第6章 钢筋砼框架构件设计

第6章 钢筋混凝土框架构件设计, 6.1 延性耗能框架的概念设计 6.2 框架梁抗震设计 6.3 框架柱抗震设计 6.4 梁柱节点核芯区抗震设计 6.5 钢筋的连接和锚固, 6.1 延性耗能框架的概念设计,问题：为什么要把框架设计成延性耗能框架呢？,1.延性结构用它的变形能力而不是承载力来抵抗罕遇地震作用。-第四章,2.请结合三水准抗震设防目标和两阶段设计方法来加以理解。 -第三章,结论：地震区钢筋混凝土框架都应当设计成延性结构，大量震害调查和试验表明，这种结构经过中震后加以修复仍可重新使用，在强地震作用下也不至于倒塌。,一、延性、滞回曲线二、延性结构设计原则三、关于结构概念设计, 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,一、延性、滞回曲线延性是指结构或构件能维持承载能力而又具有较大的塑性变形能力的性能，一般用延性比表示延性的大小延性比定义：,结构或构件屈服时的位移 承载力降低（降低1020）时的极限位移,顶点位移,y u,延性结构荷载位移关系,滞回曲线（P146）：,1、钢筋混凝土的滞回曲线为“荷载-位移”曲线。2、采用低周往复循环的静力加载试验方法来研究。3、滞回环包围的面积荷载正反交变一周时结构所吸收的能量。显然，滞回环饱满者有利于结构的抗震。4、轴压比为0（受弯构件），滞回曲线十分饱满，有优越的延性和耗能性能；5、轴压比不为0（压弯构件）：轴压比提高，延性明显下降，滞回环捏拢但不严重。6、剪切破坏，延性小，捏拢严重，耗能能力差。,二、延性结构设计原则（1）强柱弱梁（或强墙弱梁）（2）强剪弱弯（3）强节点、强锚固（4）局部加强（5）限制轴压比，加强柱箍筋对混凝土的约束。,要控制梁、柱的相对强度，使塑性铰首先在梁端出现，尽量避免或减少柱子中的塑性铰。,（1）强柱弱梁（或强墙弱梁）,（2）强剪弱弯,梁、柱弯曲破坏是延性破坏，耗能能力好， 剪切破坏是脆性破坏，耗能能力差。,（3）强核芯、强锚固,梁、柱塑性铰充分发挥前，核芯区不破坏。纵筋锚固长度要足够，避免支座连接和锚固发生破坏。,（4）局部加强,受力不利部位要加强，如柱根部，角柱，框支柱、错层柱等,（5）限制轴压比，加强柱箍筋对混凝土的约束。,轴压比大的构件屈服后的变形能力小，滞回曲线捏拢严重，耗能能力变差。,箍筋对混凝土的约束程度与箍筋的抗拉强度、数量以及箍筋的形式有关。,三、关于结构概念设计 是保证结构具有优良抗震性能的一种方法。 概念设计包含极为广泛的内容，选择对抗震有利的结构方案和布置，采取减少扭转和加强抗扭刚度的措施，设计延性结构和延性结构构件，分析结构薄弱部位，并采取相应的措施，避免薄弱层过早破坏，防止局部破坏引起连锁效应，避免设计静定结构，采取二道防线措施等等。应该说，从方案、布置、计算到构件设计、构造措施每个设计步骤中都贯穿了抗震概念设计内容。,6.2 框架梁抗震设计,一、框架梁的破坏形态与延性,三、框架梁抗剪验算（略）,四、框架梁构造措施,二、框架截面抗弯设计（略）,6.2 框架梁抗震设计,弯曲破坏,超筋破坏,一、框架梁的破坏形态与延性,剪切破坏,适筋破坏,少筋破坏,斜压破坏,剪压破坏,斜拉破坏,其他都是脆性破坏，要保证强剪弱弯,延性破坏,1、破坏形态,1）纵筋配筋率（影响相对受压区高度） 受拉纵筋配筋率增大，相对受压区高度增大，延性减小 受拉纵筋配筋率减小，相对受压区高度减小，延性增大 受压纵筋配筋率增大，相对受压区高度减小，延性增大 受压纵筋配筋率减小，相对受压区高度增大，延性减小,2、影响框架梁延性的因素,2）剪压比 （限制截面最小尺寸）,3）跨高比 （随着跨高比的减小，剪力的影响加大 ）,4）塑性铰区的箍筋用量 在塑性铰区配置足够的封闭式箍筋，对提高塑性铰的转动能力十分有效。 规定：在框架梁塑性铰区范围内，箍筋必须加密。,2、影响框架梁延性的因素,二、框架截面抗弯设计（P149略）,1、无地震作用组合时,2、有地震作用组合时,1）一、二、三级非加密区，四级和非抗震框架梁无需调整,3）9度抗震设计的结构和一级框架结构尚应符合,分别为梁左右端逆时针或顺时针方向截面组合的弯矩设计值.当抗震等级为一级且梁两端弯矩均为负弯矩时,绝对值较小一端的弯矩应取零 梁端剪力增大系数，一、二、三级分别取1.3、1.2、1.1 梁的净跨 考虑地震作用组合的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,三、框架梁抗剪验算（P150略）,1、剪力设计值调整（据强剪弱弯调整）,2）一、二、三级抗震梁端箍筋加密区调整,三、框架梁抗剪验算（P151略）,2、受剪承载力验算（略）,1）无地震作用组合的剪力：,集中荷载为主的梁,均布荷载为主的梁,2）有地震作用组合的剪力，按下式计算一般梁,集中荷载为主的梁,均布荷载为主的梁,四、框架梁构造措施,1、最小截面尺寸,承载力要求：通过承载力验算实现,构造要求：主梁截面高度,剪压比限值：,主梁计算跨度,1）无地震作用组合时,2）有地震作用组合时,跨高比大于2.5,跨高比不大于2.5,混凝土强度影响系数,四、框架梁构造措施,2、相对受压区高度和纵筋配筋率,1）相对受压区高度限制,一级框架梁端,二、三级框架梁端,跨中、四级和非抗震框架梁端,2）纵向配筋率,抗震设计时，梁端纵向受拉钢筋配筋率不应大于2.5%,梁顶和梁底的贯通钢筋：,一、二级框架：,三、四级框架：,四、框架梁构造措施,2、相对受压区高度和纵筋配筋率,2）纵向配筋率,梁纵向受拉钢筋的最小配筋率（）,为了防止粘结破坏，一、二级抗震等级的框架梁内贯通中柱的每根纵向钢筋直径，对矩形柱，不宜大于柱在该方向截面尺寸的1/20，对圆形柱，不宜大于纵向钢筋所在位置截面弦长的 1/20。,四、框架梁构造措施,3、梁端箍筋加密区要求,梁端箍筋加密区长度、箍筋最大间距和最小直径,注：1）d为纵筋直径，hb为梁截面高度 2）当梁端纵向受拉钢筋配筋率大于2时，表中箍筋最小直径加2mm 3）非加密区箍筋最大间距不宜大于加密区箍筋间距的2倍,四、框架梁构造措施,4、箍筋构造,1）框架梁不宜采用弯起钢筋抗剪,一级,二级,三、四级,5）沿框架梁全长箍筋的面积配箍率要求：,3）箍筋必须为封闭箍，应有135o弯钩，直段长度,2）加密区箍筋肢距：一级框架不宜大于200mm和20倍箍筋直径中较大值； 二、三级不宜大于250mm和20倍箍筋直径中较大值； 四级框架不宜大于300mm,4）第一个箍筋应设置在距支座边缘50mm处,6.3 框架柱抗震设计,一、框架柱的破坏形态与延性,四、框架柱构造措施,二、框架柱压弯承载力验算（略）,三、框架柱抗剪验算(略),6.3 框架柱抗震设计,大偏压破坏：压弯或弯曲破坏,一、框架柱的破坏形态与延性,剪切破坏,剪切受压破坏,剪切受拉破坏,剪切斜拉破坏,脆性破坏，应避免,延性破坏,1、破坏形态,小偏压破坏,脆性破坏,2、破坏特点,角柱重于中柱短柱重于一般柱柱底重于柱顶,1）剪跨比：反映柱截面所承受的弯矩与剪力相对大小的参数,3、影响框架柱延性的因素,剪跨比1.5时极短柱一般出现剪切斜拉破坏，几乎没有延性,剪跨比2时长柱弯曲破坏，仍需要配置足够的抗剪箍筋,剪跨比2时短柱剪切破坏，配置足够的抗剪箍筋，可能出现稍有延性的剪压破坏,我们常用柱的长细比(框架柱的净高与截面高度之比)近似反映剪跨比的影响。新抗震规范中规定,框架柱的长细比宜大于4。,2）轴压比,3、影响框架柱延性的因素,N组合的柱轴力设计值fc混凝土轴心抗压强度设计值bc、hc柱截面宽度和高度,试验结果：相对受压区高度增大，延性系数减小；轴压比大，变形能力小，耗能能力小，延性差。,轴压比较小时，柱截面受压区高度较小,轴压比较大时，柱截面受压区高度较大,大偏心破坏,小偏心破坏,规范：限制轴压比来满足大偏压延性破坏。,结论： 长柱中,轴压比愈大,混凝土压区高度愈大,压弯构件会从受拉钢筋首先屈服的具有较好延性的大偏压破坏状态向小偏压破坏状态过渡,而小偏压破坏延性很小或者没有延性。因此,长柱的抗震设计一般应控制在大偏压破坏范围内。短柱中,较大轴压比也会改变柱的破坏形式,即从剪切破坏变为脆性的斜拉破坏,破坏时承载能力突然丧失,因此必须控制轴压比。,3）箍筋,3、影响框架柱延性的因素,作用：抵抗剪力 对混凝土提供约束 防止纵筋压屈,配箍特征值：箍筋抗拉强度和数量，砼强度,配箍形式：普通箍，复合箍，螺旋箍，连续复合矩形螺旋箍,配箍间距：间距越小，约束越均匀,普通箍：单个矩形箍和单个圆形箍,复合箍：由矩形、多边形、圆形箍或拉筋组成的箍筋,复合螺旋箍：由螺旋箍和矩形、多边形、圆形箍或拉筋组成的箍筋,连续复合矩形螺旋箍：全部螺旋箍为同一根钢筋加工而成的箍筋,二、框架柱压弯承载力验算（略）,1、轴力、弯矩设计值,1）按强柱弱梁调整柱端弯矩设计值,一、二、三级框架柱：轴力取最不利内力组合；弯矩要调整增大,无地震作用组合及四级框架柱：取最不利内力组合,一、二、三级框架,9度抗震设计的结构和一级框架结构尚应符合,节点上下柱端截面顺时针或逆时针方向组合弯矩设计值之和，上下柱端的弯矩设计值，可按弹性分析的弯矩比例进行分配 节点左右梁端截面顺时针或逆时针方向组合弯矩设计值之和，当抗震等级为一级且节点左右梁端均为负弯矩时，绝对值较小的弯矩取为零 柱端弯矩增大系数，一、二、三级分别取1.4、1.2、1.1,二、框架柱压弯承载力验算(略),1、轴力、弯矩设计值,2）框架柱固端弯矩增大,一、二、三级框架增大系数：1.5,1.25,1.15,3）框支柱,当框支柱多于10根，柱承受的弯矩之和不小于该楼层地震剪力的20,当框支柱少于10根，每根柱承受的弯矩不小于该楼层地震剪力的2,轴力不调整,4）角柱,按上述方法调整后的组合弯矩设计值再乘以不小于1.10的增大系数,二、框架柱压弯承载力验算(略),2、柱正截面受弯承载力验算,2）有地震作用组合时,1）无地震作用组合时：假定大偏心,1）一、二、三级非加密区，四级和非抗震框架柱和框支柱无需调整,3）9度抗震设计的结构和一级框架结构尚应符合,分别为柱上下端顺时针或逆时针方向截面组合的弯矩设计值 分别为柱上下端顺时针或逆时针方向实配的弯矩设计值 柱端剪力增大系数，一、二、三级分别取1.4、1.2、1.1 柱的净高,三、框架柱抗剪验算(略),1、剪力设计值调整（据强剪弱弯调整）,2）一、二、三级抗震柱两端箍筋加密区调整,三、框架柱抗剪验算(略),2、受剪承载力验算,1）无地震作用组合的剪力：,2）有地震作用组合的剪力，按下式计算框架柱的受剪承载力,四、框架柱构造措施,1、最小截面尺寸,构造要求(宜)：框架柱截面尺寸 hc250（300）， bc250（300）（非抗震/抗震）；圆柱D 350（抗震）,剪压比限值：,1）无地震作用组合时,2）有地震作用组合时,剪跨比大于2的柱,剪跨比不大于2的柱、框支柱,混凝土强度影响系数,四、框架柱构造措施,2、纵筋要求,注：1）截面每侧配筋率不应小于0.2% 2）类场地上较高抗震设防的高层建筑，表中数值应加0.1 3）采用HRB400级钢筋，表中数值应减0.1 4）混凝土强度等级为C60及以上时，表中数值应加0.1,柱截面纵向受拉钢筋的最小配筋率（）,四、框架柱构造措施,2、纵筋要求,其他要求： 1）柱的纵向钢筋宜对称配置 2）截面尺寸大于400mm的柱，纵筋间距不宜大于200mm 3）框架柱和框支柱中总配筋率不宜大于5 4）一级抗震且2时，柱每侧纵向配筋率不宜大于1.2 5）边柱、角柱及剪力墙端柱在地震作用组合产生小偏心受拉时，柱内纵筋总截面面积应比计算值增加25 6）柱纵向钢筋的绑扎接头应避开柱端的箍筋加密区,四、框架柱构造措施,3、轴压比限值,轴压比限值,注：1）表内限值适用于剪跨比大于2，砼强度等级不高于C60的柱,四、框架柱构造措施,4、箍筋要求,柱箍筋加密区箍筋最大间距和最小直径,注：1） d为柱纵筋最小直径，柱根指框架底层柱的嵌固部位 2）二级框架柱的箍筋直径不小于10mm且箍筋肢距不大于200mm时，除柱根外最大间距应允许采用150mm；三级框架柱的截面尺寸不大于400mm时，箍筋最小直径应允许采用6mm；四级框架柱剪跨比不大于2时，箍筋直径不应小于8mm。 3）框支柱和剪跨比不大于2的柱，箍筋间距不应大于100mm,四、框架柱构造措施,4、箍筋要求,柱箍筋加密区范围 ：,1） 柱端，取截面高度（或圆柱直径），柱净高的1/6和500mm中的最大值2）底层柱，柱根不小于柱净高的1/3；当有刚性地面时，除柱端外尚应取刚性地面上下各500mm。3）剪跨比不大于2的柱和因设置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。4）框支柱取全高。5）一级及二级框架的角柱，取全高。,柱箍筋加密区肢距：,1） 一级不宜大于200mm2）二、三级不宜大于250mm和20倍箍筋直径的较大值3）四级不宜大于300mm3）至少每隔一根纵筋宜在两个方向有箍筋或拉筋约束3）采用拉筋复合箍时，拉筋宜紧靠纵筋并钩住箍筋,四、框架柱构造措施,4、箍筋要求,柱箍筋加密区的体积配箍率 ：,v柱箍筋加密区的体积配箍率 fc 砼轴心抗压强度设计值，强度等级低于C35时，按C35计算fyv 箍筋或拉筋抗拉强度设计值，超过360kN/mm2时，应取360kN/mm2v最小配箍特征值，查表,注：1） v一级不应小于0.8，二级不应小于0.6，三、四级不应小于0.4；计算复合箍的体检配箍率时，应扣除重叠部分的箍筋体积 2）框支柱宜采用复合螺旋箍或井字复合箍，其最小配箍特征值应比表内数值增加0.02，且体积配箍率不应小于1.5% 3）剪跨比不大于2的柱宜采用复合螺旋箍或井字复合箍，其体积配箍率不应小于1.2%，9度不应小于1.5% 4）计算复合螺旋箍的体积配箍率时，其非螺旋箍的箍筋体积应乘以换算系数0.8