[工学]第5章-2 钢筋混凝土框架、抗震墙与框架-抗震墙房屋

回顾上节主要内容,1.震害特征,1)结构布置不合理产生的震害,2)防震缝处碰撞,3)框架整体的震害,4)框架梁的震害,5)框架柱的震害,6)框架梁柱节点的震害,7)填充墙的震害,8)抗震墙的震害,2.抗震概念设计,框架,抗震墙,框架-抗震墙,）特点,）最大适用高宽比,（二）抗震等级的划分*,（三）结构布置*,（四 ）结构材料的选择*,2）最大适用高度,重要性类别、设防烈度、结构类型及房屋高度,结构平面布置,结构竖向布置,防震缝的设置,5.4 框架、抗震墙和框架-抗震墙结构水平地震作用计算,对于高度不超过40m、质量和刚度沿高度分布比较均匀的框架结构，可采用底部剪力法计算：,结构基本周期的确定：,对于多层钢筋混凝土框架采用能量法：,对于高层钢筋混凝土框架、框架-抗震墙结构采用顶点位移法：,经验公式法：,框架结构和框架-抗震墙结构：,抗震墙结构：,5.5 框架结构的抗震设计,1、框架结构抗震概念设计,主要内容,1.柱网布置2.选择框架结构的结构类型及承重方案3.确定框架结构抗震设防的类别及设防烈度4.确定框架结构的抗震等级5.防震缝及材料选择,1.柱网布置,（c）对称不等跨式,（b）等跨式,（a）内廊式,框架结构的柱网布置既要满足生产工艺和建筑平面的要求，又要使结构受力合理，施工方便。,（a）横向框架承重方案,（b）纵向框架承重方案,（c）纵横向框架承重方案,（d）纵横向框架承重方案,2.选择框架结构的结构类型及承重方案,现浇楼板,预制楼板,3.确定框架结构抗震设防的类别及设防烈度,我国建筑抗震设计规范根据建筑物重要性及受地震破坏后果的严重性，将建筑物的抗震设防分为四类：甲类建筑、乙类建筑、丙类建筑、丁类建筑,丙类建筑抗震等级宜按表5划分；其他设防类别的建筑，则应按前述抗震设防分类和设防标准的规定调整后再按表-5划分抗震等级。,抗震设防的烈度：是一个地区进行抗震设防的依据。,4.确定框架结构的抗震等级,多层及A级高度的框架结构抗震等级,5.防震缝及材料选择,2、框架结构抗震计算及验算,计算手段 电算: 采用振型分解反应谱法或时程分析法计算地震作用时常采用电算方法（如PKPM、ETABS等） 。对计算结果应作出正确的判断，方可应用于工程设计；,手算: 采用底部剪力法计算地震作用时，通常采用手算方法。,（2）实际结构是空间体系，但对于规则的框架结构一般可以简化为平面结构进行抗震计算，即一榀框架只抵抗自身平面内的侧向地震作用，各平面结构通过楼盖（屋盖）连接而协同工作，各层楼盖平面内刚度无限大，平面外刚度很小，可忽略。,（1）虽然地震作用的方向是任意的，但在抗震设计时，必须对结构的纵、横两个方向进行抗震计算。,计算假定,(a),(b),(c),(d),框架结构计算简图,1水平地震作用计算及变形验算,（1）结构计算简图选择及重力荷载代表值计算,（3）楼层地震剪力的计算,最小楼层地震剪力,楼层地震剪力,（4）弹性变形验算,（2）水平地震作用计算 (方法选择),水平荷载作用下框架的变形,2水平地震作用下的框架内力计算,反弯点法,(假定梁刚度无限大),D值法,考虑柱上下两端节点转动影响后的柱侧移刚度的修正；考虑了柱反弯点位置变化的修正。,（1）反弯点法适用于层数较少、梁柱线刚度比大于的情况，计算比较简单。,由受力特点可知，框架受力后节点会产生转角和侧移，但根据分析，当梁与柱的线刚度之比大于3时，节点转角很小，对内力影响不大，故可忽略即转角=0，实际上这等于是把框架梁简化为一刚性梁。,基本假定如下：,（1）在求各柱子的剪力时，假定梁与柱的线刚度比为无穷大，即各节点转角为零；,（2）在确定柱的反弯点位置时，假定除底层以外的其余各柱，受力后上下两端转角相同；,（3）梁端弯矩可按梁的线刚度进行分配。,柱的反弯点高度,反弯点高度，指反弯点至柱下端的距离。,对于底层以上的各层柱，根据假定（2），各柱的上下端转角相等,则柱的上下端弯矩也应相同,所以反弯点在柱中部。对于底层柱,当柱脚固定时，柱下端转角为零，上端转角为1，因此柱上端弯矩比下端弯矩小,其反弯点则偏离柱中点而向上移,故反弯点在距固定端2/3高度处。,各柱反弯点处的剪力,设框架结构共有n层，每一层有m个柱子，框架节点上作用有水平地震荷载 ，如图，,将框架沿第j层各柱的反弯点处切开，代以剪力和轴力，如图所示，本层总剪力为Vj,第j层所受到的总剪力,根据内外力平衡条件有,第 j层第k柱所承受的剪力,由外荷载所产生的第j层剪力 由本层m个柱子共同承担，即,同层中各柱所分担的剪力的大小，与各柱自身抵抗水平位移的能力有关，即与柱子的抗侧移刚度rjk有关，由力学知识可知：,对第 j层第k柱，在djk作用下，柱顶产生单位侧移，在剪力Vjk作用下，将产生侧移jk ， 则,由基本假定（3）可知，同层各柱顶位移相同，即,由此得,由此可知，水平荷载作用下同层各柱的剪力是根据各自的抗侧刚度的大小来进行分配的。,当同层各柱的高度相同时，此时各柱的剪力可按柱子的线刚度的大小进行分配。,柱端弯矩及梁端弯矩的计算,柱端弯矩,根据柱的反弯点位置及反弯点处的剪力，即可求出柱端弯矩。对于底层柱，有：,对于上部各层柱，有：,上式中上标t、b分别表示柱的顶端与底端。,梁端弯矩,求出各柱端弯矩后，利用节点弯矩平衡条件即可求得梁端弯矩。,对边柱节点有：,对于中柱节点，先求出梁端总弯矩：,再根据节点两侧梁线刚度的大小，将总弯矩（ ）分配到各梁上去，即：,梁端剪力及柱子轴力,以各个梁为脱离体，将梁的左、右端弯矩之和除以梁跨长，便得梁端剪力 ,如下图,将每层每跨的梁端剪力求出后，自上而下逐层叠加节点左右的梁端剪力，即可得到柱的轴向力，如下图所示,反弯点法的缺点,反弯点法首先假定梁柱之间的线刚度比为无穷大，其次又假定柱的反弯点高度为一定值，从而使框架结构在侧向荷载作用下的内力计算大大简化。但是，在实际工程中，横梁与立柱的线刚度比较接近。尤其对于高层建筑，由于各种条件的限制，柱子截面往往较大，经常会有梁柱相对线刚度比较接近，甚至有时柱的线刚度反而比梁大。特别是在抗震设防的情况下，强调“强柱弱梁”，柱的线刚度可能会大于梁的线刚度。这样在水平荷载作用下，梁本身就会发生弯曲变形而使框架各结点既有转角又有侧移存在，从而导致同层柱上下端的M值不相等，反弯点的位置也随之变化。这时如果仍然用反弯点法计算框架在水平荷载作用下的内力，其计算结果误差较大。,反弯点法的缺点,另外，反弯点法计算反弯点高度y时，假设柱上下节点转角相等，这样误差也较大，特别在最上和最下数层。此外，当上、下层的层高变化大，或者上、下层梁的线刚度变化较大时，用反弯法计算框架在水平荷载作用下的内力时，其计算结果误差也较大。,综上所述，反弯点法缺点如下：,反弯点法的缺点,1）柱的抗侧刚度只与柱的线刚度及层高有关。,2）柱的反弯点位置是个定值。,反弯点法之所以存在以上缺点，根源在于没有考虑节点转动带来的影响。由于节点的转动，导致用反弯点法计算的内力误差较大。有鉴于此，日本人武藤清于1933年提出D值法（D即修正后的柱侧移刚度，亦即：使框架柱产生单位水平位移所需施加的水平力）对反弯点法予以修正。,2.确定反弯点位置3.根据D值,对楼层剪力进行分配 到各柱上4.计算柱端弯矩5.根据节点弯矩平衡及梁线刚度比,计算梁端弯矩6.根据各杆件局部隔离体平衡,计算各杆件的剪力及轴力,D值法步骤: 1.计算D值,节点转动影响系数,节点转动影响系数a,3竖向荷载作用下的框架内力计算,竖向荷载作用下的框架内力计算可以采用分层法和弯矩二次分配法进行近似计算，一般选取起控制作用的一榀或几榀框架为计算对象，可用手算或电算。,分层法计算步骤为：首先将m层框架拆成m个计算单元，每个计算单元内仅由一层梁和与之相邻的上下柱组成，且只承受该层梁的竖向荷载，上下柱的远端均近似看成固定端；然后采用弯矩分配法计算各单元的弯矩图。最后将各单元弯矩图叠加成框架弯矩图，对不平衡的节点弯矩图可再进行一次分配，但不再传递。,弯矩二次分配法：就是将求得的各节点固端不平衡弯矩同时进行分配，并向远端传递，再在各节点分配一次而结束,弯矩二次分配法计算步骤,（1）计算各杆件的线刚度、杆端弯矩分配系数和由竖向荷载引起的杆端弯矩相同。,（2）对所有节点的不平衡弯矩进行第一次分配。,（3）将所有杆端的分配弯矩同时向远端传递，传递系数与普通弯矩分配法相同。,（4）将各节点因传递弯矩而再次形成的不平衡弯矩作第二次分配，使各节点处于平衡状态，则整个分配、传递过程即完成。,（5）将各杆端的固端弯矩、第一次分配弯矩、传递弯矩及第二次分配弯矩叠加求出杆端最终弯矩。,在竖向非地震荷载作用下，梁端截面往往有较大负弯矩，负钢筋配置过于拥挤。考虑框架梁的塑性内力重分布，设计时允许进行弯矩调幅，降低负弯矩，以减少配筋面积。,对于现浇框架，支座弯矩调幅系数为0.80.9对于装配整体式框架，由于钢筋焊接或接缝不密实等原因，节点可能产生变形。据实测结果可知，节点变形会使梁端弯矩较弹性计算值减小约10%，再考虑梁端允许出现塑性铰，因此支座弯矩调幅系数可采用0.70.8。,无论对水平地震作用还是竖向地震作用引起的内力均不应进行调幅。,4荷载及内力组合,框架结构设计时，先要进行所考虑的几种荷载单独作用下的框架内力分析，然后，按照需要进行荷载和内力组合。从而得出构件控制截面上的最不利内力，以此作为截面设计的依据。一般考虑的几种荷载：永久荷载（恒荷载）、可变荷载（楼面和屋面活荷载、屋面雪荷载、风荷载）、地震作用等。,常用的两种基本荷载作用效应组合：,（1）有地震作用组合。其内力组合设计值为,（2）无地震作用组合。其内力组合设计值为,式中 SGk由永久荷载标准值计算的内力； SQk由可变荷载标准值计算的内力； G永久荷载分项系数，当永久荷载对构件不利时，对由可变荷载控制的组合，取1.2，对由永久荷载控制的组合，取1.35；当永久荷载对构件有利时，不应大于1.0 。 Q可变荷载分项系数，一般取1.4。,式中 SGE由重力荷载代表值计算的内力； SEh由水平地震作用标准值计算的内力； GE 重力荷载分项系数，一般取1.2，当重力荷载效应对构件有利时，不应大于1.0 。,控制截面及其内力不利组合,框架梁的控制截面是支座截面和跨中截面，支座截面的最不利内力是最大负弯矩和最大剪力（水平荷作用下还有正弯矩，注意组合）；跨中截面最不利内力是最大正弯矩（有时也可能是负弯矩）。这里需注意的是支座截面，内力分析的结果是轴线位置的内力。而梁支座截面的最不利位置是柱边缘处。因此应根据梁轴线处的弯矩和剪力算出柱边截面梁的弯矩和剪力,框架柱控制截面和最不利内力组合 框架柱的控制截面取柱上、下两个端面。其最不利内力组合有四种情况： 最大正弯矩Mmax及相应的N、V； 最大负弯矩Mmax及相应的N、V； 最大轴向力Nmax及相应的M、V； 最小轴向力Nmin及相应的M、V； 有时还可能是|M|较大，而N较小或较大的偏心受压情况。,5构件截面设计,框架结构在水平地震作用下的整体破坏机制可分为两种类型：强柱弱梁型和强梁弱柱型。,强梁弱柱,强柱弱梁,塑性铰,（1）根据“强柱弱梁”原则的调整。,一、二、三级框架的梁柱节点处，除框支层最上层的柱上端、框架顶层和柱轴压比小于0.15者外，柱端弯矩设计值应符合下式要求,hc为强柱系数，一级为14，二级为12，三级为11。当反弯点不在柱的层高范围内时，柱端的弯矩设计值可直接乘以上述强柱系数。,1）框架梁柱控制截面内力的调整。,9度、一级框架（节点处）,其中，Mc为节点上、下柱端截面顺时针或反时针方向组合的弯矩设计值之和，上、下柱端的弯矩设计值，一般情况可按弹性分析分配；Mb为节点左右梁端截面反时针或顺时针方向组合的弯矩设计值之和，节点左右梁端均为负弯矩时，绝对值较小的弯矩应取零；Mbua为节点左、右梁端截面反时针或顺时针方向根据实配钢筋面积(考虑受压筋)和材料强度标准值计算的抗震受弯承载力所对应的弯矩值之和；,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l.5、1.25和1.15。底层柱纵向钢筋宜按上下端的不利情况配置。此处底层指无地下室的基础以上或地下室以上的首层。,抗震设计时，框架角柱应按双向偏心受力构件进行正截面承载力设计。一、二、三级框架结构的角柱，调整后的弯矩应乘以不小于1.1的增大系数，并应满足规范的其他相应要求。,（2）根据“强剪弱弯”原则的调整。,一二三级框架,9度、一级框架,框 架 梁,VGb梁在重力荷载代表值作用下，按简支梁分析的梁端截面剪力设计值。,框 架 柱,一二三级框柱,9度、一级框柱还要满足,框架梁柱截面抗震承载力验算。,1) 框架梁、柱正截面抗震承载力验算,2) 框架梁、柱斜截面抗震受剪承载力验算,3）截面尺寸验算,均布荷栽,集中荷栽,柱轴力为拉力,柱轴力为压力,梁,柱,2）配筋和构造,（1）截面尺寸验算,考虑地震作用组合内力设计值（按调整后计算）,承载力设计值,承载力抗震调整系数,为了保证梁端具有足够的延性，框架梁正截面抗震承载力计算需要满足如下要求:,（2）抗剪承载力的折减,考虑地震作用组合时，梁受剪承载力计算公式,考虑地震作用组合时，柱受剪承载力计算公式,（3）构造要求,梁的截面宽度不宜小于200mm，截面高宽比不宜大于4，净跨与截面高度之比不宜小于4。,采用扁梁时，楼板应现浇，梁中线宜于柱中线重合；当梁宽度大于柱宽时，扁梁应双向布置。扁梁的截面尺寸应符合下列要求：,柱截面宽度,梁截面宽度,梁截面高度,梁纵筋配置尚应符合下列要求： 一、二级抗震设计时梁底面和顶面的通长钢筋均不应小于214，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、四级抗震设计时通长钢筋不应小于212； 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。,梁端箍筋配筋要求,箍筋加密区的长度、箍筋最大间距和最小直径应满足书中表5-6的要求。当梁端纵向受拉钢筋配筋率大于2时，表中箍筋最小直径数值应增大2mm。加密区的箍筋肢距，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。,（一）柱子的截面尺寸宜符合下列各项要求：,（1）截面的宽度和高度均不宜小于300mm；圆柱直径不宜小于300mm；,（2）截面长边与短边的比值不宜大于3；,（3）剪跨比宜大于2。,对于柱：,N为组合轴压力设计值；b、h为柱的短长边；fc为混凝土抗压强度设计值。,柱的轴压比： 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。,柱的变形能力随轴压比增大而急剧降低。,规范规定：,柱轴压比不应超过下表，但类场地上的较高高层建筑柱轴压比限值应适当减小。,柱的纵向配筋应符合下列要求：,（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)一级且剪跨比不大于2的柱，每侧纵向钢筋配筋率不宜大于1.2%。,柱子箍筋加密区范围,底层柱的上端和其它各层柱的两端，取截面高度（圆柱直径）、柱净高的1/6和500mm三者的最大值。底层柱，取柱根以上不小于净高的1/3；当有刚性地坪时，除柱端外尚应取刚性地面上下各500mm。剪跨比不大于2的柱和因填充墙等形成的柱净高与柱截面高度之比不大于4的柱，取全高。抗震等级为一级及二级框架的角柱，取全高。,柱加密区箍筋构造要求的最大间距及最小直径见下表,柱箍筋加密区构造要求,混凝土高规规定，箍筋加密区范围内箍筋的体积配箍率必须满足下式要求：,混凝土的轴心抗压强度设计值，强度等级低于C35时，应按C35计算；,箍筋抗拉强度设计值，超过360N/mm2时，应按360N/mm2计算；,最小配箍特征值，按表5-10采用。,为了避免配置的箍筋量过少，体积配箍率还要符合下列要求：,一级、二级和三、四级抗震框架柱的体积配箍率非别不小于0.8%、0.6%、0.4%；,框支柱宜采用约束效果好的复合螺旋箍或井字复合箍；一、二级抗震时最小配箍特征值比表6-5内数值增加0.02，体积配箍率不小于1.5%；非抗震时体积配箍率不宜小于0.8%；,剪跨比不大于2的短柱宜采用复合螺旋箍或井字复合箍，体积配箍率不小于1.2%，9度时不小于1.5%。,5.3.4 框架梁柱节点核心区截面的抗震计算。（略） （一、二级、9度）,节点核心区,剪压比限制,水平抗剪 强度,534框架结构薄弱层弹塑性变形验算,“设防三水准”要求进行第二阶段设计的框架结构或其他结构房屋，除满足多遇地震作用下的承载力和弹性变形要求之外，还必须进行罕遇地震作用下的薄弱层弹塑性变形验算，以满足“大震不倒”的要求。（略）,435 框架结构的抗震构造措施,1框架梁的构造措施,（1）梁的截面尺寸。（2）梁的纵向钢筋。（3）梁的箍筋。,2框架