向裂缝或混凝土剪压破坏。（如图示）,2、框架梁,5.1.2 框架结构的震害,3、梁柱节点,在反复地震作用下，节点的破坏机理十分复杂，节点主要承受剪力和压力，由节点两侧梁端的反号弯矩引起节点核芯区(指梁、柱交汇的部位)很大的剪力，使核芯区混凝土处于剪压复合应力状态。节点核芯区在强震作用下破坏的实例较多，主要表现为： 节点核芯区因抗剪强度不足而引起的剪切破坏。破坏时，核芯区产生斜向对角的通长裂缝，节点区内的箍筋屈服、外鼓甚至崩断。,5.1.2 框架结构的震害,3、梁柱节点,当节点区剪压比(核芯区平均剪应力与混凝土轴心抗压强度设计值之比)较大时，箍筋可能并未达到屈服，而是混凝土被剪压酥碎成块而发生破坏。 由于构造措施不当或因图施工方便，致使节点区的箍筋过稀而产生脆性破坏，或由于交于节点核芯区的钢筋过密而影响混凝土浇筑质量引起剪切破坏。(如图示),5.1.2 框架结构的震害,1、在水平地震作用下，填充墙与框架是共同工作的，一方面墙体受到框架的约束，另一方面框架受到填充墙的支撑。 由于填充墙框架侧向刚度大，故受到的地震作用较大，而砖填充墙的抗剪强度又较低，变形能力小，所以填充墙的震害重于框架，其破坏较早也较严重。填充墙在地震发生时就可能出现斜裂缝，在随后的反复地震作用下，将在墙面形成交叉裂缝，端墙、窗间墙及门窗洞口边角部位的破坏更为严重。,二、填充墙和抗震墙的震害,5.1.2 框架结构的震害,烈度在9度以上时，填充墙大部分倒塌，空心砖填充墙尤为严重。由于框架变形一般属于剪切型，下部层间位移较大，故填充墙的震害呈现“下重上轻”的现象。 填充墙的破坏程度，一方面与地震烈度有关，另一方面也与设计或构造是否合理有关。例如，填充墙没有钢筋与框架拉结，或拉结不能满足强地震时的要求；墙体施工质量差，砂浆强度等级过低，灰缝不饱满；墙上的门窗孔洞过大或开孔过多等，都将加重填充墙的震害。（如图示）,二、填充墙和抗震墙的震害,5.1.2 框架结构的震害,(1)墙的底部发生破坏，表现为受压区混凝土的大片压碎剥落，钢筋压屈。 (2)墙体发生剪切破坏。 (3)抗震墙墙肢之间的连梁产生剪切破坏。 抗震墙的破坏形式,二、填充墙和抗震墙的震害,2、抗震墙的破坏形式有：,5-2 抗震设计一般规定,多层与高层钢筋混凝土房屋的抗震设计包括按抗震设防标准进行结构选型、总体布置、抗震计算和构造措施等。 现主要就钢筋混凝土框架及框架-抗震墙房屋的抗震设计一般规定叙述如下：,5-2 抗震设计一般规定,5-2 抗震设计一般规定,一、结构体系的选择,不同的结构体系具有不同的抗震性能、使用效果和经济指标，其适用范围也就不同。 抗震规范在考虑了地震烈度、场地土、抗震性能、使用要求及经济效果等因素和总结地震经验的基础上，对地震区多、高层房屋适用的最大高度给出了规定，如表51。 应当指出，表中数值并非是房屋高度的限值，而只是我国规范适用的高度范围，即按规范规定设计可以满足抗震要求的高度限值；当超过表中限值时，必须进行专门研究，应有可靠的理论和试验依据并采取有效措施，这在工程中也是有先例的。,二、结构的抗震计算和构造措施应按抗震等级划分,1、地震作用越大，房屋的抗震要求越高。不同设防烈度和场地上，结构所具有的实际抗震能力会有较大的差别，结构可能进入弹塑性状态的程度也是不同的。从经济角度考虑，对不同设防烈度和场地的结构抗震要求可以有明显的差别。 2、结构的抗震能力主要取决于主要抗侧力构件的性能，主、次要抗侧力构件的抗震要求可以有所区别。框架结构中的框架抗震要求应高于框架抗震墙结构中的框架，框支层框架抗震要求更高。框架抗震墙结构中抗震墙抗震要求应高于抗震墙结构中的抗震墙。,5-2 抗震设计一般规定,二、结构的抗震计算和构造措施应按抗震等级划分,3、房屋越高，地震反应越大，其抗震要求应越高。 因此，综合考虑地震作用(包括区分设防烈度、场地类别)，结构类型(包括区分主、次抗侧力构件)和房屋高度等主要因素，划分抗震等级进行抗震设计，是比较经济合理的。这样，可以对同一设防烈度的不同高度的房屋采用不同抗震等级设计；同一建筑物中不同结构部分也可以采用不同抗震等级设计。表5-5是规范规定的丙类建筑抗震等级划分。,抗震等级是确定结构构件抗震计算和抗震措施的标准。根据设防烈度、房屋高度、建筑类别、结构类型及构件在结构中的重要程度确定，共分四个等级，一级最高。,5-2 抗震设计一般规定,三、抗震结构宜有多道抗震防线,1、框架填充墙结构一般是性能较差的多道抗震防线结构，其中刚度大而承载力低的砌体填充墙实际上是与框架共同工作，但却是抗震性能差的第一道防线，一旦它达到极限承载力，刚度退化较快，将把较多的地震作用转移到框架部分。一般情况下，有砌体填充墙框架的抗震设计只考虑填充墙重量和刚度对框架的不利影响，而不计其承载力有利作用。,5-2 抗震设计一般规定,三、抗震结构宜有多道抗震防线,2、框架-抗震墙结构是具有良好性能的多道防线的抗震结构，其中抗震墙既是主要抗侧力构件又是第一道抗震防线。因此，抗震墙应有相当数量，其承受的结构底部地震倾覆力矩不应小于底部总地震倾覆力矩的50，否则这种结构的特性不能很好发挥，框架部分仍应按主要抗侧力构件进行抗震设计。 3、抗震墙结构中抗震墙可以通过合理设置连梁(包括非建筑功能需要的开洞)组成多肢联肢墙，使其具有优良的多道抗震防线性能。,5-2 抗震设计一般规定,三、抗震结构宜有多道抗震防线,当框架-抗震墙结构有足够的抗震墙时,其框架部分是次要抗侧力构件,可按框架-抗震墙结构中的框架确定抗震等级。否则按框架结构确定等级。区分标准是看框架部分承受的地震倾覆力矩是否大于结构总地震倾覆力矩的50%。,框架承受的地震倾覆力矩可按下式计算：,5-2 抗震设计一般规定,四、建筑结构布置宜规则,由于地震作用的复杂性，建筑结构的地震反应还不能充分通过计算分析了解清楚，因此建筑结构的合理布置能起到重要的作用。近年来提出的“规则建筑”的概念，包括了建筑的平、立面形状和结构刚度、屈服强度分布等方面的综合要求。 1、建筑的平、立面 为了减小地震作用对建筑结构的整体和局部的不利影响，如扭转和应力集中效应，建筑平面形状宜规正，避免过大的外伸或内收。规范规定若房屋平、立面符合下图的限制，可以认为建筑外形是规则的，否则为不规则。,5-2 抗震设计一般规定,四、建筑结构布置宜规则,2、沿房屋高度的层间刚度和层间屈服强度的分布宜均匀 水平地震作用下，结构处于弹性阶段时，其层间弹性位移分布主要取决于层间刚度分布；在弹塑性阶段，层间刚度分布同样有影响，但层间弹塑性位移分布主要取决于层间屈服强度相对值，即层间屈服强度系y。y分布越不均匀，y的最小值越小，层间弹塑性变形集中现象越严重。 结构的层间刚度不小于其相邻上层刚度70，且不小于其上部相邻三层刚度平均值80；层间屈服强度系数不小于其相邻层屈服强度系数平均值的80，可认为是较均匀的结构。（如下图）,5-2 抗震设计一般规定,四、建筑结构布置宜规则,为了减轻薄弱层的变形集中现象，钢筋混凝土结构抗震设计应注意以下一些问题： (1)框架结构的各楼层中砌体填充墙尽量相同。 (2)主要抗侧力竖向构件，特别是框架柱，其截面尺寸、混凝土强度等级和配筋量的改变不宜集中在同一楼层内。 (3)框支层的刚度不应小于相邻上层刚度的50%，框支层落地抗震墙间距不宜大于24m。 (4)应纠正“增加构件强度总是有利无害”的非抗震设计概念，在设计和施工中不宜盲目改变混凝土强度等级和钢筋等级以及配筋量。,5-2 抗震设计一般规定,五、合理设计结构破坏机制,钢筋混凝土结构具有良好的塑性内力重分布能力，能较充分地发挥吸收和耗散地震量的作用。强烈地震作用下，合理的结构破坏机制应该是： 1、框架结构的梁柱节点是保证框架有效地抗御地震作用的关键部件，较合理的框架地震破坏机制，应该是节点基本不破坏，梁比柱的屈服可能早发生、多发生，同一层中各柱两端的屈服历程越长越好，底层柱底的塑性铰宜最晚形成。总之，框架的抗震设计应使梁、柱端的塑性铰出现得尽可能分散，充分发挥整个结构的抗震能力。,5-2 抗震设计一般规定,五、合理设计结构破坏机制,2、框架抗震墙结构和抗震墙结构中抗震墙的各墙段(包括小开洞墙和联肢墙肢)的高宽比不宜小于2，使其呈弯剪破坏；且塑性屈服也宜产生在墙的底部。连梁宜在粱端塑性屈服，且有足够的变形能力，在墙段充分发挥抗震作用前不失效。,5-2 抗震设计一般规定,5-2 抗震设计一般规定,六、 构件在极限破坏前不发生明显的脆性破坏,主要抗侧力的钢筋混凝土构件的极限破坏应以构件弯曲时主筋受拉屈服破坏为主，应避免变形性能差的混凝土首先压溃或剪切破坏，以及钢筋锚固失效和粘结破坏。 延性破坏和脆性破坏两者的变形性能差别很大，这与很多因素有关，诸如构件的抗剪和抗弯承载力比、剪跨比、剪压比、轴压比、主筋率、配箍率和箍筋型式、混凝土和钢筋材料、钢筋连接和锚固方式等。抗震规范中许多规定都是属于这方面的要求，如：,5-2 抗震设计一般规定,六、 构件在极限破坏前不发生明显的脆性破坏,轴压比：轴压比是控制偏心受拉边钢筋先到抗拉强度，还是受压区混凝土边缘先达到其极限压应变的主要指标。 试验研究表明，柱的变形能力随轴压比增大而急剧降低，尤其在高轴压比下，增加箍筋对改善柱变形能力的作用并不甚明显。所以，抗震结构应限制偏心受压构件的轴压比，特别是框架柱和框支柱，但是轴压比又是影响构件截面尺寸从而提高造价的重要因素，这种限制必须符合我国目前技术水平和经济条件。规范参考了界限轴压比和地震震害实际情况，分不同抗震等级取用于不同的限值。,5-2 抗震设计一般规定,七、防震缝的设计,震害表明，在强烈地震作用下由于地面运动变化、结构扭转、地震变形等复杂因素，相邻结构仍可能局部碰撞而损坏。防震缝宽度过大，会给建筑处理造成困难，因此，高层建筑宜选用合理的建筑结构方案，不设防震缝，同时采用合理的计算方法和有效的措施，以解决不设防震缝带来的不利影响，如差异沉降、偏心扭转、温度变形等。,高层建筑宜选用合理的建筑结构方案，不设防震缝。,5-2 抗震设计一般规定,七、防震缝的设计,1、防震缝 当建筑平面过长、结构单元的结构体系不同、高度和刚度相差过大以及各结构单元的地基条件有较大差异时，应考虑设防震缝，其最小宽度应符合以下要求： (1)钢筋混凝土框架结构房屋的防震缝宽度，当高度不超过15m时可采用70mm；超过15m时，6度、7度、8度和9度相应每增加高度5m、4m、3m和2m，宜加宽20mm。 (2)钢筋混凝土框架抗震墙结构房屋的防震缝宽度可采用框架结构规定数值的70，抗震墙结构房屋的防震缝宽度可采用框架结构规定数值的50，且均不宜小于70mm。,5-2 抗震设计一般规定,七、防震缝的设计,(3)防震缝两侧结构类型不同时，宜按照需较宽防震缝的结构类型和较低房屋高度确定缝宽。 (4)防震缝可以结合沉降缝要求贯通到地基。,当无沉降问题时也可以从地基或地下室以上贯通。当有多层地下室形成大底盘，上部结构为带裙房的单塔或多塔结构时，可将裙房用防震缝自地下室以上分隔，地下室顶板应有良好的整体性和刚度，能将上部结构的地震作用分布到地下室结构。,5-2 抗震设计一般规定,七、防震缝的设计,2、防震缝与抗撞墙 震害和试验研究表明钢筋混凝土框架结构的碰撞将造成较严重的破坏，特别是防震缝两侧的构件。新的建筑抗震设计规范参考希腊抗震规范，对按8、9度设防的钢筋混凝土框架结构房屋防震缝两侧结构高度、刚度或层高相差较大时，在防震缝两侧房屋的尽端沿全高设置垂直于防震缝的抗撞墙，每一侧抗撞墙的数量不应少于两道，宜分别对称布置，墙肢长度可不大于一个柱距。（如下图）,5-2 抗震设计一般规定,八、 钢筋混凝土框架的结构体系,1、钢筋混凝土框架结构均宜双向设置 由于水平地震是由两个相互垂直的地震作用构成的，所以钢筋混凝土框架结构应在两个方向上均具有较好的抗震能力。结构纵、横向的抗震能力相互影响和关联，使结构形成空间结构体系。当一个方向的抗震能力较弱时，则会率先开裂和破坏；也将导致结构丧失空间协同能力和另一方向也将产生破坏。对于钢筋混凝土框架结构宜双向均为框架结构体系，避免横向为框架、纵向为连系梁的结构体系，而且还应尽量使横向和纵向框架的抗震能力相匹配。,5-2 抗震设计一般规定,八、 钢筋混凝土框架的结构体系,2、钢筋混凝土框架的梁、柱构件应避免剪切破坏（强剪弱弯）,梁、柱是钢筋混凝土框架结构中的主要构件，应以构件弯曲时主筋受拉屈服破坏为主，避免剪切破坏。这就是通常所讲的构件抗震设计应强剪弱弯，即构件弯曲破坏形成的极限剪力应小于构件斜截面的极限剪力，使得构件的杆端出现弯曲的塑性铰而不产生斜截面的脆性破坏。,5-2 抗震设计一般规定,八、 钢筋混凝土框架的结构体系,3、钢筋混凝土框架结构的梁、柱构件之间应设置为“强柱弱梁” 钢筋混凝土框架的层间变形能力决定于梁、柱的变形性能。柱是压弯构件，其变形能力不如弯曲构件的梁。所以，较合理的框架破坏机制，应该是梁比柱的塑性屈服尽可能早发生和多发生，底层柱柱底的塑性铰较晚形成，各层柱的屈服顺序尽量错开，避免集中在某一层内。这样破坏机制的框架，才能具有良好的变形能力和整体抗震能力。 下图示出了框架结构的两种典型破坏机制。,5-2 抗震设计一般规定,弱柱型,弱梁型,八、 钢筋混凝土框架的结构体系,4、梁柱节点的承载能力宜大于梁、柱构件的承载能力（强节点、强锚固） 在钢筋混凝土框架设计中，除了保证梁、柱构件具有足够的承载能力和变形能力以外，保证柱节点的抗剪承载力，使之不过早破坏也是十分重要的；梁柱节点合理的抗震设计原则是，在梁柱构件达到极限承载力前节点不应发生破坏。由震害调查可见，梁柱节点区的破坏大都是因为节点区无斜筋或少箍筋，在剪压作用下混凝土出现斜裂缝甚至挤压破碎，纵向钢筋压屈成灯笼状，因此，保证节点区不发生剪切破坏的主要措施是保证节点区混凝土强度和密实性及在节点核心内配置足够的箍筋。,5-2 抗震设计一般规定,九、框架-抗震墙结构的结构布置,1、抗震墙布置的基本原则 框架抗震墙结构中的抗震墙宜沿主轴方向双向设置抗震，贯通房屋全高，且横向与纵向墙宜相连，互为翼墙，以提高其刚度和承载能力。 抗震墙的一般布置原则是“均匀、分散、对称、周边”。 均匀、分散是要求抗震墙的片数多，每片的刚度不要太大；不要只设置一两片刚度很大、连续很长的抗震墙，因为片数太少，地震中万一个别抗震墙破坏后，剩下的一两片墙难以承受全部地震力，截面设计也困难(特别是连梁)。相应地基础承受过大的剪力和倾覆力矩，尤为难以处理。,5-2 抗震设计一般规定,九、框架-抗震墙结构的结构布置,对称、周边布置是对高层建筑抵抗扭转的要求，抗震墙的刚度大，它的位置对楼层平面刚度分布起决定性的作用，抗震墙对称布置，就能基本上保证了建筑物的对称性，避免和减少建筑物受到的扭矩。另一方面，抗震墙沿建筑平面的周边布置可以最大限度地加大抗扭转的内力臂，提高整个结构的抗扭能力。当然，沿周边布置有困难时，往里面进来一两个间距也是可以的。希望抗震墙的距离尽可能拉开。,5-2 抗震设计一般规定,九、框架-抗震墙结构的结构布置,2、抗震墙布置位置的选择 一般情况下，抗震墙宜布置在竖向荷载较大处、平面形状变化处和楼梯间、电梯间等。 布置在竖向荷载较大处，主要考虑两个原因：因抗震墙承受大的竖向荷载，可以避免设置截面尺寸过大的柱子，满足建筑布置的要求；抗震墙是主要抗侧力结构，承受很大的弯矩和剪力，需要较大的竖向荷载来避免出现轴向拉力，提高截面承载力，也便于基础设计。 在平面变化较大的角隅部位，容易产生大的应力集中，设置抗震墙予以加强是很有必要的。,5-2 抗震设计一般规定,九、框架-抗震墙结构的结构布置,楼(电)梯间楼板开大洞，削弱严重，特别是在端角和凹角处设置楼(电)梯间时，受力更为不利，采用楼、(电)梯竖井来加强是有效的措施。 房屋较长时，纵向抗震墙不宜设置在端开间，以减少温度效应等不利影响。,5-2 抗震设计一般规定,九、框架-抗震墙结构的结构布置,3、抗震墙布置的具体要求 (1)楼(电)梯间、竖井。 楼(电)梯间、竖井等使楼面开洞的竖向通道，不宜设在结构单元端部角区及凹角处，如必须设置时，应设抗震墙加强。这种竖向通道不宜独立设在柱网以外的中间部位，而至少有一边应与柱网重合。,5-2 抗震设计一般规定,九、框架-抗震墙结构的结构布置,3、抗震墙布置的具体要求 (2)纵横墙成组布置,5-2 抗震设计一般规定,九、框架-抗震墙结构的结构布置,(3)合理调整抗震墙的长度 为保证抗震墙具有足够的延性，不发生脆性的剪切破坏，每一道抗震墙(包括单片墙、小开口墙和联肢墙)不应过长，总高度与总长度之比hl宜大于2。 连成一片的单个墙肢长度不宜大于8m，以免因剪切而破坏。较长的单片墙可以留出结构洞口，划分为联肢墙的两个墙肢；,每一道抗震墙在底层承受的弯矩和剪力均不宜大于整个结构底部剪力和倾覆力矩的40。,5-2 抗震设计一般规定,九、框架-抗震墙结构的结构布置,(4)抗震墙的最大间距 抗震墙比框架的刚度大得多，成为楼板在水平面内的支座，因此，它们的间距不应过大，以防止楼板在自身平面内变形过大。,抗震墙之间无大洞口时楼、屋盖的长宽比宜满足表5-2的要求；当抗震墙之间的楼面有较大开洞时，楼、屋盖的长宽比还应减小，当超过上述要求时，应计入楼盖平面内的变形影响。,5-2 抗震设计一般规定,九、框架-抗震墙结构的结构布置,4、抗震墙的边框梁、柱 设抗震墙之后，框架柱作为抗震墙的端部翼缘，抗震墙的端部钢筋配置在柱截面内。端柱增强了抗震墙的承载力和稳定性。试验结果表明，取消框架柱后，抗震墙的极限承载力将下降30%。位于楼层上的框架梁也应保留，虽然在内力分析时不考虑抗震墙上的边框梁受力，但梁作为抗震墙的横向加劲肋，提高了抗震墙的极限承载力。同样，对比试验表明，边框梁取消后，抗震墙极限承载力下降10。如果建筑功能上确实无法设置明梁，也应设置暗梁，暗梁的高度、纵筋钢筋和箍筋与明梁相同，配置在墙身内。,5-2 抗震设计一般规定,5-3 框架结构抗震设计,框架结构抗震设计步骤框图,5-3 框架结构抗震设计,第一步、结构布置,结构体系确定后，应当密切结合建筑设计进行结构总体布置，使建筑物具有良好的造型和合理的传力路线。 建筑结构的总体布置，是指其对高度、平面、立面和体型等的选择，除应考虑到建筑使用功能、建筑美学要求外，在结构上应满足强度、刚度和稳定性要求。地震区的建筑，在结构设计时，还应保证建筑物具有良好的抗震性能。设计要达到先进合理，首先取决于清晰合理的概念，而不是仅依靠力学分析来解决。确定结构布置方案的过程就是一个结构概念设计的过程,5-3 框架结构抗震设计,第一步、结构布置,1、结构布置原则 (1)结构平面形状和立面体型宜简单、规则，使各部分刚度均匀对称，减少结构产生扭转的可能性。 (2)控制结构高宽比，以减少水平荷载下的侧移，其高宽比限值见规范。 (3)尽量统一柱网及层高，以减少构件种类规格，简化设计及施工。 (4)房屋的总长度宜控制在最大温度伸缩缝间距内，当房屋长度超过规定值时，可设伸缩缝将房屋分成若干温度区段。,5-3 框架结构抗震设计,第一步、结构布置,2、柱网和层高 框架结构的柱网尺寸，即平面框架的柱距(开间)与跨度(进深)和层高，首先要满足生产工艺和其他使用功能的要求，其次是满足建筑平面功能的要求，还要力求做到柱网平面简单规则、受力合理，同时施工方便，有利于装配化、定型化和施工工业化。 3、钢筋混凝土承重框架的布置 柱网确定后，沿房屋纵横方向布置梁系，形成横向框架和纵向框架，分别承受各自方向上的水平作用。根据承重框架布置方向的不同，框架承重体系可分为三种：,5-3 框架结构抗震设计,第一步、结构布置,(1)横向框架承重方案：横向框架承重方案是在横向上布置主梁，在纵向上设置连系梁。楼板支承在横向框架上，楼面竖向荷载传给横向框架主梁。由于横向框架跨数较少，主梁沿框架横向布置有利于增加房屋横向抗侧移刚度。由于竖向荷载主要通过横梁传递，所以纵向连系梁往往截面尺寸较小，这样有利于建筑物的通风和采光。不利的一面是由于主梁截面尺寸较大，对于给定的净空要求使结构层高增加。,5-3 框架结构抗震设计,第一步、结构布置,(2)纵向框架承重方案：纵向框架承重方案是在纵向上布置框架主梁，在横向上布置连系梁。楼面的竖向荷载主要沿纵向传递。由于连系梁截面尺寸较小，这样对于大空间房屋，净空较大，房屋布置灵活。不利的一面是进深尺寸受到板长度的限制，同时房屋的横向刚度较小。,5-3 框架结构抗震设计,第一步、结构布置,(3)纵横向框架混合承重方案：框架在纵横两个方向上均布置主梁。楼板的竖向荷载沿两个方向传递。柱网较大的现浇楼盖，通常布置成井字形式；柱网较小的现浇楼盖，楼板可以不设井字梁直接支承在框架主梁上。 由于这种方案沿两个方向传力，因此各杆件受力较均匀，整体性能也较好，通常按空间框架体系进行内力分析。,5-3 框架结构抗震设计,第一步、结构布置,在地震区，考虑到地震方向的随意性以及地震产生的破坏效应较大，因此应按双向承重进行布置。高层建筑承受的水平荷载较大，应设计为双向抗侧力体系，主体结构不应采用铰接，也不应采用横向为刚接、纵向为铰接的结构体系。 绘出框架平面柱网布置 标出柱距，对框架进行编号。,5-3 框架结构抗震设计,第二步、初步选定梁柱截面尺寸及材料强度等级,一、初估梁柱截面尺寸,（1）框架梁截面尺寸,（2）框架柱截面尺寸,二、梁的计算跨度,三、柱高度,四、材料强度等级,五、确定计算简图、选取计算单元,5-3 框架结构抗震设计,第二步、初步选定梁柱截面尺寸及材料强度等级,（1）框架梁截面尺寸：框架梁的截面尺寸应该根据承受竖向荷载的大小、梁的跨度、框架的间距、是否考虑抗震设防要求以及选用的混凝土材料强度等诸多因素综合考虑确定。 一般情况下，框架梁的截面尺寸可参考受弯构件按下式估算：梁高h=(1/81/12)l，其中l为梁的跨度。梁宽b=(1/21/3)h。在抗震结构中，梁截面宽度不宜小于200mm，梁截面的高宽比不宜大于4，梁净跨与截面高度之比不宜小于4。,一、初估梁柱截面尺寸,5-3 框架结构抗震设计,第二步、初步选定梁柱截面尺寸及材料强度等级,(2)框架柱截面尺寸：框架柱的截面形式通常大多为方形、矩形。柱截面的宽与高一般取层高的1/151/20，同时满足hl0/25、bl0/30，l0为柱计算长度。多层房屋中，框架柱截面的宽度和高度不宜小于300mm；高层建筑中，框架柱截面的高度不宜小于400mm，宽度不宜小于350mm。柱截面高度与宽度之比为12。柱净高与截面高度之比宜大于4。,5-3 框架结构抗震设计,第二步、初步选定梁柱截面尺寸及材料强度等级,在计算中，还应注意框架柱的截面尺寸应符合规范对剪压比(vc/fcbchco)、剪跨比 (=m/vhc)、轴压比(n=n/fcbchc)限值的要求，如不满足应随时调整截面尺寸，保证柱的延性。 抗震设计中柱截面尺寸主要受柱轴压比限值的控制，如以表示柱轴压比的限值，则柱截面尺寸可用如下经验公式粗略确定：,5-3 框架结构抗震设计,第二步、初步选定梁柱截面尺寸及材料强度等级,式中；a柱横截面面积，m2，取方形时边长为a； n验算截面以上楼层层数； f验算柱的负荷面积，可根据柱网尺寸确定，m2； fc混凝土轴心抗压强度设计值； 框架柱最大轴压比限值，一级框架取0.7，二级框架取0.8，三级框架取0.9。 地震及中、边柱的相关调整系数，7度中间柱取1、边柱取1.1，8度中间柱取1.1、边柱取1.2； g结构单位面积的重量(竖向荷载)，根据经验估算钢筋混凝土高层建筑约为1218knm2。,5-3 框架结构抗震设计,第二步、初步选定梁柱截面尺寸及材料强度等级,二、梁的计算跨度：以柱形心为准，画图并计算。 三、柱高度：底层柱=层高+室内外高差+基础顶面至室外地面的高度。其他层同层高。 四、材料强度等级 1、混凝土的强度等级：抗震等级为一级的框架梁、柱和节点不宜底于c30，其他各类构件不应底于c20。 2、钢筋的强度等级：纵向钢筋宜采用ii、iii级变形钢筋，箍筋宜采用i、ii级钢筋。,5-3 框架结构抗震设计,第二步、初步选定梁柱截面尺寸及材料强度等级,1、画出水平计算简图，标注框架编号（横向为1、2、3-，纵向为a、b、c-）、框架梁编号（材料、截面和跨度相同的编同一号），确定梁的计算跨度。 2、选取计算单元（所需计算的一榀或几榀框架），画出计算简图，标出计算跨度、柱的计算高度，并对柱编号（材料、截面和高度相同的编同一号）。,五、确定计算简图、选取计算单元,5-3 框架结构抗震设计,第三步、计算各层重力荷载代表值及结构刚度参数,一、计算各层重力荷载代表值 1、屋面竖向恒载：按屋面的做法逐项计算均布荷载屋面面积； 2、屋面竖向活载：屋面雪荷载屋面面积； 3、楼面竖向恒载：按楼面的做法逐项计算均布荷载楼面面积； 4、楼面竖向活载：楼面均布活荷载楼面面积； 5、梁柱自重（包括梁侧、梁底、柱的抹灰）：梁侧、梁底抹灰、柱周抹灰，近似按加大梁宽及柱宽考虑，一般加40mm。,5-3 框架结构抗震设计,第三步、计算各层重力荷载代表值及结构刚度参数,5-3 框架结构抗震设计,第三步、计算各层重力荷载代表值及结构刚度参数,同上列表：,5-3 框架结构抗震设计,第三步、计算各层重力荷载代表值及结构刚度参数,7、荷载分层总汇 屋面重力荷载代表值： gi=屋面恒载+50%屋面活荷载+纵横梁自重+楼面下半层 的柱及纵横墙自重； 各楼层重力荷载代表值： gi=楼面恒荷载+50%楼面活荷载+纵横梁自重+楼面上下 各半层的柱及纵横墙自重； 总重力荷载代表值：,5-3 框架结构抗震设计,第三步、计算各层重力荷载代表值及结构刚度参数,二、刚度参数计算 1、梁的线刚度计算： 各层梁分别列表计算：（表的形式根据具体情况合理调整）,5-3 框架结构抗震设计,第三步、计算各层重力荷载代表值及结构刚度参数,2、柱的线刚度计算 各层柱分别列表计算：,5-3 框架结构抗震设计,第三步、计算各层重力荷载代表值及结构刚度参数,d值法计算框架内力的方法同钢筋混凝土结构教材所讲方法。,3、横向框架柱的侧移刚度值,各层柱的侧移刚度d：,5-3 框架结构抗震设计,5-3 框架结构抗震设计,第三步、计算各层重力荷载代表值及结构刚度参数,列表计算（如下）：,5-3 框架结构抗震设计,第四步、计算横向框架自振周期,能量法计算框架的自振周期 式中 ui 将各质点的重力荷载gi视为水平力所产生的质点i处的水平位移，单位m。,5-3 框架结构抗震设计,第五步、计算多遇地震烈度下横向框架的弹性地震作用,对满足底部剪力法适用条件的框架结构，可用底部剪力法求解。,5-3 框架结构抗震设计,第六步、多遇烈度地震作用下结构层间弹性变形验算,1、层间剪力的计算 2、层间弹性变形计算 3、验算 是否满足。,横向变形验算,5-3 框架结构抗震设计,第七步、上述地震作用下结构内力分析,一、求柱端剪力：按柱侧移刚度分配 第i层第j 根柱子的剪力为:,（p137式5-11）,5-3 框架结构抗震设计,第七步、上述地震作用下结构内力分析,二、柱的上下端弯矩,（1）确定反弯点高度y,5-3 框架结构抗震设计,第三步、计算各层重力荷载代表值及结构刚度参数,5-3 框架结构抗震设计,第七步、上述地震作用下结构内力分析,二、柱的上下端弯矩,（2）计算柱的上下端弯矩,y：反弯点高度;,框架柱剪力及弯矩计算列表进行：,做出框架柱剪力及弯矩图。,5-3 框架结构抗震设计,第七步、上述地震作用下结构内力分析,2、对边柱节点：,三、框架梁端的弯矩：,根据节点平衡，求梁端弯矩：,1、对于中柱：左、右梁端弯矩可由上、下柱端弯矩之和按左、右梁的线刚度比例分配:,5-3 框架结构抗震设计,第七步、上述地震作用下结构内力分析,列表计算：,做出框架梁的弯矩图。,5-3 框架结构抗震设计,第七步、上述地震作用下结构内力分析,四、框架梁端的剪力计算,根据框架梁隔离体的平衡条件，梁端弯矩的代数和除以梁的跨度即可得梁端剪力：,5-3 框架结构抗震设计,第七步、上述地震作用下结构内力分析,做出框架梁弯矩、剪力图及柱的轴力图。,五、框架柱的轴力计算,1、中柱：每个节点左、右梁端剪力之差即为柱的该层层间轴向力；,2、边柱：节点一侧的梁端剪力即为柱的该层层间轴向力；,从上到下逐层累加层间轴向力，即得柱在相应层的轴力。,第八步、竖向荷载作用下横向框架的内力分析,5-3 框架结构抗震设计,竖向荷载作用下的梁端弯矩一般要进行调幅。 框架梁在竖向荷载作用下梁端负弯矩的调整是考虑梁的塑性内力重分布。通过调整使得梁端负弯矩减小，跨中正弯矩加大，具体方法同混凝土教材内容。支座弯矩经过调幅降低后，跨中弯矩相应增加，调幅后跨中弯矩不应小于简支情况下跨中弯矩的50%。,第八步、竖向荷载作用下横向框架的内力分析,、各层柱子的集中荷载自重梁传来的集中荷载,5-3 框架结构抗震设计,一、荷载及计算简图,、横向框架梁上的线荷载（恒载和活荷载分别算）,a）楼（屋）面均布荷载传给梁的线荷载（双向板）,短向分配荷载：,长向分配荷载：,b）梁上的线荷载梁自重楼（屋）面均布荷载传给梁 的线荷载，做出框架竖向荷载图（有关荷载前面已算出）。,第八步、竖向荷载作用下横向框架的内力分析,二、框架弯矩计算 （一）迭代法（结构力学） （二）分层法：在竖向荷载作用下框架内力采用分层法进行简化计算，此时每层框架连同上下层柱组成基本计算单元，竖向荷载产生的固端弯矩只在本层内进行弯矩分配，单元之间不再传递。梁的弯矩取分配后的数值；柱端弯矩取相邻两层单元对应柱端弯矩之和。 由于节点处梁端负弯矩最大，因而配筋量大，施工困难。为保证梁端的延性和便于施工，对现浇和装配整体式框架在竖向荷载作用下的梁端负弯矩，可考虑塑性内力重分布，对梁端负弯矩进行调幅，即人为地减小梁端负弯矩，调幅系数：装配整体式：0.70.8，现浇式：0.80.9，相应跨中弯矩乘1.1。,5-3 框架结构抗震设计,第八步、竖向荷载作用下横向框架的内力分析,5-3 框架结构抗震设计,（1）梁端剪力：,（2）柱轴力：,第九步、内力组合,5-3 框架结构抗震设计,对于柱，则选柱的上、下端截面作为控制截面。,在进行构件截面设计时，需求得控制截面上的最不利内力作为配筋的依据。,对于框架梁，一般选梁的两端截面和跨中截面作为控制截面；,第九步、内力组合,5-3 框架结构抗震设计,在框架抗震设计时，一般应考虑以下两种基本组合。,（1）地震作用效应与重力荷载代表值效应的组合,（2）竖向荷载效应，包括全部恒荷载与活荷载的组合,取上述最不利组合作为截面设计用的内力设计值。,注：对于一般的框架结构，可不考虑风荷载的组合。,第九步、内力组合,（1）恒载和活荷载效应的组合； （2）竖向荷载和地震作用效应的组合。,5-3 框架结构抗震设计,钢筋混凝土框架结构构件的承载力按下列公式验算：,抗震设计：,内力组合应考虑前面所述的两种情况：,第九步、内力组合,5-3 框架结构抗震设计,（一）梁的内力不利组合,（1）梁端负弯矩，取下式两者较大值：,（2）梁端正弯矩按下式确定：,（3）梁端剪力，取下式两者较大值：,（4）梁跨中正弯矩，取下式两者较大值：,第九步、内力组合,5-3 框架结构抗震设计,注意：上面第一式重力荷载代表值与地震作用组合后的最大值不一定在跨中，其位置和大小由作图法或解析法求得。,第九步、内力组合,解析法求 ：,5-3 框架结构抗震设计,第九步、内力组合,5-3 框架结构抗震设计,（二） 框架柱的内力组合,单向偏心受压：有三种情形，即在地震作用下大偏心受压、小偏心受压和无地震作用的偏心受压：,第组内力组合（大偏心受压）：,第组内力组合（小偏心受压）：,第组内力组合（无地震作用）：,第九步、内力组合,5-3 框架结构抗震设计,填写梁、柱内力组合表，如下两图。,5-3 框架结构抗震设计,第十步、按组合内力进行梁柱配筋计算,、正截面受弯承载力验算 2、斜截面受剪承载力验算,5-3 框架结构抗震设计,为了保证当建筑遭受中等烈度的地震影响时具有良好的耗能能力，以及当建筑遭受高于本地区设防烈度的预估的罕遇地震影响时，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏，要求结构具有足够的延性，要保证结构的延性就必须保证构件有足够大的延性，特别是重要构件。 构件的延性是以其截面塑性铰的转动能力来度量的，因此在进行结构抗震设计时应注意构件塑性铰的设计，以使结构具有较大延性。,第十步、按组合内力进行梁柱配筋计算,5-3 框架结构抗震设计,为了较合理地控制强震作用下钢筋混凝土结构破坏机制和构件破坏形态，提高变形能力，抗震规范体现了能力控制设计的概念，并区别不同抗震等级，在一定程度上实现“强柱弱梁”、 “强剪弱弯”和 “强节点弱杆件、强锚固”的概念设计要求。这个概念在设计时用调整内力的方式实现。,“强柱弱梁”是使塑性铰首先在框架梁端出现，尽量避免或减少在柱中出现，即按照节点处梁端实际受弯承载力小于柱端实际受弯承载力的思想进行计算，以争取使结构能够形成总体机制，避免形成层间机制。,总体机制,层间机制,第十步、按组合内力进行梁柱配筋计算,5-3 框架结构抗震设计,“强剪弱弯”是指防止构件在弯曲屈服前出现脆性的剪切破坏。即要求构件的受剪承载力大于其屈服时实际达到的剪力。,“强节点、强锚固”是指在构件塑性铰充分发挥作用之前，节点不应出现破坏。因此，需进行框架节点核芯区截面抗震验算以及保证纵向钢筋具有足够的锚固长度。,第十步、按组合内力进行梁柱配筋计算,、正截面受弯承载力验算 2、斜截面受剪承载力验算,5-3 框架结构抗震设计,一、框架梁1,求出梁的控制截面组合弯矩后，即可按一般钢筋混凝土结构构件的计算方法进行配筋计算。,（1）剪压比的限制,对梁的剪压比的限制，也就是对梁的最小截面的限制。,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。,剪压比：梁柱截面上的名义剪应力与混凝土轴心抗压强度设计值的比值。,第十步、按组合内力进行梁柱配筋计算,5-3 框架结构抗震设计,梁的组合剪力设计值应符合下列要求：,（2）按“强剪弱弯”的原则，调整梁端剪力设计值：,调整值：,第十步、按组合内力进行梁柱配筋计算,5-3 框架结构抗震设计,（3）斜截面受剪承载力验算：,试验表明，在低周反复荷载作用下，当纵向钢筋进入屈服阶段，由于斜裂缝反复开闭，致使混凝土剪压区剪切强度降低，以及斜裂缝间混凝土咬合力、纵向钢筋的暗咬合力降低，从而使梁的斜截面受剪承载力降低。与静荷载下相比，其受剪承载力低20%40%。对矩形、t形和i形截面的一般框架梁，其斜截面受剪承载力验算公式为：,第十步、按组合内力进行梁柱配筋计算,5-3 框架结构抗震设计,二、框架柱,（1）轴压比的限制,轴压比是影响柱的破坏形态和变形能力的重要因素之一。试验研究表明，柱的延性随轴压比的增大会显著下降，并且有可能产生脆性破坏，尤其是当轴压比增大到一定数值时，增加约束箍筋对柱的变形能力的影响很小。因而，有必要限制轴压比。,轴压比是指柱组合的轴压力设计值与柱的全截面面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积之比值。,1、正截面受弯承载力验算,第十步、按组合内力进行梁柱配筋计算,5-3 框架结构抗震设计,轴压比的限制是为了保证柱具有一定的延性：,要满足规范要求。,（2）按“强柱弱梁”的原则，调整柱的弯矩设计值,框架节点处柱弯矩，除顶层和柱轴压比小于0.15者外，其设计值应按下列各式调整：,c柱端弯矩增大系数，一级为1.4，二级为1.2， 三级为1.1；,一、二、三级框架结构的底层，柱下端截面的弯矩设计值，增大系数分别为：1.5、1.25和1.15。,第十步、按组合内力进行梁柱配筋计算,5-3 框架结构抗震设计,9度和一级框架结构尚应符合：,调整后的柱端弯矩按原有柱端弯矩之值分配。,1）剪压比的限制,2、柱斜截面受剪承载力验算,在静力受剪要求基础上，考虑反复荷载影响，规定了框架柱的受剪承载力上限值，对柱的剪压比的限制，也就是对柱的最小截面的限制。,柱的组合剪力设计值应符合下列要求：,第十步、按组合内力进行梁柱配筋计算,5-3 框架结构抗震设计,2）按“强剪弱弯”的原则，调整柱的剪力设计值,（5-17）,9度和一级框架结构尚应符合：,（5-18）,柱端剪力增大系数，一级为1.4，二级为1.2，三级 为1.1。角柱尚应乘以不小于1.1的增大系数。,第十步、按组合内力进行梁柱配筋计算,5-3 框架结构抗震设计,3）柱斜截面受剪承载力验算,第十步、按组合内力进行梁柱配筋计算,5-3 框架结构抗震设计,第十步、按组合内力进行梁柱配筋计算,5-3 框架结构抗震设计,三、框架节点核芯区截面抗震验算,节点核心区抗震设计的原则要求是框架节点核芯区不先于梁、柱破坏。,按照“强节点”的原则，防止在梁柱破坏之前出现节点核芯区的破坏，必须保证节点核芯区的受剪承载力和配置足够数量的箍筋。,因此，一、二级框架的节点核芯区，应进行截面抗震验算；三、四级框架的节点核芯区，可不进行抗震验算，但应符合有关构造措施的要求。,第十步、按组合内力进行梁柱配筋计算,2、核芯区截面有效验算宽度，应按下列规定采用：,5-3 框架结构抗震设计,三、框架节点核芯区截面抗震验算,1、节点剪压比的控制：,正交梁的约束影响系数。,对一般框架的梁柱节点，可按下列要求验算：,节点核芯区组合剪力设计值应符合下列要求：,a) 核芯区截面有效验算宽度，当验算方向的梁截面宽度不小于该侧柱截面宽度的12时，可采用该侧柱截面宽度，当小于柱截面宽度的12时，可采用下列二者中的较小值：,第十步、按组合内力进行梁柱配筋计算,b) 当梁、柱的中线不重合且偏心距不大于柱宽的14时，核芯区的截面有效验算宽度可采用上式和下式中计算结果的较小值：,5-3 框架结构抗震设计,3、框架梁柱节点核芯区截面受剪承载力的验算,9度时和一级框架结构 尚应符合式：,第十步、按组合内力进行梁柱配筋计算,5-3 框架结构抗震设计,2）节点核芯区截面抗震受剪承载力，应采用下式验算：,9度时应符合：,第十一步、需要薄弱层变形验算否,1、根据梁柱配筋和柱的轴压力等，计算梁柱各控制截面的屈服弯矩； 2、根据梁柱端截面的屈服弯矩，判断节点处梁柱的破坏状态，计算柱和层的屈服剪力。 3、根据大震作用下按弹性分析的层间弹性地震剪力ve(i)和层间屈服剪力vy(i)，计算层间屈服强度系数y(i)。 4、判断结构的薄弱楼层，计算结构薄弱楼层最大弹性层间位移p和层间角位移p。 5、判断pp。 6、若上式不满足，则采取构造措施，提高p值，使pp，或改变薄弱层构件配筋。,5-3 框架结构抗震设计,第十二步、延性构造措施,按抗震规范要求执行。 一、梁钢筋的设置要满足下列要求： 梁端上部钢筋： 0.40（一级）、0.30（二级）、 0.25（三级） 且 0.25（一级）、0.35（二、三级） 通长钢筋： 214和 之较大者（一级）、 212（二级） 梁端下部钢筋： 0.5（一级）、0.3（二、三级） 跨中钢筋： 0.3（一级）、0.25（二级）、