框架柱的设计.ppt

框架梁 柱 节点截面设计及构造 控制截面及内力框架梁截面设计及构造框架柱截面设计及构造框架节点设计及构造 内力组合及最不利内力 对各种荷载 恒载 活载 风荷载及地震作用 分别计算内力后 进行荷载效应组合时 往往需要按一种以上的组合情况进行组合 这是因为在结构使用期限内 可能出现多种的组合情况 也即对于同一个构件或者同一个截面 多种组合产生的不同内力都可能出现 设计时要按照可能与最不利原则进行挑选 找出最不利内力进行构件截面设计 不同构件的最不利内力并不一定来自同一个组合 因此 如何选择构件截面的设计内力是内力组合的关键 1 控制截面及最不利内力类型构件设计 需要先找出控制截面 然后找出控制截面上的最不利内力 以此作为配筋设计的依据 控制截面 通常是内力最大的截面 但是 不同的内力 如弯矩 剪力 并不一定在同一个截面达到最大值 因此一个构件很有可能同时有几个控制截面 框架横梁 两个支座截面以及跨中截面通常为控制截面 支座截面是最大负弯矩及最大剪力作用的截面 而跨中截面一般为最大正弯矩作用截面 内力组合时要找出构件上最大正弯矩和最大负弯矩 用以计算上部及下部配筋 还要找到最大剪力 用以计算斜截面承载力 配置箍筋 柱子 由框架弯矩图可以知道 弯矩最大值都在上 下两个端截面 剪力和轴力在同一层中变化也不大 因此各层柱的控制截面可以取两个端截面 柱子是偏压构件 可能出现大偏压破坏 也可能出现小偏压破坏 大偏压情况下 弯矩越大越不利 小偏压情况下 弯矩越小越不利 所以对柱子要组合几种不利内力 从中判断出最不利内急作为配筋的依据 有时要用试算才能找出最大配筋 由于柱子一般为对称配筋 因此组合时只需找出绝对值最大的弯矩 不利内力可以归纳为如下四种 1 Mmax 与相应的N 2 Nmax与相应的M 3 Nmin与相应的M 4 M 比较大 不是最大 但N比较小或比较大 不是绝对最大或最小 有时 绝对最大或最小的内力不见得时最不利的 对于大偏心受压构件 弯矩越大 配筋越多 但对于小偏心受压构件 虽然N不是最大 但相应的弯矩M比较大时 配筋也会多一些 所以 组合时要找到这种情况 而且往往这种情况控制配筋 为了验算斜截面承载力 柱也要组合Vmax注意 在进行截面配筋计算时应采用构件端部截面的内力 而不是轴线处的内力 由上图可以看出 梁端弯矩较轴线处弯矩小 柱端情况一样 因此要在组合前经过换算 求出端截面的弯矩与剪力 然后再填入组合表中 梁端控制截面弯矩及剪力 2 塑性调幅 框架中允许梁端出现塑性铰 因此 在梁中可以考虑塑性内力重分布 通常是降低支座弯矩 以减小支座处的配筋 调幅系数 注意 塑性调幅主要是在竖向荷载下的内力调整 故要在组合前进行调幅 然后再和水平荷载作用下的内力进行组合 框架梁塑性调幅 支座弯矩降低后 为了避免当支座出现塑性铰后 跨中截面承载力不足 必须相应加大跨中设计弯矩 通常 跨中弯矩可以乘以1 1 1 2的调整系数 为了保证梁的安全 跨中弯矩还必须满足右图的条件 现浇框架 支座弯矩调幅系数采用0 8 0 9 装配整体式框架 由于钢筋焊接或者接缝不严等原因 节点容易产生变形 梁端弯矩较弹性计算结果会有所降低 故支座弯矩调幅系数可采用0 8 0 9 在罕遇地震作用下要求结构处于弹性状态是不必要 也是不经济的 通常是在中等烈度的地震作用下允许结构某些构件屈服 出现塑性铰 使结构刚度降低 塑性变形加大 当塑性铰达到一定数量后 结构会出现屈服现象 即承受的地震作用力不增加或增加很少 而结构变形迅速增加 延性结构的荷载 位移曲线 一 延性框架的概念 左图为延性结构的荷载 位移曲线 延性结构即是能维持承载能力而又具有较大塑性变形能力的结构 结构延性能力通常用顶点水平位移延性比来衡量 延性比定义 u y 其中 y 结构屈服时的顶点位移 u 能维持承载能力的最大顶点位移 框架梁截面设计及构造 延性结构的设计原则 1 强柱弱梁要控制梁 柱的相对强度 使塑性铰首先在梁端出现 尽量避免和减少柱子中的塑性铰 2 强剪弱弯对于梁 柱构件 要保证构件出现塑性铰而不过早剪坏 因此 要使构件抗剪承载力大于塑性铰抗弯承载力 为此要提高构件的抗剪承载力 3 强节点 弱杆件要保证节点区和钢筋锚固不过早破坏 不在梁 柱塑性铰充分发挥作用前破坏 4 强压弱拉要梁发生适筋梁破坏 注意 上述抗震措施要点 不仅适用于延性框架 也适用于其它钢筋混凝土延性结构 下面几节将主要介绍在延性框架中实现这些要点的措施 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 要求设计具有良好延性的框架梁 梁的破坏形态与延性钢筋混凝土梁有两种破坏可能 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 1 少筋破坏 2 超筋破坏 3 适筋破坏 受拉钢筋配置过少 钢筋屈服后立即被拉断而发生断裂破坏 脆性破坏 受拉钢筋配置过多 钢筋没屈服前混凝土就被压碎而丧失承载能力 脆性破坏 受拉钢筋配置合理 钢筋屈服后 由于钢筋流幅形成塑性铰 中和轴上升 直到压区混凝土被压碎而破坏 延性破坏 剪切破坏是脆性的 或者延性很小 要防止梁在屈服以前出现剪切破坏 即要求强剪弱弯 梁的钢筋配置 二 梁最小截面尺寸 框架主梁的截面高度可按 1 12 1 18 l确定 l为主梁计算跨度 满足此要求时 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 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 另外 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 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 1 构造要求 2 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符合下列要求 1 无地震作用组合时 2 有地震作用组合时 Vb 0 25 cfcbbhb0 跨高比大于2 5的梁 Vb 跨高比不大于2 5的梁 Vb 式中 c 混凝土强度影响系数 混凝土强度等级不高于C50时取1 0 为C80时取0 8 高于C50 低于C80时取线性插值 RE 承载力调整系数 fc 混凝土轴心抗压强度设计值 bb 梁的宽度 hb0 梁的有效高度 Vb 框架梁剪力设计值 按强剪弱弯原则调整梁的截面剪力 三 框架梁的混凝土受压区的限制 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 x h0 为0 20 0 35时 梁的位移延性可达3 4 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 具体要求如下 1 非抗震设计 2 抗震设计 x b h0 一级抗震等级 x 0 25hb0二 三级抗震等级 x 0 35hb0 式中hb0 梁截面有效高度 1 混凝土等效矩形受压区高度与中和轴高度的比值 当混凝土强度等级不大于C50时取0 8 当为C80时取0 74 其他情况按线性内插值取用 ES 钢筋弹性模量 x 等效矩形应力图的混凝土受压区高度 计算x时 应计入受压钢筋 其中 s 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 1 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 b 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 梁跨中截面受压区高度控制与非抗震设计时相同 抗震设计时 梁端截面的底面和顶面纵向钢筋截面面积应满足一定的比例 一方面是为了保证塑性铰区有足够的延性 另一方面是考虑地震作用可能引起受力方向的改变 受压钢筋的面积除按计算确定外 与顶面受拉钢筋面积的比值还应满足以下要求 一级框架梁 A s As 0 5二 三级框架梁 A s As 0 3式中As A s 梁端塑性铰区顶面受拉钢筋面积和底面受压钢筋面积 三 框架梁正截面抗弯承载力计算 1 梁受弯承载力的设计表达式 2 由抗弯承载力确定截面配筋 1 非抗震设计 0M Mu 2 抗震设计 REME Mu 1 无地震作用组合时 bx 1fc 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 bx 1fc A sfy Asfy As A s fy hb0 0 5x A sfy hb0 a Mb 式中M ME 非抗震和抗震设计时梁截面组合的弯矩设计值 Mu 梁截面承载力设计值 RE 承载力抗震调整系数 设计时 将 0M与 REME进行比较 然后取大者进行配筋计算 对于楼面现浇的框架结构 梁支座负弯矩按矩形截面计算纵筋数量 跨中正弯矩按T形截面计算纵筋数量 跨中截面的计算弯矩 应取该跨的跨间最大正弯矩或支座正弯矩与1 2简支梁弯矩之中的较大者 式中Mb 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 RE 承载力抗震调整系数 取0 75 四 框架梁斜截面抗剪承载力的验算 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 因此 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 1 无地震作用组合时 集中荷载对梁端产生的剪力占总剪力值的75 以上的矩形截面梁 对矩形 T形和工字形截面一般梁Vb Vb 1 5 3 2 有地震作用组合时 对矩形 T形和工字形截面一般梁Vb 集中荷载对梁端产生的剪力占总剪力值的75 以上的矩形截面梁 Vb 1 5 3 式中Vb 为保证延性框架梁塑性铰区的强剪弱弯的设计剪力 一 二 三级抗震时要根据梁的抗弯承载能力计算其设计值 bb hb0 梁截面宽度和有效高度 fyv 箍筋抗拉强度设计值 Asv 配置在同一截面内箍筋各肢的全部截面面积 s 箍筋间距 计算截面的剪跨比 在塑性铰区以外的各个梁截面 仍按照弹性计算所得的组合剪力 计算所需箍筋数量和间距 五 框架梁构造要求 承受地震作用的框架梁 除了保证必要的受弯和受剪承载力外 更重要的是要具有较好的延性 使梁端塑性铰得到充分开展 以增加变形能力 耗散地震能量 试验和理论分析表明 影响梁截面延性的主要因素有梁的截面尺寸 纵向钢筋配筋率 剪压比 配箍率 钢筋和混凝土的强度等级等 1 框架梁配筋率限制 2 纵向钢筋的配置 3 箍筋的配置 1 梁端加密区的配箍 2 抗震设计时 框架梁的箍筋设置 4 梁筋锚固 5 高层框架梁宜采用直钢筋 不宜采用弯起钢筋 1 框架梁配筋率限制 限制梁纵向受力钢筋最大配筋率是为防止截面发生脆性的混凝土受压区破坏 超筋梁破坏 而最小配筋率要求则是为了防止截面承载力过小而发生的钢筋拉断的破坏 少筋梁破坏 非抗震设计时 纵向受拉钢筋的最小配筋率不应小于0 2 和45ft fy两者的较大值 抗震设计时 纵向受拉钢筋的配筋率要求见表4 13 表4 13框架梁纵向受拉钢筋的最小配筋百分率 2 纵向钢筋的配置在地震作用效应与竖向荷载效应组合下 框架梁的弯矩分布和反弯点位置可能发生较大变化 故需配置一定数量贯通全长的纵向钢筋 为保持梁有一定的承载能力 沿梁全长顶面和底面应至少各配置两根纵向钢筋 一 二级抗震设计时钢筋直径不应小于14mm 且分别不应小于梁两端顶面和底面纵向配筋中较大截面面积的1 4 三 四级抗震设计和非抗震设计时钢筋直径不应小于12mm 一 二级抗震等级的框架梁内贯通中柱的每根纵向钢筋的直径 对矩形截面柱 不宜大于柱在该方向截面尺寸的1 20 对圆形截面柱 不宜大于纵向钢筋所在位置柱截面弦长的1 20 1 梁端加密区的配箍 在框架梁端可能出现塑性铰的区域 由于受到反复作用和截面较大的转动变形 应加强对该处混凝土的约束 同时也可提高梁的变形能力 增加延性 因此 进行抗震设计时 应设置梁端箍筋加密区 加密区长度 箍筋最大间距和最小直径应符合表8 2的要求 当梁端纵向钢筋配筋率大于2 时 表中箍筋最小直径应增大2mm 3 箍筋的配置 表4 14梁端箍筋加密区的长度 箍筋最大间距和最小直径 注 d为纵向钢筋直径 hb为梁截面高度 2 抗震设计时 框架梁的箍筋设置 框架梁沿梁全长箍筋的面积配筋率应符合下列要求 一级 sv 0 30ft fyv 第一个箍筋应设置在距支座边缘50mm处 在箍筋加密区范围内的箍筋肢距 一级不宜大于200mm和20倍箍筋直径的较大值 二 三级不宜大于250mm和20倍箍筋直径的较大值 四级不宜大于300mm 箍筋应有135 弯钩 弯钩端头直段长度不应小于10倍的箍筋直径和75mm的较大值 在纵向钢筋搭接长度范围内的箍筋间距 钢筋受拉时不应大于搭接钢筋较小直径的5倍 且不应大于100mm 钢筋受压时不应大于搭接钢筋较小直径的10倍 且不应大于200mm 框架梁非加密区箍筋最大间距不宜大于加密区箍筋间距的2倍 当梁截面宽度大于400mm且一层内的纵向受压钢筋多于3根时 或当梁截面宽度不大于400mm但一层内的纵向受压钢筋多于4根时 应设置复合箍筋 二级 sv 0 30ft fyv三级 四级 sv 0 30ft fyv式中 sv 框架梁沿梁全长箍筋的面积配筋率 4 梁筋锚固在反复荷载作用下 钢筋与混凝土的粘结强度将发生退化 梁筋锚固破坏是常见的脆性破坏形式之一 锚固破坏将大大降低梁截面后期受弯承载力和节点刚度 梁筋的锚固方式一般有两种 直线锚固和弯折锚固 在中柱常用直线锚固 在边柱常用90 弯折锚固 5 高层框架梁宜采用直钢筋 不宜采用弯起钢筋 当梁扣除翼板厚度后的截面高度大于或等于450mm时 在梁的两侧面沿高度各配置梁扣除翼板后截面面积的0 1 的纵向构造钢筋 其间距不应大于200mm 纵向构造钢筋的直径宜偏小取用 其长度贯通梁全长 伸入柱内长度按受拉锚固长度 如接头应按受拉搭接长度考虑 梁两侧纵向构造钢筋宜用拉筋连接 拉筋直径一般与箍筋相同 当箍筋直径大于10mm时 拉筋直径可采用10mm 拉筋间距为非加密区箍筋间距的2倍 框架柱抗震设计及构造 由于地震具有不确定性 不可能绝对防止在柱中出现塑性铰 为了安全储备要设计延性柱 国内 外历次大地震中 由钢筋混凝土柱失效造成的震害是很多的 房屋是否能够破坏而不倒 很大程度上与柱的延性好坏有关 近年来 国内外对钢筋混凝土柱的抗震性能作了大量试验研究 提出了延性柱的设计方法及一些抗震措施 柱承受压 弯 剪的共同作用 为保证延性 首先要防止脆性的剪切破坏 还要避免几乎没有延性的小偏压破坏 二 框架柱的最小截面尺寸 一 影响框架柱延性的主要因素 三 框架柱正截面承载力验算 四 柱斜截面承载力验算 五 框架柱的构造要求 一 影响框架柱延性的主要因素 1 剪跨比 2 轴压比 n 3 箍筋配筋率 v 影响钢筋混凝土柱破坏形态的主要因素是剪跨比 剪跨比 是反映柱截面承受的弯矩和剪力相对大小的一个参数 表示为 M Vhc 轴压比也是影响钢筋混凝土柱破坏形态和延性的一个重要参数 定义为 框架柱的箍筋有三个作用 抵抗剪力 对混凝土提供约束 防止纵筋压屈 二 框架柱的最小截面尺寸 1 构造要求 2 柱的轴压比限制 3 柱的剪压比限制 1 矩形截面柱的边长 非抗震设计时不宜小于250mm 抗震设计时不宜小于300mm 圆柱截面直径不宜小于350mm 2 不宜采用短柱 柱剪跨比宜大于2 3 柱截面高宽比不宜大于3 柱轴压比限值见表4 9 柱的截面中部附加纵筋的芯柱 2020 3 16 27 可编辑 2 有地震作用组合时 跨高比大于2 5的梁及剪跨比大于2的柱 Vc 0 20 cfcbchc0 0 15 cfcbchc0 3 柱的剪压比限制 1 无地震作用组合时 Vc 0 25 cfcbchc0 跨高比不大于2 5的梁及剪跨比不大于2的柱 Vc 三 框架柱正截面承载力验算 1 正截面承载力验算公式 2 柱计算长度l0 3 按强柱弱梁要求调整柱端弯矩设计值 4 柱的轴向力设计值 5 框架角柱地震作用效应的调整 1 无地震作用组合时 2 有地震作用组合时 2 柱计算长度l0 3 按强柱弱梁要求调整柱端弯矩设计值 柱的设计弯矩应满足下列要求 否则要加大柱截面弯矩设计值 1 抗震设计时 四级框架柱的柱端弯矩设计值可直接取考虑地震作用组合的弯矩值 2 一 二 三级框架的梁 柱节点处 除顶层和柱轴压比小于0 15者外 对于轴压比小于0 15的柱 包括顶层柱 因其具有与梁相近的变形能力 故可不必满足上述要求 柱端考虑地震作用组合的弯矩设计值应按下列公式予以调整 Mc c Mb 8 19a 9度抗震设计的结构和一级框架结构尚应符合 Mc 1 2 Mbua 8 19b Mbua可根据实际配筋面积 计入受压钢筋 和材料强度标准值并考虑承载力抗震调整系数计算 亦可按下式近似计算 3 当反弯点在柱的层高范围内时 柱端弯矩设计值可直接乘以柱端弯矩增大系数 c 4 试验研究还表明 框架底层柱根部对整体框架延性起控制作用 柱脚过早出现塑性铰将影响整个结构的变形和耗能能力 随着底层框架梁铰的出现 底层柱根部弯矩亦有增大趋势 为了避免框架柱脚过早屈服 适当加强底层柱的抗弯能力 一 二 三级框架结构的底层柱下端截面的弯矩设计值 应分别乘以增大系数1 5 1 25和1 15 此处 底层是指无地下室的基础以上或地下室以上的首层 4 柱的轴向力设计值 抗震设计时 框架节点上 下柱端的轴向压力设计值 应取地震作用组合下各自的轴向力设计值 一 二级抗震等级的框支柱 由地震作用引起的附加轴力应分别乘以增大系数1 5 1 2 但计算轴压比时 可不考虑此增大系数 5 框架角柱地震作用效应的调整 由地震引起的建筑结构扭转会使角柱地震作用效应明显增大 故应对角柱的地震作用效应予以调整 一 二 三级框架的角柱 经过上述调整后的组合弯矩设计值 剪力设计值尚应乘以不小于1 10的增大系数 四 柱斜截面承载力验算 1 偏心受压柱的受剪承载力 2 偏心受拉柱的受剪承载力 3 柱端组合剪力设计值的调整 4 框架角柱地震作用效应的调整 1 偏心受压柱的受剪承载力 2 偏心受拉柱的受剪承载力 3 柱端组合剪力设计值的调整 4 框架角柱地震作用效应的调整 由地震引起的建筑结构扭转会使角柱地震作用效应明显增大 故应对角柱的地震作用效应予以调整 一 二 三级框架的角柱 经过上述调整后的组合剪力设计值尚应乘以不小于1 10的增大系数 在长柱中 按照强剪弱弯要求计算得到的箍筋数量只需配置在柱端塑性铰区 即箍筋加密区 柱其余部分的钢筋按内力组合剪力计算得到 在短柱中 由于出现剪切破坏的可能性大 对抗震十分不利 因此 按照强剪弱弯要求计算得到的箍筋数量应在柱全高配置 在其他情况下 设计剪力按内力组合所得的最大剪力Vmax 五 框架柱的构造要求 1 截面尺寸 2 轴压比限值 3 纵向钢筋的配置 4 箍筋的构造要求 5 箍筋焊接 1 截面尺寸 l 矩形截面柱的边长 非抗震设计时不宜小于250mm 抗震设计时不宜小于300mm 圆柱截面直径不宜小