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第6章钢筋混凝土框架构件设计 本章介绍钢筋混凝土框架结构的设计 包括梁 柱和节点核心区三类构建 为实现抗震设防目标 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变形能力 延性框架及其概念 1 延性 延性 结构 构件的变形能力 构件延性 结构延性 6 1延性耗能框架的概念设计 延性框架 能维持承载能力而又具有较大的塑性变形能力的框架 2 延性设计措施 1 强柱弱梁 塑性铰应尽量出现在梁端 2 强剪弱弯 避免梁柱过早剪坏 以保证构件 结构的延性 3 强节点 强锚固 避免出现节点区破坏和钢筋锚固破坏 4 局部加强5 限制柱轴压比 加强柱箍筋对混凝土的约束 上述措施是通过相关构造措施满足的 6 1延性耗能框架的概念设计 6 1延性耗能框架的概念设计 影响梁截面延性的主要因素 1 梁的截面尺寸2 剪压比3 配箍率4 钢筋和混凝土强度等级5 纵向截面配筋率 1 纵筋配筋率对框架梁受力性能的影响 一般反映构件延性的指标是截面弯矩 曲率曲线 因为截面曲率和截面受压区高度成反比 因此构件截面的变形能力也可以用截面达到极限状态时的相对受压区高度来表示 根据理论分析 截面相对受压区高度越大 截面曲率越小 截面变形能力也越小 试验研究表明 当截面相对受压区高度在0 20 0 35之间时 梁的延性系数可达3 4 单筋截面梁 双筋截面梁 6 2框架梁抗震设计 1 纵筋配筋率对框架梁受力性能的影响 6 2框架梁抗震设计 试验表明 梁塑性铰区的截面剪压比对梁的延性 强度 刚度有显著影响 剪压比越大 梁的强度 刚度越差 当剪压比大于0 15时 增加箍筋配置量已经不能产生良好的效果了 控制梁截面剪压比 实际上就是控制梁的截面不能过小 2 剪压比对框架梁受力性能的影响 梁截面 名义剪应力V bh0 与混凝土轴心抗压强度设计值fc的比值 6 2框架梁抗震设计 试验表明 梁的跨高比对梁的抗震性能 延性 有明显的影响 当梁的跨高比小于2时 剪切变形的比重加大 极易发生以斜裂缝为主要特征的破坏 梁的延性降低 一般认为 梁的跨高比不宜小于4 当梁的设计内力较大时 若截面承载力不满足要求 宜首先考虑加大梁的宽度 3 跨高比对框架梁受力性能的影响 梁净跨与梁高之比 6 2框架梁抗震设计 在塑性铰区配置足够的封闭箍筋 对提高塑性铰的转动能力是十分有效的 在满足剪压比的前提下 配置足够的箍筋 对防止梁受压纵筋过早压屈 提高塑性铰区内混凝土的极限压应变以及防止斜裂缝的开展都有很好的作用 可见保证一定的配箍率有利于充分发挥塑性铰的变形和耗能能力 因此 在工程设计中 在框架梁的塑性铰区范围内 箍筋必须加密 4 配箍率对框架梁受力性能的影响 6 2框架梁抗震设计 非抗震设计 抗震设计 1 正截面承载力计算 6 2框架梁抗震设计 梁截框架面承载力抗震设计 梁截框架面承载力抗震设计 梁正截面承载力计算 仅须考虑承载力抗震调整系数即可 梁斜截面承载力计算 考虑抗震承载力调整系数外 还须考虑 强剪弱弯 的延性设计要求 2 框架梁的承载力计算 前言 为保证框架梁在地震力作用下呈梁铰型延性机构 减少梁端发生剪切脆性破坏的可能 梁端抗剪承载力应高于梁正截面承载力 即将框架设计成 强剪弱弯 的形式 具体设计中 根据框架不同的抗震等级 通过人为增大荷载作用组合在梁端剪力设计值的方式 增大梁端斜截面的承载力 从而达到延性框架 强剪弱弯 的要求 2 斜截面承载力计算 强剪弱弯 6 2框架梁抗震设计 一 二 三级框架梁剪力设计值 四级框架梁的剪力设计值不放大 直接采用地震作用效应组合的剪力设计值 梁端剪力设计值 6 2框架梁抗震设计 9度抗震和一级框架梁还应同时满足本式 梁端剪力设计值 6 2框架梁抗震设计 非抗震设计 均布力 集中力 抗震设计 均布力 集中力 梁斜截面受剪承载力设计值 有地震作用时 考虑到地震的反复作用将使梁剪压区混凝土剪切强度 斜裂缝间混凝土咬合力以及纵筋暗梢力降低 因此在抗震设计时 将斜截面承载力计算公式中混凝土一项的受剪承载力乘以0 6的系数进行折减 6 2框架梁抗震设计 非抗震设计 抗震设计 梁跨高比大于2 5 梁跨高比不大于2 5 根据高层框架梁的构造要求 不允许出现薄腹梁 梁受剪截面限制条件 6 2框架梁抗震设计 材料强度 6 2框架梁抗震设计 级框架梁 大于C30二 四级框架梁一 大于C20所有框架梁 不宜大于C40 梁高 跨度的1 10 1 18 不小于400mm不宜大于梁净跨的1 4梁宽 梁高的1 2 1 3 不宜小于200mm截面高宽比不宜大于4 截面尺寸 3 框架梁的构造要求 抗震设计时 抗震设计梁端纵向配筋率不宜大于2 5 保证梁的延性 梁底 梁顶均应有一定钢筋通长配置贯通中柱的一 二级框架梁 其纵筋直径不宜过大 保证锚固 梁端塑性铰区须配置一定的受压纵筋 保证梁的延性 纵向钢筋 6 2框架梁抗震设计 框架梁梁端塑性铰区受压钢筋 抗震构造 6 2框架梁抗震设计 二 三级抗震 一级抗震 箍筋 不宜用弯起钢筋抗剪 保证一定的配箍率 6 2框架梁抗震设计 箍筋 第一箍筋距梁边缘50mm 框架梁梁端箍筋加密 6 2框架梁抗震设计 6 3框架柱抗震设计 框架柱的设计 构造要求 柱截面设计 延性性能 1 剪跨比对柱延性的影响 反映柱截面弯矩和剪力比值的一个参数 表示为 M Vh0 h0为柱截面高度 6 3框架柱抗震设计 2 轴压比对柱延性的影响 6 3框架柱抗震设计 由理论分析可知 柱中箍筋对柱核心混凝土起着有效的约束作用 可显著提高受压混凝土的极限应变值 并能有效阻止柱身斜裂缝的开展 因此 足够的配箍率对柱延性的提高有良好的作用 但试验表明 柱箍筋配置率对柱延性的提高作用将随着柱截面轴压比的增大而减小 3 配箍率对柱延性的影响 6 3框架柱抗震设计 试验研究表明 柱截面在纵筋屈服后的转动能力 主要受纵向钢筋配筋率的影响 且大致随纵筋配筋率的增大而线形的提高 因此 为避免柱过早进入屈服阶段 保证柱的延性 柱的全部纵筋的配筋率也不能过小 4 纵筋配筋率对柱延性的影响 6 3框架柱抗震设计 框架柱截面设计 柱正截面偏心受力承载力计算 柱斜截面承载力计算 2 框架柱的承载力计算 6 3框架柱抗震设计 非抗震设计 抗震设计 符号说明 结构重要性系数 荷载效应组合的设计值 非抗震设计构件设计抗力值 抗震设计构件设计抗力值 承载力抗震调整系数 表10 2 同普通钢筋混凝土构件 重点 框架柱截面设计 6 3框架柱抗震设计 前言 为保证框架柱在地震力作用下具有足够的强度和刚度 框架柱正截面承载力应高于梁正截面承载力 即将框架设计成 强柱弱梁 的形式 具体设计中 根据框架不同的抗震等级 通过人为增大荷载作用组合在柱端内力设计值的方式 增大柱正截面的承载力 从而达到延性框架 强柱弱梁 的要求 1 正截面偏心受压承载力计算 6 3框架柱抗震设计 框架柱正截面偏心受力形态 偏心受压 偏心受拉 大偏压 小偏压 大偏拉 小偏拉 1 正截面偏心受压 6 3框架柱抗震设计 一 二 三级框架柱柱端弯矩设计值计算公式 弹性比 柱端弯矩设计值 1 4 1 1 1 2 6 3框架柱抗震设计 9度抗震和一级框架还应同时满足本式 注1 梁左右截面实配钢筋受弯承载力的设计值 6 3框架柱抗震设计 四级框架柱 轴压比小于0 15的框架柱 顶层柱的柱端弯矩不调整 直接采用抗震设计的组合结果 反弯点不在柱高范围内 柱端弯矩设计值直接乘以放大系数 一 二 三级底层框架柱下端截面弯矩值的放大系数分别取为1 5 1 25 1 15 推迟柱底截面塑性铰出现的时间 考虑到双向偏心的不利影响 角柱弯矩设计值应在上述调整之后 再乘以1 1的放大系数 注2 6 3框架柱抗震设计 柱正截面偏心受压承载力的计算方法同普通钢筋混凝土柱计算方法 但计算结果应考虑正截面承载力抗震调整系数 正截面偏心受压承载力计算 6 3框架柱抗震设计 前言 为保证框架柱在地震力作用下具有足够的强度和刚度 应将框架设计成 强柱弱梁 的形式 同样是为了保证框架柱的延性要求 框架柱的承载力还应该满足 强剪弱弯 的要求 即框架柱斜截面承载力应大于正截面承载力 具体设计中 根据框架不同的抗震等级 通过人为增大荷载作用组合在柱端剪力设计值的方式 增大柱斜截面的承载力 从而达到延性框架 强剪弱弯 的要求 通过放大柱端弯矩实现 2 斜截面承载力计算 6 3框架柱抗震设计 柱上下截面弯矩设计值 柱高 柱剪力增大系数 一 二 三级框架梁分别取1 4 1 2 1 1 一 二 三级框架柱柱端剪力设计值计算公式 由于强柱弱梁的考虑 已经放大过一次 柱端剪力设计值 6 3框架柱抗震设计 柱上下截面实配钢筋受弯承载力的设计值 其计算参见相关混凝土结构教材 注 在承载力计算公式中 应考虑承载力抗震调整系数 注 考虑双向偏心的不利作用 角柱剪力设计值宜在上述调整的基础上乘以不小于1 1的放大系数 9度抗震和一级框架还应同时满足本式 6 3框架柱抗震设计 偏压构件 偏拉构件 考虑到轴力以及地震往复荷载对柱受剪承载力的影响 柱斜截面受剪承载力的计算公式如下 非 抗 非 抗 斜截面受剪承载力计算 6 3框架柱抗震设计 根据静力作用下梁截面受剪的限制条件 考虑框架柱在地震作用时反复加载的不利影响 高规 规定 矩形截面框架柱的受剪截面应符合下列条件 非抗震设计 抗震设计 剪跨比大于2 剪跨比不大于2 框架柱受剪截面限制条件 6 3框架柱抗震设计 一级框架柱 大于C30二 四级框架柱 大于C209度抗震不宜大于C60 8度抗震不宜大于C70 材料强度 6 3框架柱抗震设计 截面尺寸 截面尺寸 截面最小边长 截面高宽比 柱的剪跨比 柱的轴压比 不宜大于3 矩形 圆形 250 300 350 不宜大于2 6 3框架柱抗震设计 纵向钢筋 纵筋最小配筋率 其它构造要求详见高规 6 3框架柱抗震设计 箍筋 箍筋加密区构造要求 其它构造要求详见教材161 1632页和高规 6 3框架柱抗震设计 1 框架节点的受剪承载力计算 框架节点设计 抗震设计 非抗震设计 通过构造措施保证 一 二级框架的非顶层节点 三 四级框架和顶层节点 所有节点 须进行受剪承载力计算 6 4梁柱节点核芯区抗震设计 框架节点受力简图 6 4梁柱节点核芯区抗震设计 节点剪力设计值 以中间节点为例 对顶层节点 取VC 0即可 6 4梁柱节点核芯区抗震设计 考虑到延性框架 强剪弱弯 的要求 须对框架节点的剪力进行放大处理 顶层节点 其它节点 一级 1 35二级 1 20 一级 1 35二级 1 20 6 4梁柱节点核芯区抗震设计 9度抗震和一级框架节点还须同时满足下式 顶层节点 其它节点 6 4梁柱节点核芯区抗震设计 节点受剪承载力 9度抗震设防 6 4梁柱节点核芯区抗震设计 节点受剪截面限制条件 为防止节点截面太小 核心区混凝土承受过大的斜压应力以致使节点区混凝土先于箍筋被压碎 框架节点的水平截面应符合如下条件 6 4梁柱节点核芯区抗震设计 强度等级 框架节点的混凝土强度等级限制条件和框架柱相同 装配整体式的框架的节点的混凝土强度等级宜比预制柱提高5MPa 6 4梁柱节点核芯区抗震设计 箍筋 框架节点核心区应布置水平箍筋 非抗震设计 与柱箍筋配置情况相同 且箍筋间距不大于250mm 抗震设计 在满足节点受剪承载力的前提下