高层框架设计基本步骤

1,高层建筑结构的设计步骤,选择合理的结构体系(框架,框剪,剪力墙等);确定所选结构上各类构件的截面尺寸和数量(如梁,柱截面尺寸,剪力墙片数等);确定结构上所有计算荷载的数值(竖向荷载,水平荷载);荷载效应组合；对所选结构进行内力分析和变形计算;对结构构件进行截面设计(包括强度和变形验算);建筑物基础选择和设计;绘制施工图.,2,第3章 框架结构设计,主讲教师：张苑竹,3,框架结构设计,简化成平面结构分析精确算法: 弯矩分配法,迭代法, 无剪力分配法近似计算方法: 分层法, 反弯点法, D值法电算程序: PK,PM（矩阵位移法为基础）按空间结构分析 TAT(高层):高层建筑结构三维分析程序TAT-D :高层建筑结构动力时程分析 SATWE(高层) :高层建筑结构空间有限元分析软件,4,计算单元的确定,5,节点的简化,框架节点可简化为刚节点, 铰节点和半铰节点,要根据施工方案和构造措施确定.现浇钢筋混凝土结构中, 节点简化为刚节点;装配式框架结构在梁和柱子的某些部位预埋铁件, 安装就位再焊接起来, 这类节点一般简化成铰节点或半铰节点.装配整体式框架结构的节点处, 梁顶钢筋必须为焊接或通长布置, 并现场浇筑部分混凝土, 可以认为是刚节点,但节点处梁端的实际负弯矩要小于计算值.,6,跨度与层高的确定,框架梁的跨度取柱子轴线之间的距离, 当上下层柱截面尺寸变化时, 一般以最小截面的形心线来确定.框架的层高即相应的建筑层高, 底层层高应从基础顶面算起;对于倾斜的或者折线形横梁, 当其坡度小于1/8时, 可简化为水平直杆.对于不等跨框架,当各跨跨度相差不大于10%时, 在手算时可简化为等跨框架, 跨度取平均值.,7,构件截面抗弯刚度的计算,在计算框架梁截面惯性矩时应考虑楼板的影响.在工程设计中, 仍假定梁的截面惯性矩I沿轴线不变. 对现浇楼盖, 中框架取I=2I0, 边框架取I=1.5I0; 对装配整体式楼盖, 中框架取I=1.5I0, 边框架取I=1.2I0; 对装配式楼盖, 则取I=I0. I0为矩形截面梁的截面惯性矩.,8,竖向荷载作用下的近似计算,分层法的两个假定:无侧移框架;作用在某一层框架梁上的竖向荷载只对本楼层的梁及与本层梁相连的框架柱产生弯矩和剪力, 而对其它楼层框架和隔层的梁柱无影响.,9,竖向荷载作用下的近似计算,为改善误差, 可作如下修正:除底层柱以外其它各层柱的线刚度均乘以0.9的折减系数;柱的弯矩传递系数取为1/3.在进行上述计算时,活荷载一般按满布考虑.当活荷载较大时,可将按满布活载计算得到的梁跨中弯矩乘以放大系数1.11.2.由分层法计算所得的框架节点处弯矩之和常不为0, 若欲提高精度,可对不平衡力矩进行多次分配.,10,例1,图中所示为一两跨二层刚架,用分层法作M图.括号内数字为梁柱相对线刚度.,11,例1,12,水平荷载作用下的反弯点法,风或地震一般都简化成作用于框架节点上的水平力.如果能确定各柱内的剪力及反弯点的位置,便可求得各柱的柱端弯矩,并进而由节点平衡条件求得梁端弯矩及整个框架结构的其它内力.,13,反弯点法的基本假定,假定框架梁与柱的线刚度之比为无穷大,则各柱子上下端不发生角位移. 一般当梁柱线刚度比值大于3时, 该假设引起的误差能够满足工程设计的精度要求.假定底层柱子的反弯点位于柱子高度的2/3处，其余各层柱的反弯点位于柱高1/2处.,14,反弯点法的计算步骤,计算框架梁,柱的线刚度，判断是否大于3；计算柱子的抗侧刚度(式3.2)；将层间剪力在柱子中进行分配，求得各柱剪力值(式3.3)；按反弯点高度计算到柱子端部弯矩；利用节点平衡计算梁端弯矩，进而求得梁端剪力；,15,例题,作图示刚架的弯矩图.括号内的数字为每杆的相对线刚度.,16,17,18,弯矩图(括号内数字为精确值),19,水平荷载作用下的D值法,反弯点法的误差:柱的抗侧刚度不但与柱的线刚度和层高有关,而且还与梁的线刚度等因素有关;柱的反弯点高度也与梁柱线刚度比, 上下层横梁的线刚度比, 上下层层高的变化等因素有关.日本武藤教授对反弯点法中柱的抗侧刚度和反弯点高度进行了修正, 称为D值法.D值法基本假定:假定同层各节点转角相同；假定同层各节点的侧移相同。,20,修正后的柱抗侧刚度D,柱的抗侧刚度是使柱子产生单位水平位移所施加的水平力.柱本身刚度越大,梁柱刚度比越大,使柱子产生单位水平位移所需的水平力越大.抗侧刚度D可以按照结构力学的位移法计算 :取值与节点类型和梁、柱线刚度的比值有关, 具体取值见表3.1。按照上式计算得到的柱子抗侧刚度一般要小于反弯点法。这是考虑柱子端部转角存在，同样水平力作用下柱子的侧移要来得大一些。 求得修正后的D值以后,由同一层内各柱的层间位移相等的条件,可把层间剪力按式3.7分配给该层的各个柱.,21,修正后的柱反弯点高度,柱子反弯点高度取决于柱子两端转角的相对大小。如果柱子两端转角相等，反弯点必然在柱子中间；如果柱子两端转角不一样，反弯点必然向转角较大的一端移动。影响柱子反弯点高度的因素主要有以下几个方面：结构总层数及该层所在的位置；梁、柱线刚度比；荷载形式；上、下层梁刚度比；上、下层层高变化。,22,修正后的柱反弯点高度,有了柱子的抗侧刚度和柱子反弯点高度，就可以按照与反弯点同样的方法求解框架结构内力.,23,水平荷载作用下位移的近似计算,框架结构侧向位移由梁, 柱弯曲变形所产生的变形量, 梁, 柱的轴向变形和截面剪切变形所产生的结构侧移共同组成.对一般的多层框架结构,只需考虑弯曲变形引起的侧移:第j层框架层间位移uj与层间剪力VFj之间的关系:框架顶点的总位移u为各层间位移之和,即:高层框架结构除需考虑弯曲变形引起的侧移外,还应考虑轴向变形的影响.,24,框架结构布置,建筑使用功能要求结构受力合理施工方便经济因素,25,横向承重纵向承重双向承重,26,柱网尺寸,6m-9m,27,框架梁截面尺寸初估,Hb=(1/81/12)lb,不小于400mm,不大于lb/4Bb Hb/4, 及bc/2Bc不小于250mm,28,框架柱截面尺寸初估,按轴压比确定hc不小于400mm; bc不小于350mm柱净高与截面长边之比宜大于4,29,混凝土强度等级,P.231 表6.1,30,框架截面设计内力,由荷载到构件截面设计内力的流程如下图:,31,控制截面及最不利组合,梁一般取梁端(柱边缘处的梁截面)和跨中作为梁承载力设计的控制截面.梁的不利组合内力有:梁端截面: - Mmax , +Mmax , Vmax梁跨中截面:+Mmax,32,控制截面及最不利组合,框架柱取各层柱的上下端截面(梁边缘处的柱截面)作为控制截面.柱子控制截面的最不利组合内力一般有:|Mmax|及相应的N,V Nmax及相应的M;Nmin及相应的M.,33,荷载布置,恒载应按实际情况布置在结构上;在高层建筑结构的设计中, 由于竖向活荷载所产生的内力在组合后的截面内力中所占的比例很小, 因此,可不考虑活荷载的不利布置,按满布活荷载一次性计算出结构的内力.求竖向活荷载最不利布置的方法在手算中常采用”最不利荷载位置法”;在电算中常采用”分跨计算组合法”.风载及等效地震荷载可能沿某方向的正反两个方向作用.在对称结构中,只需进行一次内力计算,内力冠以正负符号即可.,34,截面内力设计值的调整,钢筋混凝土结构由弹塑性材料制成,在局部出现开裂或塑性铰后,会导致塑性内力重分布.因此在由弹性静力计算得到的内力需要进行局部调整,然后进行内力组合:竖向荷载下框架梁弯矩塑性调幅;,35,截面内力设计值的调整,在抗震设计中为保证框架必要承载力和延性的要求,对某些部位的内力要适当增大,这些调整要考虑下列因素:强柱弱梁;强剪弱弯;角柱抗扭加强;底层固端处不首先屈服.,36,截面内力设计值的调整,框架柱弯矩底层下端: 一级抗震 1.997 ;二级抗震,一般柱 1.375;二级抗震,角柱 1.43其余各截面: 一级抗震 1.35; 二级,角柱 1.43; 二级一般柱 1.10框架柱轴向力一二级角柱 1.3框架柱剪力底层下端 一级抗震 2.196; 二级角柱 1.573; 二级一般柱 1.513;其余各截面 一级一般柱 1.464; 一级角柱 1.903; 二级角柱 1.573; 二级一般柱 1.21框架梁剪力一级抗震设计 1.30二级抗震设计 1.05,37,梁端弯矩调幅,在竖向荷载作用下梁端负弯矩较大, 因此一般均对梁端弯矩进行调幅, 即人为的减少梁端负弯矩,减少节点附近梁顶面的配筋量.现浇框架,可取弯矩调幅系数=0.80.9; 装配整体式框架, 一般取 =0.70.8.梁端负弯矩降低后, 应按梁的静力平衡条件加大跨中弯矩的数值.,38,梁端弯矩调幅,为保证梁跨中截面有足够的承载力,梁截面设计时所采用的跨中正弯矩不小于按简支梁计算的跨中弯矩的一半.我国规范规定, 弯矩调幅只对竖向荷载作用下的内力进行,水平力作用下的梁端弯矩不允许调幅. 因此, 弯矩调幅应该在内力组合之前进行.,39,40,内力组合,在手算时,内力组合一般通过表格进行,其步骤是:恒载,活载,风载及等效地震荷载分别按照各自规律布置,进行内力分析;取出各个构件的控制截面内力,经过内力调整后填入表内;根据本建筑物的具体情况从表中选出本结构可能出现的的若干组组合.将各内力分别乘以相应的分项系数及组合系数;按照不利内力的要求分组叠加内力;在若干组不利内力中选取最不利内力作为构件截面的设计内力.有时要通过试算才能找到哪组内力的配筋最大.,41,例题,某三跨六层框架如图所示,此处给出三层梁内力及二层柱内力组合过程及结果.三层梁的控制截面为1,2,3,4,5五个截面.二层柱的控制截面为3,4截面.,42,43,44,构件的抗震性能,当构件吸收到某一定值的地震能量之后,构件便会破坏.这能量E可由力-位移曲线所包围的面积来表示.当结构是完全弹性时,力-位移是直线性关系, 当OAB的面积达到一定数值时, 构件破坏; 如果构件有一定的塑性变形能力,则当吸收的地震能量相同时, 受到的地震作用较小; 如果塑性变形能力越大,遭受到的地震作用越小.在E1=E2=E3条件下, 有F1F2F3, 相应1 2 3, 而构件的延性主要依靠合理的截面尺寸,适宜的配筋和充分的构造措施来保证,所以在方案设计和构造设计时都要充分注意.,46,延性框架设计,钢筋混凝土延性框架的基本措施是:塑性铰应尽可能出现在梁的两端,设计成强柱弱梁框架;避免梁柱构件过早剪坏,应设计成强剪弱弯;要求构件的抗剪能力要比其抗弯能力强，从而避免梁、柱构件过早发生剪切破坏。 避免出现节点区破坏及钢筋的锚固破坏,要设计成强节点,强锚固.节点区域受力复杂，容易发生破坏。节点的可靠与否是关系梁、柱能否可靠工作的前提，必须做到强节点。钢筋锚固的好坏是构件能否发挥承载力的关键。,47,强柱弱梁,强柱弱梁型框架是指要使梁中的塑性铰先出,多出,尽量减少或推迟柱中塑性铰的出现,特别是要避免在同一层各柱的两端都出塑性铰.塑性铰出现在梁端,不宜形成破坏机构,可能出现的塑性铰数量多,耗能部位分散.但是不允许在梁的跨中出现塑性铰,否则易导致局部破坏.塑性铰出现在柱上,结构很容易形成机构.柱通常都承受较大轴力,在高轴压比下,钢筋混凝土柱很难具有高延性性能,而梁是受弯构件,比较容易实现高延性比要求;柱是主要承重构件,出现较大的塑性变形后难于修复,柱子破坏可能引起整个结构倒塌.,48,49,1976年唐山地震后,石油规划设计院曾对48幢框架结构作了调查统计,发现凡是具有现浇楼板的框架,由于现浇楼板大大加强了梁的强度和刚度,地震破坏都发生在柱中,破坏较严重;凡是没有楼板的构架式框架,裂缝出在梁中,破坏较轻.,50,强柱弱梁，强剪弱弯，强节点,51,52,53,54,55,56,共同住宅被害,57,58,梁的破坏形态,钢筋混凝土受弯构件有两种破坏可能:弯曲破坏和剪切破坏.由于纵筋配筋率的影响,可能发生三种破坏:梁的剪切破坏形态是脆性的.对于抗震的延性框架,要求延性梁的抗剪承载能力大于抗弯承载能力, 即强剪弱弯.,59,相对受压区高度对梁延性的影响,在适筋梁范围内,相对受压区高度减小,梁塑性变形能力加大.,60,影响框架梁延性及其耗能能力的因素,受拉钢筋数量 受压钢筋数量截面形状,61,纵筋配筋率:在适筋梁的范围内受弯构件截面的延性随受拉钢筋配筋率的提高而降低,随受压钢筋配筋率的增大而提高,随混凝土强度的提高而提高,随钢筋屈服强度的提高而降低.,62,剪压比: 剪压比即为梁截面上名义剪应力v/bh0与混凝土轴心抗压强度设计值fc的比值.当剪压比大于0.15时, 梁的强度和刚度有明显的退化现象,因此必须对该值进行限制,实质上是限制截面尺寸不能过小.跨高比: 当梁的跨高比小于2时, 极易发生以斜裂缝为特征的破坏形态,延性性能极差.一般梁净跨不宜小于截面高度的4倍. 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.,63,框架梁的正截面受弯承载力计算,梁正截面受弯承载力计算:当考虑地震作用组合时, 应考虑相应的承载力抗震调整系数RE. 为保证框架梁的延性,在梁端截面必须配置受压钢筋, 同时要限制混凝土受压区高度.,64,梁斜截面受剪承载力计算,应将框架梁设计成”强剪弱弯”构件,即梁端的斜截面受剪承载力应高于正截面受弯承载力.,65,框架梁剪力设计值,四级抗震等级的框架梁可直接取考虑地震作用组合的剪力计算值.一二三级抗震等级框架梁的剪力设计值,应根据”强剪弱弯”的抗震设计目标,根据梁端弯矩调整梁端剪力设计值:,66,67,梁斜截面受剪承载力计算,对于矩形, T形和工字形截面的一般框架梁, 无地震作用组合时, 梁的受剪承载力计算公式同普通钢筋混凝土梁(式6.8).有地震作用组合时,规范规定其斜截面受剪承载力设计值计算公式中将混凝土项取取静载作用下梁的受剪承载力的0.6倍,而箍筋项不考虑反复荷载作用的降低(式6.9).,68,梁受剪截面限制条件,梁受剪计算时一般仅考虑矩形部分, 无地震作用组合时, 梁受剪的截面限制条件为:Vb=0.25cfcbh0有地震作用组合时, 受剪截面应符合下列条件:当梁跨高比大于2.5时, Vb=1/re(0.2cfcbh0)当梁跨高比不大于2.5时, Vb=1/re(0.15cfcbh0)当上式不满足时,可加宽梁的截面或者提高混凝土强度等级.在延性框架要求强柱弱梁和强剪弱弯的情况下,不宜采用加大梁高度的做法.,69,框架梁构造要求,材料强度: 现浇框架梁的混凝土强度等级,按一级抗震等级设计时,不应低于C30,按二四级和非抗震设计时不应低于C20.同时不宜大于C40.截面尺寸:框架梁截面高度不宜小于400mm, 也不宜大于梁净跨的1/4. 框架梁截面宽度不宜小于250mm, 截面高度和截面宽度的比值不宜大于4. 当梁截面高度受到限制时, 可采用梁宽大于梁高的扁梁.扁梁的截面高度可取梁跨度的1/151/18.,70,框架梁构造要求,纵向钢筋: 框架梁纵向受拉钢筋的配筋率不应小于表6.2的数值. 抗震设计时,梁端纵向受拉钢筋的配筋率不应大于2.5%. 梁顶面和底面均应有一定的钢筋贯通梁全长. 对一,二级抗震等级, 不应少于214, 且不应少于梁端顶面和底面纵向钢筋中较大截面面积的1/4, 三,四级抗震等级不应小于2 12. 为提高框架梁的延性,梁端塑性铰区必须配置纵向受压钢筋,其配筋量应满足式6.7要求.,71,框架梁构造要求,按照强剪弱弯原则设计的箍筋主要配置在梁端塑性铰区,称为箍筋加密区. 此外,加密箍筋还可以起到约束混凝土的作用,防止混凝土过早破碎;箍筋还可以减少受压钢筋的自由长度,减少压屈现象. 在箍筋加密区必须采取下列措施:不能用弯起钢筋抗剪;加密区的长度, 箍筋最大间距和最小直径应按表4.3采用.沿梁全长的箍筋配筋率sv应符合以下要求:一级 svP0.035fc/fyv二级 svP0.030fc/fyv三级 svP0.025fc/fyv,72,梁端塑性铰区,73,框架梁构造要求,在塑性铰区之外,沿梁全长箍筋面积含钢率不应小于0.02fc/fyv,也不少于加密区箍筋数量的50%,否则破坏可能转移到加密区之外.箍筋间距应符合下表的要求:钢箍必须作成封闭箍,加135弯钩,并保证弯钩长度.,74,框架柱的设计,框架柱的破坏一般发生在柱的上下端.在侧向力作用下柱端弯矩最大,因此常在柱端出现水平或斜向裂缝.严重的柱端箍筋屈服或拉断,核心区混凝土被压碎,纵向钢筋压曲呈灯笼状 .,75,76,角柱的破坏比中柱和边柱严重.因为结构整体扭转时角柱所受的的剪力最大,同时角柱为双向偏心受压构件,设计时往往考虑不周.,77,短柱的剪切破坏在地震中十分普遍.由于它的线刚度大,在地震作用下会产生较大的剪力,容易产生斜向或交叉的剪切裂缝,是脆性破坏.,78,79,80,柱子的破坏形态,柱子的破坏形态:弯曲破坏、剪切破坏、粘结破坏:弯曲破坏:通常发生在柱顶或柱底截面。破坏时压区混凝土压碎、主筋压屈。受拉钢筋有时能达到屈服，有时则达不到屈服。剪切受压破坏:在荷载作用下，水平弯曲裂缝向斜向发展，形成斜裂缝。当箍筋配置较多时，斜裂缝不会迅速开展，而是剪压区混凝土在弯、剪的共同作用下压碎。剪切受拉破坏:当剪跨比较小且配箍率较低时，在主筋受拉屈服后，随着反复荷载的作用，会产生一条较宽大的斜裂缝，导致箍筋屈服、柱子剪坏。剪切斜拉破坏:一般发生在短柱中。斜裂缝往往沿柱子对角出现，箍筋达到屈服甚至被拉断，柱子被剪坏。,81,柱子的破坏形态,粘结开裂破坏:粘结破坏有两种类型，一是由于钢筋锚固不足被拔出而破坏；另一种是在柱子弯曲裂缝或剪切裂缝出现后，在反复荷载作用下，沿主筋出现粘结裂缝，使混凝土沿主筋酥裂脱落导致柱子破坏。剪切斜拉破坏和剪切受拉破坏属于脆性破坏，设计中应该避免；粘结破坏延性较差，也应当避免;弯曲破坏及剪切受压破坏的延性大小,受到各种因素的影响.,82,83,影响框架柱延性的因素,剪跨比是反映柱截面弯矩与剪力相对大小的参数。其表达式为确定方案和结构布置时，就应该避免极短柱。特别是应避免在同一层中存在长柱和短柱的情况。,84,85,轴压比,轴压比n是指柱子轴向力N与混凝土轴心抗压强度fcbc的比值，表达式为 随着轴压比的增大，柱子的变形能力明显下降(图4.20) 。构件受压破坏特征与构件轴压比直接相关.轴压比较小时,即柱的轴压力设计值较小,构件将发生受拉钢筋首先屈服的大偏心受压破坏,破坏时构件有较大变形;当轴压比较大时,属小偏心受压破坏,破坏时受拉钢筋并未屈服,构件变形较小.,86,箍筋配筋率,理论分析表明, 柱中箍筋对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, 阻止柱身斜裂缝的开展,从而提高柱的延性.为此, 对柱的各个部位合理配置箍筋十分必要. 在柱端塑性铰区适当地加密箍筋,对提高柱的变形能力十分有利.箍筋形式对柱核心区混凝土的约束作用有明显影响.当配置复式箍筋或螺旋式箍筋时,柱的延性将比配置普通矩形箍筋有所提高.此外箍筋的无支承长度对混凝土约束效应也有影响.无支承长度越小,阻止核心混凝土横向变形的作用就越强.,87,箍筋形式,88,箍筋形式,89,纵筋配筋率,实验表明,柱截面在纵筋屈服后的转角变形能力,主要受纵向受拉钢筋配筋率的影响,随纵筋配筋率的增大而线性增大, 因此柱截面全部纵向钢筋配筋率不应过小.,90,框架柱正截面偏心受压承载力计算,框架柱正截面偏心受压承载力计算方法见.当有地震作用组合时,应考虑正截面承载力抗震调整系数.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,对于一二三级框架柱,为保证”强柱弱梁”设计目标的实现,节点上下柱端的弯矩设计值应根据梁端弯矩调整(式6.18,6.19).求得节点上下柱端弯矩设计值之和后,一般可按弹性分析所得的节点上下柱端弯矩比进行分配.,91,框架柱正截面偏心受压承载力计算,当反弯点不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.对顶层柱和轴压比小于0.15的柱,可以不按式(6.18,6.19)调整柱设计弯矩,而直接采用地震作用组合所得的弯矩设计值.对一二三级抗震等级的框架结构底层柱下端截面的弯矩设计值,应分别乘以1.5,1.25,1.15的增大系数以提高柱根的承载力.一二三级抗震设计角柱的弯矩设计值应在经上述调整后在乘以不小于1.1的增大系数.,92,柱斜截面受剪承载力计算,非抗震设计及四级抗震设计的框架柱,取相应的内力组合所得的最大剪力作为剪力设计值.对于一二三级抗震等级的框架结构,为提高柱的延性,框架柱的设计除了应满足”强柱弱梁”要求外,还应满足”强剪弱弯”的要求,即柱的斜截面受剪承载力应大于柱正截面受弯承载力.,93,柱剪力设计值,94,柱斜截面受剪承载力计算公式,95,框架柱受剪截面限制条件,为防止框架柱在侧向力作用下发生脆性剪切破坏,保证柱内纵筋和箍筋能够有效发挥作用,必须要限制柱受剪截面尺寸不能过小.矩形截面框架柱的受剪截面应符合下列条件(剪压比限制):无地震作用组合 Vc=0.25cfcbh0有地震作用组合时,剪跨比大于2的柱Vc=1/re(0.2cfcbh0)有地震作用组合时,剪跨比不大于2的柱Vc=1/re(0.15cfcbh0),96,习题,关于框架节点上下柱端截面内力调整公式Mc=1.2(Mbl+Mbr)的意义有以下说法，何项正确?A 此式反映了“强柱弱梁”的延性设计原则B 此式反映了“强节点”的延性设计原则C 适用于一级抗震等级的框架结构D Mbl和Mbr根据实际配筋和材料强度设计值计算得到,97,框架柱的构造要求,材料强度: 框架柱的混凝土强度等级,一级抗震时不应低于C30,其它情况时不应低于C20.同时当抗震设防烈度为9度时不宜大于C60,抗震设防烈度为8度时不宜大于C70.截面尺寸要求:柱截面的宽度在非抗震设计时不宜小于250mm,抗震设计时不宜小于300mm, 柱净高与截面高度之比不宜小于4.为保证框架柱的延性,柱的轴压比n不宜大于下表限制值:,98,纵向受力钢筋,由于风荷载、地震作用有两个方向的可能性，一般采用对称配筋。框架柱中全部纵筋的最小配筋率按下表采用：为使柱截面核心区混凝土有较好的约束,非抗震设计时,柱的纵向受力钢筋的间距不应大于350mm;抗震设计时,纵向钢筋间距不宜大于200mm,同时纵向受拉钢筋的净距不应小于50mm.,99,箍筋,框架柱箍筋的直径和间距应根据柱斜截面受剪承载力的公式计算.沿柱高通长布置,以满足柱斜截面受剪的要求.框架柱内常用的箍筋形式如图6.22所示. 复式箍约束混凝土的效果较好,在高层建筑中,轴压比较大的柱子宜采用复式箍.随着轴压比提高,箍筋约束混凝土的效果降低,对延性的改善作用减小.因此,在中等轴压比下,可以采用增加箍筋体积含钢率,改进箍筋构造等措施改善柱的延性.当轴压比过高时,则应该采取加大柱截面尺寸或提高混凝土强度等级等措施降低轴压比.,100,箍筋形式,101,箍筋形式,102,箍筋加密区,抗震设计时,下列范围内的箍筋应加密配置:长柱：长柱箍筋加密区范围取柱净高的1/6、柱截面高度、500mm三者中的较大值;短柱及一、二级抗震的角柱：沿柱子全高加密箍筋;低层有刚性地坪时,在刚性地坪上,下各500mm范围内.,103,加密区箍筋数量,加密区箍筋数量加密区箍筋的配箍量，除了有体积配箍率的要求以外，还有间距和直径的要求，具体见下表。在非加密区，箍筋不应少于加密区箍筋数量的50，箍筋间距不大于10d（一、二级抗震）及15d（三级抗震）。如果非加密区箍筋配置过少，破坏部位就有可能转移到非加密区。,104,箍筋加密区构造要求,105,柱端箍筋加密区最小含箍特征值,106,箍筋无支长度要求,一级抗震不宜大于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；四级抗震不宜大于300mm。纵筋间距也不宜小于50mm。,107,箍筋的弯钩,非抗震设计时可采用90 弯钩,箍筋可以在混凝土保护层内锚固;抗震设计的框架柱,箍筋必须采用135弯钩,在核心混凝土内锚固10d.,108,焊接封闭箍,当柱的总配筋率大于3%时,箍筋应焊接成封闭箍,焊接长度不小于5d.抗震设计时,如不采用135 弯钩,也可以采用焊接封闭箍.,109,框架节点的设计,在设计延性框架时,除了保证梁柱构件有足够的承载力和延性以外,保证节点区的承载力,使之不过早破坏十分重要的.震害表明,节点区的破坏大都是由于节点区无箍筋或少箍筋,在剪压作用下混凝土出现斜裂缝,然后挤压破碎,纵向钢筋压屈成灯笼状所致. 此外,节点区钢筋过密,影响混凝土浇筑质量,节点强度难以得到保证.保证节点区不发生剪切破坏的主要措施是通过抗剪验算,在节点区配置足够的箍筋,并保证混凝土的强度及密实性,实现强节点.,110,在竖向荷载和地震作用下,节点受力比较复杂(图6.25).,111,节点区破坏另一个重要现象是梁柱内纵筋伸入节点的锚固长度不足,纵筋滑移被拔出,以致梁柱端部塑性铰难以充分发挥作用.由图可见,在地震作用下,通过节点区的纵向钢筋在节点区两边应力变号,都是一侧受拉,另一侧受压,造成节点区内钢筋与混凝土的粘结应力较一般情况下为大,很容易出现粘结破坏.因此在设计中应处理好纵向钢筋在节点区的锚固构造,做到强锚固.,112,影响框架节点承载力及延性的因素,直交梁对节点核心区的约束作用垂直于框架平面与节点相交的梁称为直交梁.实验表明, 直交梁对节点核心区具有约束作用,从而提高了节点核心区混凝土的抗剪强度.如直交梁梁端与柱面交界处有竖向裂缝,则其对节点核心区的约束作用将受到削弱,因而节点核心区混凝土的抗剪强度也随之降低;而对于四边有梁且带有现浇楼板的中柱节点,则其混凝土抗剪强度比不带楼板的节点有明显的提高.对于三边有梁的边柱节点和二边有梁的角柱节点,直交梁的约束作用并不明显.,113,轴压力的影响,当轴力较小时,节点核心区混凝土抗剪强度随着轴向压力的增加而增加,且直到节点区被较多交叉斜裂缝分割成若干菱形块体时,轴压力的存在仍能提高其抗剪强度.但当轴压力增加到一定程度时,如轴压比大于0.60.8,则节点混凝土抗剪强度将随轴压力的增加而下降.同时,轴压力虽能提高节点核心区混凝土的抗剪强度,但却使节点核心区的延性降低.,114,剪压比和配箍率的影响,当配箍率较低时,节点的抗剪承载力随着配箍率的提高而提高,节点破坏时的特征是混凝土被压碎,箍筋屈服.当节点水平截面太小,配箍率较高时,节点区混凝土的破坏将先于箍筋的屈服,二者不能同时发挥作用.所以应对节点的最小截面尺寸加以限制.在设计中可采用限制节点水平截面的剪压比来实现.实验表明,当节点区截面的剪压比大于0.35时,增加箍筋的作用已不明显,需增大节点水平截面尺寸.,115,梁纵筋滑移对节点延性影响,框架梁纵筋在中柱节点核心区通常以连续贯通的形式通过.在水平地震作用下,梁中纵筋在节点一边受拉,另一边受压,如此循环往复,将使纵筋的粘结迅速破坏,导致梁纵筋在节点核心区贯通滑移.这将破坏节点核心区剪力的正常传递,使核心区受剪承载力降低,以及受弯承载力及延性降低,使节点的刚度和耗能能力明显下降.为防止梁纵筋滑移,最好采用直径不大于1/20柱截面边长的钢筋,也可以将梁纵筋穿过柱中心轴后再弯入柱内,以改善其锚固性能.,116,框架节点的剪力设计值,由强节点的设计要求,节点区应能抵抗当节点区两边梁端出现塑性铰时的剪力,该剪力称为节点设计剪力.当梁端出现塑性铰后,钢筋总拉力及压区混凝土的总压力都是已知的.取节点上半部为隔离体.图示为一个中柱节点核心区,由平衡条件可得节点剪力:Vj=Cs+Cc+fykAst-Vc=fykAsb+fykAst-VcVc是柱剪力,可以由梁柱节点弯矩平衡方程得到的柱计算弯矩(式e); Hc为层高.考虑到强度增大系数,同时根据不同抗震等级的延性要求,可得框架节点剪力设计值计算公式(式6.28,6.29).节点对抗震等级为三四级的框架节点以及各抗震等级的顶层端节点核心区,可不进行节点受剪承载力计算,仅按构造配置箍筋即可.,117,节点受剪承载力计算公式,对节点受剪承载力进行计算时可考虑直交梁和轴向压力对节点有利影响, 按下列公式计算:,118,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被压碎而破坏,框架节点受剪的水平截面应符合下列条件:在节点区的混凝土等级应与柱的混凝土等级相同. 由于施工顺序安排,节点区混凝土常常与梁板混凝土一起浇筑.必须注意节点区混凝土等级不能降低太多,与柱混凝土等级相差不应超过5MPa.,119,框架节点的构造要求,在非地震区,框架节点的承载力一般通过采取适当的构造措施来保证.节点设计应保证整个框架结构安全可靠,经济合理且便于施工.对于装配整体式框架的节点,还需保证结构的整体性,受力明确,构造简单,安装方便,易于调整,在构件连接后能尽早地承受部分或全部设计荷载,使上部结构得以及时继续安装.,120,框架节点的构造要求,材料强度: 框架节点区的混凝土强度等级的限值条件与柱子相同,现浇框架节点的混凝土强度等级一般与柱子相同.在装配整体式框架中,现浇节点的混凝土强度等级宜比预制柱的混凝土强度等级提高5MPa.,121,箍筋,框架节点核心区应布置水平箍筋.非抗震设计时,节点核心区箍筋配置可与柱中箍筋布置相同,但箍筋间距不宜大于250mm;对四边有梁与之相连的节点,可仅沿节点周边设置矩形箍筋.抗震设计时,在满足节点受剪承载力的前提下,框架节点区箍筋的间距和直径尚应符合柱端箍筋加密区的构造要求.,122,框架梁柱中心线的布置,框架梁柱中心线宜重合.当梁柱中心线不能重合时,在计算中应考虑偏心对梁柱节点核心区受力和各自的不利影响,以及梁荷载对柱的偏心影响.梁柱中心线之间的偏心距,9度抗震设计时不应大于柱截面在该方向宽度的1/4;非抗震设计和68度抗震设计时不宜大于柱截面在该方向宽度的1/4,如不满足时,可采取增设梁的水平加腋等措施.,123,非抗震设计时框架梁柱纵筋的锚固,非抗震设计时,框架梁柱的纵向钢筋在