第四章-混凝土框架结构抗震验算PPT课件.ppt

混凝土框架结构抗震设计 第四章 1 4 1概述 多层和高层钢筋混凝土结构体系包括 框架结构 框架 抗震墙结构 抗震墙结构 筒体结构和框架 筒体结构等 本章仅介绍前两种 钢筋混凝土框架房屋 钢筋混凝土纵梁 横梁和柱等构件组成承重体系的房屋 框架 抗震墙结构 在框架房屋中增加抗震墙构成 钢筋混凝土框架房屋层数一般在十层以下 抗震墙主要承受水平荷载 框架主要承受竖向荷载 2 可编辑 抗震墙 框架房屋 框架 抗震墙 4 1概述 3 可编辑 一 结构层间屈服强度有明显的薄弱楼层 4 2震害及其分析 在强烈地震作用下 结构的薄弱楼层率先屈服 发展弹塑性变形 并形成弹塑性变形集中的现象 不能发挥整体的抗震能力 1976年唐山大地震中 位于天津塘沽区的天津碱厂十三层蒸吸塔框架 该结构楼层屈服强度分布不均匀 造成6层和11层的弹塑性变形集中 导致6层以上全部倒塌 右图为该结构输入天津波的弹塑性分析结果 4 可编辑 二 框架梁 柱的震害 梁柱变形能力不足 构件过早发生破坏 一般是梁轻柱重 柱顶重于柱底 尤其是角柱和边柱更易发生破坏 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 纵筋压曲成灯笼状 主要原因 节点处弯矩 剪力 轴力都较大 受力复杂 箍筋配置不足 锚固不好等 破坏不易修复 5 可编辑 2 柱底 与柱顶相似 由于箍筋较柱顶密 震害相对柱顶较轻 二 框架梁 柱的震害 6 可编辑 3 短柱 当柱高小于4倍柱截面高度 H b 4 时形成短柱 短柱刚度大 易产生剪切破坏 二 框架梁 柱的震害 7 4 角柱 由于双向受弯 受剪 加上扭转作用 震害比内柱重 5 梁柱节点 节点核心区产生对角方向的斜裂缝或交叉斜裂缝 混凝土剪碎剥落 节点内箍筋很少或无箍筋时 柱纵向钢筋压曲外鼓 节点破坏的主要原因是节点的受剪承载力不足 约束箍筋太少 梁筋锚固长度不够以及施工质量差所引起 节点破坏将导致梁柱失去相互之间的联系 二 框架梁 柱的震害 8 6 框架梁 震害多发生于梁端 在地震作用下梁端纵向钢筋屈服 出现上下贯通的垂直裂缝和交叉裂缝 破坏的主要原因是梁端屈服后产生的剪力较大 超过了梁的受剪承载力 梁内箍筋配置较稀 以及反复荷载作用下混凝土抗剪强度降低等 二 框架梁 柱的震害 9 可编辑 三 填充墙的震害 砌体填充墙刚度大而承载力低 首先承受地震作用而遭破坏 一般7度即出现裂缝 8度和8度以上地震作用下 裂缝明显增加 甚至部分倒塌 一般是上轻下重 空心砌体墙重于实心砌体墙 砌快墙重于砖墙 框架 剪力墙结构上部较严重 框架结构下部震害严重 10 可编辑 填充墙破坏的主要原因是 墙体受剪承载力低 变形能力小 墙体与框架缺乏有效的拉结 在往复变形时墙体易发生剪切破坏和散落 三 填充墙的震害 11 可编辑 四 抗震墙的震害 在强震作用下 抗震墙的震害主要表现在墙肢之间连梁的剪切破坏 主要是由于连梁跨度小 高度大形成深梁 在反复荷载作用下形成X型剪切裂缝 为剪切型脆性破坏 尤其是在房屋1 3高度处的连梁破坏更为明显 12 可编辑 五 防震缝的震害 防震缝宽度过小 地震时结构相互碰撞造成震害 总结以上震害调查结果 除注意场地和地基因素外 从结构上主要应注意 1 结构的刚度在平面上和沿竖向的分布要规则 均匀 2 结构构件要有足够的承载力和延性 3 重视构造 加强对混凝土的约束 防止剪切 锚固等脆性破坏 4 保证施工质量 13 可编辑 原因 单跨框架 结构冗余度不够 14 可编辑 原因 单跨框架 结构冗余度不够 15 可编辑 集集地震中 高层建筑扭转破坏 平面不规则 16 可编辑 集集地震中 底框结构破坏 竖向不规则 17 可编辑 学校建筑 纵向无墙走廊大悬臂 严重破坏 18 可编辑 走廊有柱 破坏较轻 19 可编辑 走廊有柱 带翼墙 震害较轻 20 可编辑 临街建筑 单面纵墙 刚度偏心 倒塌 21 可编辑 4 3钢筋混凝土结构房屋设计特点及概念设计 一 单柱及群柱的曲线 位移延性比 22 一 单柱及群柱的曲线 23 可编辑 二 钢筋混凝土结构的抗震设计特点 使用阶段或在常遇地震作用时 结构在弹性范围工作 在基本烈度地震作用时 结构在弹塑性范围工作 在罕遇烈度地震作用时 结构亦在弹塑性范围工作 程度不同 24 可编辑 三 钢筋混凝土结构的概念设计 1 设置多道抗震防线 2 合理控制结构的弹塑区部位 1 结构有较好的塑性内力重分布能力 2 结构有较宽的约束屈服范围及极限变形 3 局部破坏不致导致整个结构失效及具有易于修复的可能性 3 加强结构的整体性和构件间的连接 4 抗侧力构件的刚度 强度 延性应有适当的对应关系 5 上部结构应与地基条件适应 25 4 4抗震设计的一般规定 一 房屋的适用最大高度和最大高宽比 26 一 房屋的适用最大高度和最大高宽比 注 1 房屋高度指室外地面到主要屋面板板顶的高度 不包括局部突出屋顶部分 2 框架一核心筒结构指周边稀柱框架与核心筒组成的结构 3 部分框支抗震墙结构指首层或底部两层为框支层的结构 不包括仅个别框支墙的情况 4 表中框架 不包括异形柱框架 5 板柱一抗震墙结构指板柱 框架和抗震墙组成抗侧力体系的结构 6 乙类建筑可按本地区抗震设防烈度确定其适用的最大高度 7 超过表内高度的房屋 应进行专门研究和论证 采取有效的加强措施 27 可编辑 一 房屋的适用最大高度和最大高宽比 高层建筑的高宽比限值 28 可编辑 二 结构的抗震等级 地震作用下 钢筋混凝土结构的地震反应有下列特点 1 地震作用越大 房屋的抗震要求越高 2 结构的抗震能力主要取决于主要抗侧力构件的性能 3 房屋越高 地震反应越大 抗震要求越高 地震作用与烈度 场地等有关 从经济角度考虑 对不同烈度 场地的结构的抗震要求可以有明显的差别 主 次抗侧力构件的抗震要求应有差别 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 29 可编辑 二 结构的抗震等级 30 可编辑 二 结构的抗震等级 31 可编辑 丙类建筑抗震等级的划分应注意 1 建筑场地为I类时 除6度外应允许按表内降低一度所对应的抗展等级采取抗展构造措施 但相应的计算要求不应降低 2 接近或等于高度分界时 应允许结合房屋不规则程度及场地 地基条件确定抗展等级 3 大跨度框架指跨度不小于18m的框架 4 高度不超过60m的框架一核心筒结构按框架一抗及墙的要求设计时 应按表中框架一抗及墙结构的规定确定其抗及等级 二 结构的抗震等级 32 1 甲 乙 丁类建筑应按抗震设防标准中的抗震措施所要求的设防烈度按上表确定抗震等级 2 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 抗震墙结构中的抗震墙确定抗震等级 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 二 结构的抗震等级 33 可编辑 框架承受的地震倾覆力矩可按下式计算 二 结构的抗震等级 34 可编辑 3 裙房与主楼的等级 裙房顶部上下各一层应提高抗震措施 图中c为抗震等级 裙房与主楼相连 除应按裙房本身考虑外 不应低于主楼的抗震等级 主楼结构在裙房顶层及相邻上下各一层应适当加强抗震构造措施 裙房与主楼分离时 应按裙房本身确定抗震等级 二 结构的抗震等级 35 可编辑 4 多层与高层建筑的地下室 当地下室顶板作为上部结构的嵌固部位时 地下一层的抗震等级应与上部结构相同 地下一层以下的抗震等级可根据具体情况采用三级或更低等级 地下室中无上部结构的部分 可根据具体情况采用三级或更低等级 二 结构的抗震等级 三 建筑结构布置宜规则 36 可编辑 四 合理设计结构破坏机制 1 框架结构 为了充分发挥整个结构的抗震能力 较合理的地震破坏机制应为节点基本不破坏 梁比柱的屈服能早发生 多发生 同一层中 各柱两端屈服历程越长越好 底层柱底的塑性铰宜最晚发生 梁柱端的塑性铰出现得尽可能分散 2 框架 抗震墙结构 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 使其成弯剪破坏 连梁宜在梁端塑性屈服 且有足够的变形能力 在墙段充分发挥抗震作用前不失效 37 可编辑 五 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接破坏 延性破坏和脆性破坏两者的变形性能差别很大 与其相关的因素有 抗剪和抗弯承载力之比 剪跨比 剪压比 轴压比 主筋率 配筋率 箍筋形式 混凝土和钢筋材料 钢筋连接和锚固方式等 规范中许多规定都属于这方面的要求 38 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 其最小宽度应符合下面要求 高层建筑宜选用合理的建筑结构方案 不设防震缝 1 防震缝 1 钢筋混凝土框架房屋的防震缝宽度 当高度不超过15m时可采用70mm 超过15m时 6 7 8 9度相应每增加高度5m 4m 3m 2m 宜加宽20mm 六 防震缝与抗撞墙 2 框架 抗震墙结构房屋的防震缝宽度可采用框架规定数值的50 且不宜小于70mm 3 防震缝两侧结构类型不同时 按不利体系考虑 并按低的房屋高度计算缝宽 39 可编辑 8 9度设防的钢筋混凝土框架房屋防震缝两侧的结构 当结构高度 刚度或层高相差较大时 可在防震缝两侧房屋的尽端设垂直于防震缝的抗撞墙 2 抗撞墙 每一侧的数量不应少于两道 宜分别对称布置 墙肢的长度可不大于一个柱距 内力应按考虑和不考虑抗撞墙两种情况进行分析 按不利情况取值 抗撞墙的端柱和框架边柱箍筋应沿房屋全高加密 40 可编辑 2 钢筋混凝土框架的梁 柱构件应避免剪切破坏 强剪弱弯 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 七 钢筋混凝土框架的结构体系 1 钢筋混凝土框架结构宜对称布置 3 钢筋混凝土框架的梁 柱构件之间应设置成 强柱弱梁 4 梁柱节点的承载力宜大于梁 柱构件的承载力 强节点 强锚固 41 可编辑 强剪弱弯 抗震设计三原则 强柱弱梁 强节点 强锚固 七 钢筋混凝土框架的结构体系 42 可编辑 抗震墙的一般布置原则是 均匀 分散 对称 周边 八 框架 剪力墙结构的结构布置 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布置 贯通房屋全高 且横向与纵向抗震墙宜相连 互为翼墙 以提高其刚度和承载能力 一般情况下 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 2 抗震墙布置位置的选择 房屋较长时 纵向抗震墙不易设置在端开间 43 可编辑 3 抗震墙布置的具体要求 1 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 这种竖向通道不宜独立设在柱网之外的中间位置 八 框架 剪力墙结构的结构布置 44 可编辑 2 纵横向抗震墙成组布置 纵横向抗震墙宜合并布置为L形 T形和口字形 八 框架 剪力墙结构的结构布置 45 可编辑 3 合理调整抗震墙的长度 为了保证抗震墙具有足够的的延性 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宜大于2 较长的单片墙可以留出结构洞口 划分成联肢墙的两个墙肢 八 框架 剪力墙结构的结构布置 46 可编辑 4 抗震墙的最大间距 抗震墙间距不应过大 抗震墙之间无大洞口的楼 屋盖的长宽比宜满足下表要求 抗震墙之间的楼 屋盖有较大开洞时 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 八 框架 剪力墙结构的结构布置 47 可编辑 抗震墙的端部钢筋配置在柱截面内 4 抗震墙的边框梁 柱 框架梁应保留 当无法设置明梁时应设置暗梁 暗梁的高度 纵筋 箍筋与明梁相同 配置在墙身内 八 框架 剪力墙结构的结构布置 48 可编辑 一 水平荷载作用下的反弯点法 4 5框架结构抗震设计 49 可编辑 1 求各柱剪力时 假定各柱上下端都不发生角位移 即认为梁的线刚度与柱线刚度之比为无限大 即各柱的抗剪刚度只与柱本身有关 2 确定柱反弯点位置时 假定除底层以外的各层柱的上下端节点转角均相同 即除底层外 假定各层框架柱的反弯点位于柱高的中点 对于底层柱 则假定其反弯点距支座2 3柱高处 即反弯点位置是定值 3 梁端弯矩可由节点平衡条件求出 并按结点左右梁的线刚度进行分配 基本假定 求框架的内力步骤 求出各柱内剪力 确定反弯点位置 各柱端弯矩 梁端弯矩 整个框架内力 一 水平荷载作用下的反弯点法 50 可编辑 设框架有n层 每层有m个柱 以第j层为分析对象 沿柱反弯点切开来 示出其内力 有剪力 轴力 弯矩为零 则按水平力平衡条件得层间总剪力为 VFj 层间总剪力 51 框架受侧向荷载时 框架柱内的剪力 12i h2称为柱的抗侧刚度 抗剪刚度 由假定1 由假定2可求出各柱的杆端弯矩 对于底层柱 一 水平荷载作用下的反弯点法 52 对于上部各层柱 由假定3 节点平衡条件 可求出梁端弯矩 一 水平荷载作用下的反弯点法 53 二 水平荷载作用下的D值法 1 由于框架各层节点转角不可能相等 故柱的反弯点位置也不可能都在柱中点 2 由于梁柱线刚度之比不可能为无穷大 故柱的抗侧移刚度也不完全取决于柱本身 还与梁的刚度由关 1 反弯点法存在的问题 2 修正后的柱抗侧移刚度 考虑柱上下端节点的弹性约束作用后 柱的抗侧移刚度为 54 可编辑 二 水平荷载作用下的D值法 55 可编辑 推导的基本假定为 1 柱AB及与其上下相邻的柱的线刚度均为ic 2 柱AB及与其上下相邻的柱的层间位移均为 uj 3 柱AB两端节点及与其上下左右相邻的各个结点的转角均为i1 i2 i3 i4 推得j层k柱抗侧移刚度 框架柱内的剪力 二 水平荷载作用下的D值法 56 可编辑 比较反弯点法和修正反弯点法 D值法的抗侧移刚度 后者多了一个修正系数 反映节点转动降低了柱的抗侧移能力 节点转动大小 取决于梁对柱节点转动的约束程度 梁越刚 对柱的约束能力越大 节点转角越小 越接近1 当框架梁线刚度K 1 反弯点法和D值法的抗侧移刚度相等 求出D值后则得 二 水平荷载作用下的D值法 57 可编辑 D值法关键在于求 K 详见下表 二 水平荷载作用下的D值法 58 可编辑 3 修正后的柱反弯点高度 各柱反弯点的位置取决于该柱上下端转角的比值 若柱上下端转角相同 反弯点则在柱高中点 若柱上下端转角不同 则反弯点偏向转角大的一端 即偏向约束刚度较小的一端 影响柱两端转角大小的因素 侧向外荷载形式 梁柱线刚度比 结构总层数及该柱所在层数 柱上下横梁线刚度比 上下层层高变化 二 水平荷载作用下的D值法 59 可编辑 1 标准反弯点高度比yn 标准框架各层柱的反弯点高度为ynh 查表 2 上下横梁线刚度变化时对反弯点高度比的修正值y1 y1带符号 底层不考虑y1 3 层高变化对反弯点的修正y2 y3 y2 y3亦带符号 考虑上述因素后 二 水平荷载作用下的D值法 60 可编辑 61 可编辑 三 框架内力计算步骤 1 求框架柱的抗侧刚度D 2 求各柱剪力VjK Djk Djk VFj 3 求各柱反弯点高度yh 并由各柱Vjk计算柱端弯矩Mcb和Mct 4 利用节点平衡并按刚度分配求梁端弯矩Mbl Mbr 5 利用梁端弯矩求梁两端剪力Vbl Vbr 6 利用梁端剪力和上柱轴力求下柱的轴力Nc 62 可编辑 4 5钢筋混凝土框架的抗震设计 一 一般概念 1 梁与柱的弯曲延性 实验表明柱变形能力随轴压比增大而急剧降低 N为组合轴压力设计值 b h为截面的短长边 fc为混凝土抗压强度设计值 轴压比 柱组合的轴压力设计值与柱的全截面面积和混凝土抗压强度设计值乘积之比 即 它是控制偏心受拉边钢筋先到抗拉强度 还是受压区混凝土先达到其极限压应变的主要指标 63 配筋率对延性影响也很大 配筋率增大则弯曲延性差 适当提高混凝土强度等级 可使配筋率减少 弯曲延性改善 截面中配置受压钢筋可以改善构件的弯曲延性 2 受剪构件的剪跨比及破坏特征 h0为截面有效高度 剪跨比 构件在弯矩和剪力共同作用下 受剪破坏与剪跨比有关 脆性破坏 当且配筋箍适量时 发生剪压破坏 延性破坏 一 一般概念 64 可编辑 在水平地震作用下 梁柱的剪跨比可以直接通过梁的跨高比和柱的高厚比表示 设反弯点在构件中央 对于梁 对于柱 一 一般概念 65 可编辑 1 平面或楼层有局部薄弱环节 不能发挥整体抗震能力 3 震坏房屋在设计上存在的问题 2 梁柱变形能力不足 构件过早破坏 3 梁柱节点箍筋不足 节点受震破坏 梁柱失去了相互之间的联系 4 砌体填充墙破坏 5 其他 一 一般概念 66 可编辑 1 框架塑性效应较多地发生在梁端 底层柱的塑性效应较晚形成 4 框架结构抗震设计的正确指导思想 2 梁柱在弯曲破坏前 避免发生其它形式破坏 如剪切破坏 粘结破坏等 3 在梁 柱破坏之前 节点应有足够的强度即变形能力 4 重视非结构构件设计 强柱弱梁 强剪弱弯 强节点 强锚固 一 一般概念 67 可编辑 两种破坏形式 二 强柱弱梁 框架的抗震设计 弱柱型 弱梁型 为了使塑性铰首先在梁中出现 同一节点柱的抗弯能力要大于梁的抗弯能力 68 抗震规范规定 一 二 三 四级框架的梁柱节点处 除顶层和柱轴压比小于0 15外 柱端组合弯矩设计值应符合下列公式要求 9度和一级框架结构尚应符合 二 强柱弱梁 框架的抗震设计 69 可编辑 为了不使框架底层柱过早出现塑性铰 规范规定 一 二 三 四级框架底层柱底截面组合的弯矩设计值应分别乘以增大系数1 7 1 5 1 3 1 2 二 强柱弱梁 框架的抗震设计 70 1 梁 柱的抗剪强度要高于它的抗弯强度 强剪弱弯 9度和一级框架结构尚应符合 三 梁 柱延性破坏之前不发生其它脆性破坏的抗震设计 为了避免梁在弯曲破坏前发生剪切破坏 应按 强剪弱弯 的原则调整框架梁端部截面组合的剪力设计值 一 二 三级框架梁及抗震墙的连梁 71 一级的框架结构和9度的一级框架可不按上式调整 但应符合下式要求 三 梁 柱延性破坏之前不发生其它脆性破坏的抗震设计 一 二 三 四级的框架柱和框支柱组合的剪力设计值 72 可编辑 跨高比大于2 5时 剪压比 截面内平均剪应力与混凝土抗压强度设计值之比 即 2 梁 柱截面的剪压比不宜过大 剪压比过大 混凝土会过早发生斜压破坏 箍筋不能充分发挥作用 它对构件的变形能力也有显著影响 因此应控制 跨高比等于或小于2 5时 73 可编辑 剪跨比宜大于2 剪跨比按下式计算 3 梁 柱的剪跨比要有所限制 反弯点位于中部时 可按构件净长与2倍截面高度之比计算 三 梁 柱延性破坏之前不发生其它脆性破坏的抗震设计 74 可编辑 为了提高梁的正截面塑性铰转动延性 梁的纵向配筋率不宜过高 为此 框架梁的纵向配筋应符合下列要求 5 纵向钢筋的配筋率应该合适 a 梁端纵向受拉钢筋的配筋率不宜大于2 5 梁端截面最大配筋率应使计入受压钢筋的梁端截面受压区相对高度 即截面受压区高度与有效高度比 应满足 一级不应大于0 25 二 三级不应大于0 35 b 梁端截面的底面和顶面纵向钢筋配筋量的比值 除按计算确定外 一级不应小于0 5 二 三级不应小于0 3 c 沿梁全长顶面和底面的配筋 一二级不应少于且分别不应少于梁两端顶面和底面纵向配筋中较大截面面积的1 4 三四级不应少于 三 梁 柱延性破坏之前不发生其它脆性破坏的抗震设计 75 可编辑 柱的纵向配筋应符合下列要求 对于柱 a 宜对称布置 b 截面尺寸大于400mm的柱 纵向钢筋间距不宜大于200mm c 纵向钢筋的最小配筋率应按下表采用 d 柱的总配筋率不应大于5 e 一级且剪跨比大于2的柱 每侧纵向钢筋配筋率不宜大于1 2 76 可编辑 77 可编辑 框架节点破坏的主要形式是节点核心区剪切破坏和钢筋锚固破坏 四 框架的节点设计 节点主要受剪力和压力的组合作用 节点核心区未开裂前 箍筋应力很小 基本上是混凝土承受剪力 约当剪力达到核心区极限抗剪能力60 70 时 混凝土突然发生对角贯通裂缝 节点刚度明显降低 箍筋应力也突然增大 个别甚至屈服 此后斜裂缝增多赠宽 箍筋陆续达到屈服 节点区的破坏与交于节点的梁 柱破坏顺序有关 弱柱强梁型的节点区破坏严重 直交梁对节点核心区有明显约束作用 满足一定条件的四边有梁的节点 核心区混凝土抗剪强度可提高50 100 节点区的破坏与交于节点的梁 柱破坏顺序有关 弱柱强梁型的节点区破坏严重 78 可编辑 根据强节点的设计要求 框架节点的设计准则是 四 框架的节点设计 79 1 节点核心区受剪承载力的验算 1 节点核心区组合的剪力设计值 9度和一级框架尚应符合 80 可编辑 2 框架节点核心区截面受剪承载力的验算 一 二级框架 9度时 三 四级框架节点核心区可不进行抗震验算 但应符合构造措施的要求 81 可编辑 4 5关于楼梯 3 6 6利用计算机进行结构抗震分析 应符合下