第六章框架结构ppt课件

第六章钢筋混凝土框架结构抗震设计 6 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 抗震墙 框架房屋 框架 抗震墙 框架结构特点 平面布置灵活 可设置大空间比砌体有较高承载力 较好延性和整体性 抗震性能较好 裂而不倒 框架房屋超过一定高度 侧向刚度显著减小 水平荷载下侧向位移较大 10层 在水平荷载下 靠近底层的承重构件内力 M V 和侧向位移随房屋高度增加急剧增大 梁柱截面面积需增大 6 1震害及其分析 一 框架梁 柱的震害特点表现 梁柱震害反映在节点处 柱震害重于梁 柱顶重于柱底 角柱重于内柱 短柱重于一般柱 柱顶 水平裂缝 斜 交叉裂缝 混凝土压碎 纵筋压曲原因 MVN大 箍筋配置不足 柱底 与柱顶相似 由于箍筋较柱顶密 震害相对柱顶较轻 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 角柱 由于双向受弯 受剪 加上扭转作用 震害比内柱重 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 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 填充墙震害 震害表现 填充墙破坏严重 7度出现裂缝 9度倒塌 框架 剪力墙结构上部较严重 框架结构下部震害严重 原因 地震作用下 框架的层间位移较大 因砖极限变形小 在反复地震作用下 产生斜裂缝 甚至倒塌 三 其它震害 建造在软弱地基上高柔建筑物 结构自振周期与地基土周期接近 共振导致建筑物破坏防震缝宽度过小 结构相互碰撞造成震害 6 2结构选型和布置 一 选择结构体系1 房屋的最大适用高度 表6 1 框架结构为柔性结构 层间位移和顶点位移较大 非结构构件破坏严重 考虑适用 安全 经济等因素 抗震规范规定房屋最大适用高度 注意 房屋高度指室外地面到主要屋面板板顶的高度 不包括局部突出的屋顶部分 2 避免共振现象建筑物自振周期T1与场地土卓越周期Tg一致 易加重振害 措施 房屋设计前 了解Tg 调整结构刚度 避免共振 3 选择合理的基础形式措施 可设置地下室 1 2 层 选用桩基 筏基 箱基可减轻振害 增加基础整体性和刚度 二 结构布置 1 柱网布置及规则建筑 柱网布置简单规整 常用等跨式柱网 内廊式柱网见图6 5 6 6 规则建筑 符合四项要求 平面突出t b 1t d 0 3 立面突出b B 0 75h b 1 楼层刚度相邻层刚度之比Ki Ki 1 0 7相邻三层刚度之比Ki Ki 3 0 5 质量和抗侧力构件均匀布置 2承重框架布置 优先采用现浇式框架和装配整体式框架框架双向设置 按板传递荷载方向不同 分为 横向框架承重横向为承重框架 承受楼板荷载 主梁 纵向为非承重框架 不承受楼板荷载 只承受填充墙荷载 连系梁 纵横向框架共同承重两个方向的框架均为承重框架 地震作用承受方式 横向框架承受横向地震作用力纵向框架承受纵向地震作用力 3 抗震缝布置 设置条件 建筑平面过长 结构单元的结构体系不同 高度或刚度相差过大 各结构单元地基条件有较大差异 需设置抗震缝 防震缝宽度 当高度小于15米 采用70mm 超过15米 6度 7度 8度和9度每加5 4 3 2m 宜加宽20mm 6 3框架结构的抗震计算 一 结构的抗震等级 基本概念 建筑抗震规范按 地震烈度 结构类型 房屋高度将结构划分为四个抗震等级 一级要求严格 6 3框架结构的抗震计算 划分原因 不同烈度下不同结构体系 不同高度有不同抗震要求 二 框架结构抗震设计步骤 见P168框图 1 结构布置 柱位已定 主要为梁的布置 2 梁柱截面尺寸 初定 材料强度等级的确定 混凝土强度等级C20 C50 高度h 1 8 1 12 L横向框架h 1 10L纵向h 1 12L且不小于500mm纵梁底部比横梁底部高50mm以上 梁截面尺寸 宽度b 1 2 1 3 hb 250 一般 荷载大跨度大b 300mm 当抗震等级为一级 N 0 7二级 N 0 8三级 N 0 9 柱截面尺寸b 由柱的轴压比确定 定义轴压比 N qAn fcb2 轴压比限值 其中 q 14KN m2n为楼层数 3 水平地震作用计算 4 位移计算 弹性位移计算 5 内力分析 组合 截面设计 6 结构和构件的抗震构造措施 三 地震作用计算 采用底部剪力法简化方法 1 FEk 1G 3 96 式中 FEk 结构总水平地震作用标准值 结构底部剪力 1 水平地震作用影响系数 相应T1 GEq 结构总重力荷载代表值单质点GEq G 多质点GEq 0 85 G 基本点 如何求 1 需已知 Tg max 查表 T1 计算 顶点位移法计算基本周期 0 周期折减系数 刚度增加 实砌填充砖墙 0 0 6 0 7轻质墙 0 0 8 T 把集中在各楼面处的重力荷载Gi视为假想水平荷载所得的层间位移 其中 i层间位移Vi层间剪力 Gi 练习计算框架自振周期T1 0 0 6 经验公式T1 0 1n n为房屋主体结构层数 估算周期 2 各层地震作用标准值Fi Fn nFEk其中 n为顶部附加地震作用系数P62表3 5 原因 框架结构常为长周期结构T1 1 4Tg 长周期 质点地震作用Fi 3 99 顶部地震作用为Fn Fn两项之和 3 层间地震剪力 自本层向上求和 其中 突出屋面建筑 地震作用效应 3倍 四 水平地震作用下框架内力分析 采用反弯点法和D值法反弯点 适用于层数少 梁柱线刚度比 3 计算简单D值法 考虑框架节点转动对柱侧移刚度和反弯点高度的影响 精确 1 计算各层柱的侧移刚度D 式中 Kc 柱线刚度 节点转动影响系数 表6 3 注意 由梁柱线刚度之比查得 梁线刚度Kb EbIb l 其中 Ib要考虑楼板对梁刚度增大效应 按表 6 4 取折算惯性矩 试判断柱子的种类 可给柱子编号 2 计算各柱所分配的剪力Vij 式中 Vij i层j柱分配剪力Vi i层楼层剪力Dj j柱抗侧刚度 Dj i层所有柱刚度之和 3 确定反弯点高度y 式中 y0 标准反弯点高度比 由框架总层数 该柱所在层数及梁柱线刚度比查表求得 y1 某层上下梁线刚度不同 修正y2 上层层高与本层高度不同时 修正y3 下层层高与本层高度不同时 修正 结论 反弯点靠近刚度小的点反弯点远离刚度大的点 思考 二层柱和底层柱的反弯点向什么方向移动 4 计算柱端弯矩ME 由柱剪力Vij和反弯点高度y按式求得 ME上 Vij 1 y hME下 Vij yh 5 计算梁端弯矩Mb 梁端弯矩可按节点弯矩平衡条件 节点处柱端弯矩之和按左右端弯矩之和按左右梁线刚度比例分配 地震作用下框架弯矩图 部分 6 计算梁端剪力Vb 地震荷载产生 根据梁的两端弯矩之和除以跨长 按式Vb Mb1 Mb2 L 7 计算柱轴力 在地震作用下 各层梁端剪力之和 边柱 N Vb1 Vb2 Vb3中柱 N Vb1 Vb2 Vb3 Vb4 Vb5 Vb6 力方向相反 由地震荷载引起的中柱轴力近似为0 五 竖向荷载作用下框架内力分析 1 柱端与梁端弯矩竖向荷载下内力计算采用 分层法 分层法 该层梁与上下柱组成计算单元 每层只承受该层竖向荷载 不考虑其他各层荷载的影响 由于各个单元上 下柱并不是固定端 而是弹性嵌固 在计算简图中除底层外其他各层柱的线刚度均乘以折减系数0 9 柱的弯矩传递系数由1 2改为1 3 相应柱弯矩叠加 超静定结构具有塑性内力重分布性质减少负弯矩钢筋 且便于施工 装配整体式 调幅系数 0 7 0 8现浇框架 0 8 0 9 在竖向荷载下梁端弯矩进行调幅 适当降低 保证梁端延性 提高柱的安全储备 以满足强柱弱梁 支座弯矩调幅降低后 梁跨中弯矩相应增加 竖向荷载下梁端M可调 水平荷载作用下M不可调 剪力组成 梁上作用竖向荷载产生剪力地震力产生剪力 2梁端剪力 六梁柱内力组合 重点难点 进行构件设计 根据可能出现最不利情况确定构件内力设计值框架抗震设计 考虑以下两种基本组合 地震作用效应与重力荷载代表值效应组合S1 1 2SGE 1 3SHE恒载与活载组合 无地震作用 S2 1 2SG 1 4SQ若考虑风荷载S2 1 2SG 1 4 SQ Sw 0 85 1梁的内力组合 有地震作用 RES1 R无地震作用S2 R为便于比较内力 在 RES1 S2中选取最大值 进行截面配筋设计 分析不同控制截面 梁端负弯矩 梁端正弯矩 取不利组和 跨中正弯矩 梁端剪力 取不利组和 取不利组和 2柱不利组合 柱控制截面 各层柱上下柱端每一截面进行弯矩组合和轴力组合 有以下三种形式 Mmax及相应的轴力Nmax及相应的弯矩Nmin及相应的弯矩 对个别截面起控制作用 以Mmax为目标 取不利组 以Nmax为目标 取不利组 例题讲解p208 kJ 4中柱内力组合 七位移计算 抗震位移计算 多遇地震弹性位移计算 小震不坏罕遇地震弹塑性位移计算 大震不倒 多遇地震层间弹性位移计算 重点 ue e H式中 ue层间弹性位移 e 层间弹性位移角限值 表3 13 H层高 计算层间弹性位移的步骤 1计算梁柱线刚度2计算柱侧移刚度Dj和楼层刚度 Dj 3计算结构基本自振周期T1 4确定特征周期Tg5确定 16计算结构底部剪力FEK7计算楼层剪力Vi 8求层间弹性位移 ue Vi Dj9验算 底层层间位移 顶点总位移 八梁柱截面设计 1框架柱抗震设计柱为主要承重构件 保证强度和延性 设计原则 强柱弱梁强剪弱弯控制柱轴压比加强柱端约束 强柱弱梁 目的 使框架具有竖向荷载能力 免倒塌 梁铰机制 实现 同一结点上下柱受弯承载力之和 左右梁端受弯承载力之和 Mc c b c 柱端弯矩增大系数一级取1 4二级取1 2三级取1 1 注意 底部柱柱根对整体框架延性起控制作用 为推迟框架底层柱塑性铰形成 一级取Mc 1 5二级取Mc 1 25三级取Mc 1 15 强剪弱弯 为防止柱出现剪切破坏 剪力设计值放大 进行斜截面计算 vc 柱剪力增大系数一级取1 4二级取1 2三级取1 1 轴压比 一级 二级 三级 增加柱的延性 柱的轴压比大 柱呈小偏心受压 脆性破坏 加强柱端约束 柱端加密箍筋 作用 承担剪力约束混凝土 提高变形能力防纵筋压曲 2框架梁抗震设计允许塑性铰出现在梁上 但避免梁发生剪切破坏 设计原则 足够受剪承载力塑性铰区延性梁筋锚固 强剪弱弯 为防止梁出现剪切破坏 剪力设计值放大 进行斜截面计算 vb 梁端剪力增大系数一级取1 3二级取1 2三级取1 1 塑性铰区延性 梁筋锚固 构造措施满足 3框架节点抗震设计 设计原则 强节点 弱构件多遇地震 节点在弹性范围工作节点配筋 保证施工方便一二级节点验算 三四级符合抗震构造要求 6 4框架结构抗震构造措施 抗震设计总原则 强度 延性 不发生脆性破坏 发挥抗震潜能 一梁抗震构造措施 梁截面尺寸b 200mm h b 4 Ln h 4 V 1 RE 0 2fcbh0 2梁内纵向钢筋 相对受压区高度 一级 0 25二三级 0 35作用 保证延性 梁内纵向受拉钢筋最小配筋率 梁端截面底面与顶面配筋比 一级As As 0 5二三级As As 0 3 作用 梁底As 可提高梁延性抵抗地震作用下梁端出现的正弯矩 梁顶 底面有通长钢筋 地震弯矩的不确定性 一二级不少于2 14三四级不少于2 12 3梁内箍筋 梁端加密箍筋作用 提高梁抗剪能力提高混凝土变形能力防止纵筋压曲 配筋符合条件 计算 构造梁端箍筋见表6 5 4梁内纵筋锚固 防止出现锚固破坏 最小锚固长度LaE一二级LaE La 5d三四级LaE La 梁的锚固方式 二柱抗震构造措施 1柱截面尺寸 b 300