多层及高层钢筋混凝土房屋构件设计

1 多层及高层钢筋混凝土房屋构件设计 土木工程系 2 框架梁 柱的震害 梁柱变形能力不足 构件过早发生破坏 一般是梁轻柱重 柱顶重于柱底 尤其是角柱和边柱更易发生破坏 1 柱顶 柱顶周围有水平裂缝 斜裂缝或交叉裂缝 重者混凝土压碎崩落 柱内箍筋拉断 纵筋压曲成灯笼状 主要原因 节点处弯矩 剪力 轴力都较大 受力复杂 箍筋配置不足 锚固不好等 破坏不易修复 3 2 柱底 与柱顶相似 由于箍筋较柱顶密 震害相对柱顶较轻 4 3 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 5 4 角柱 由于双向受弯 受剪 加上扭转作用 震害比内柱重 5 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 6 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 节点破坏将导致梁柱失去相互之间的联系 6 填充墙的震害 砌体填充墙刚度大而承载力低 首先承受地震作用而遭破坏 一般7度即出现裂缝 8度和8度以上地震作用下 裂缝明显增加 甚至部分倒塌 一般是上轻下重 空心砌体墙重于实心砌体墙 砌快墙重于砖墙 框架 剪力墙结构上部较严重 框架结构下部震害严重 7 填充墙破坏的主要原因是 墙体受剪承载力低 变形能力小 墙体与框架缺乏有效的拉结 在往复变形时墙体易发生剪切破坏和散落 8 抗震墙的震害 在强震作用下 抗震墙的震害主要表现在墙肢之间连梁的剪切破坏 主要是由于连梁跨度小 高度大形成深梁 在反复荷载作用下形成X型剪切裂缝 为剪切型脆性破坏 尤其是在房屋1 3高度处的连梁破坏更为明显 9 防震缝的震害 防震缝宽度过小 地震时结构相互碰撞造成震害 总结以上震害调查结果 除注意场地和地基因素外 从结构上主要应注意 1 结构的刚度在平面上和沿竖向的分布要规则 均匀 2 结构构件要有足够的承载力和延性 3 重视构造 加强对混凝土的约束 防止剪切 锚固等脆性破坏 4 保证施工质量 10 1 框架塑性效应较多地发生在梁端 底层柱的塑性效应较晚形成 4 框架结构抗震设计的正确指导思想 2 梁柱在弯曲破坏前 避免发生其它形式破坏 如剪切破坏 粘结破坏等 3 在梁 柱破坏之前 节点应有足够的强度即变形能力 4 重视非结构构件设计 强柱弱梁 强剪弱弯 强节点 强锚固 11 两种破坏形式 二 强柱弱梁 框架的抗震设计 弱柱型 弱梁型 为了使塑性铰首先在梁中出现 同一节点柱的抗弯能力要大于梁的抗弯能力 12 5 4 2框架结构构件的抗震设计 5 4 2 1框架梁截面设计 5 4 2 2框架柱截面设计 5 4 2 3框架节点设计 13 1 截面尺寸bb hb 1 bb 200mm 且 1 2bc 加强节点区 2 hb bb 4 或hb bb 0 25 薄腹梁容易发生剪切破坏 3 ln hb 4 深梁容易产生剪切破坏 4 刚度要求 5 便于纵向 横向梁底纵筋通过 6 采用宽扁梁时 bb 2bc bb hc hb hb 16d 5 4 2 1框架梁截面设计 14 2 材料 1 砼强度等级 C30 一级抗震 C20 二 三级抗震 2 纵向受力钢筋 HRB335 II 级HRB400 III 级箍筋 HPB235 I 级HRB335 II 级 5 4 2 1框架梁截面设计 15 1 矩形截面或翼缘位于受拉边的T形截面梁 其正截面受弯承载力应按下列公式验算 5 4 2 1框架梁截面设计 16 混凝土受压区高度应符合下列要求 一级x 0 25h0二 三级x 0 35h0同时x 2a 5 4 2 1框架梁截面设计 17 2 翼缘位于受压区的T形截面梁 当符合下列条件时 按宽度为bf 的矩形截面计算 当不符合上式条件时 按下式计算 5 4 2 1框架梁截面设计 18 4 梁斜截面受剪承载力 1 强剪弱弯为了实现 强剪弱弯 规范规定 对于抗震等级为一 二 三级的框架梁端剪力设计值应按下式调整 19 2 剪压比限值为了保证梁截面尺寸不至于太小 规范规定 对于跨高比大于2 5的框架梁 其剪力设计值应符合下式 对于跨高比不大于2 5的框架梁 其剪力设计值应符合下式 梁斜截面受剪承载力 20 3 梁斜截面受剪承载力对于一般框架梁 斜截面受剪承载力按下式计算 对于集中荷载作用下的框架梁 按下式计算 梁斜截面受剪承载力 21 4 提高梁延性的构造措施 梁端截面的受压筋与受拉筋面积比 有一定的受压钢筋可以减小受压区高度 地震下 梁端会出现弯矩反号 梁顶面和底面的通长钢筋 考虑地震弯矩的不确定性 一 二级不应少于2 14 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 四级不应少于2 12 梁斜截面受剪承载力 22 梁中贯通中柱节点的纵筋直径d一级框架 d hc 25二级框架 d hc 20 梁端纵筋配筋率 2 5 且相对受压区高度一级不应大于0 25 二 三级不应大于0 35 梁斜截面受剪承载力 23 梁端箍筋加密 作用 a 保证梁端塑性铰区的抗剪强度 b 约束砼以便提高梁端塑性铰区变形能力 梁端箍筋加密要求 a 加密区的长度 箍筋直径 箍筋间距 见表5 9 b 加密区的箍筋肢距 200mm和20d箍中大者 一级 250mm和20d箍中大者 二 三级 300mm 四级 梁斜截面受剪承载力 24 5 4 2 2框架柱截面设计 1 柱的设计原则 1 强柱弱梁 使柱尽量不出现塑性铰 2 在弯曲破坏之前不发生剪切破坏 3 控制柱的轴压比不要太大 防止小偏心受压破坏 4 加强约束 配置必要的约束箍筋 2 柱截面尺寸bc hc 1 矩形柱bc或hc 300mm 长边 短边 3 一般取正方形 2 圆形或多边形截面的内接圆直径 350mm 25 3 剪跨比宜大于2 0 4 柱净高Hn hc 4 避免短柱 5 偏心距 柱中线于梁中线之间的偏心距不宜大于柱截面宽度的1 4 偏心距过大将导致节点区受剪面积不足 5 4 2 2框架柱截面设计 26 3 柱的内力设计值调整 强柱弱梁 1 强柱弱梁 使框架实现梁铰侧移机构 要求除顶层和轴压比小于0 15的柱之外 节点处梁柱弯矩设计值应按下式调整 9度和一级框架尚应符合 5 4 2 2框架柱截面设计 27 2 强剪弱弯 框架柱和框支柱端部组合剪力设计值应按下式调整 9度和一级框架结构尚应符合 5 4 2 2框架柱截面设计 28 3 一 二 三级框架结构的底层 柱下端截面组合弯矩设计值 应分别乘以增大系数1 5 1 25 1 15 底层是指无地下室的基础以上或地下室以上的首层 4 一 二级框架结构的角柱 按调整后的弯矩 剪力设计值 尚应乘以增大系数1 1 5 4 2 2框架柱截面设计 4 柱的正截面受弯承载力计算 1 矩形截面受弯承载力按下式计算 29 受压区高度x由下式确定 5 4 2 2框架柱截面设计 30 2 柱的实际正截面受弯承载力按下式计算 5 4 2 2框架柱截面设计 31 5 柱的斜截面受剪承载力计算 1 剪压比限值对于一般柱 应符合对于短柱 应符合 5 4 2 2框架柱截面设计 32 2 柱斜截面受剪承载力 5 4 2 2框架柱截面设计 33 6 控制柱的轴压比 1 轴压比的定义柱的组合轴压力设计值N与柱的全截面面积bchc和混凝土抗压强度设计值fc乘积之比值 称为轴压比 5 4 2 2框架柱截面设计 34 2 控制柱的轴压比的意义柱的轴压比是影响柱子延性和破坏形态的主要因素之一 试验表明 柱的位移延性随轴压比增大而急剧下降 轴压比不同 柱将呈现两种破坏形态 受拉钢筋首先屈服的大偏心受压破坏和受压区混凝土先压碎而受拉钢筋未屈服的小偏心受压破坏 轴压比小于一定数值 为大偏心受压破坏 是延性破坏 反之则为小偏心受压破坏 是脆性破坏 5 4 2 2框架柱截面设计 35 3 轴压比的限值规范中给出的轴压比的限值 是依据理论分析和试验研究确定的 轴压比的限值见表5 10 表5 10柱轴压比的限值 5 4 2 2框架柱截面设计 36 7 柱纵向钢筋配置 1 框架柱截面宜采用对称配筋 截面尺寸大于400mm的柱 纵向钢筋间距不宜大于200mm 2 最大配筋率限制 总配筋率不应大于5 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 3 最小配筋率限制 柱截面最小总配筋率应符合表5 11要求 5 4 2 2框架柱截面设计 37 8 柱的箍筋配置 1 柱端箍筋加密的作用 增加柱端截面抗剪强度 约束混凝土 提高混凝土的抗压强度及变形能力 为纵向钢筋提供侧向支撑 防止纵筋压曲 5 4 2 2框架柱截面设计 38 2 柱箍筋加密区的范围 柱子两端取截面高度 圆柱直径 柱净高的1 6和500mm三者的最大值 底层柱 当有刚性地面时 除柱端外尚应取刚性地面上下各500mm 剪跨比不大于2的柱和因非结构墙的约束形成的柱净高于柱截面高度之比不大于4的柱 取全高 框支柱 取全高 一级 二级框架柱的角柱 取全高 5 4 2 2框架柱截面设计 39 3 柱箍筋加密区的箍筋间距 直径和肢数 一般情况下 箍筋的最大间距和最小直径 应按表5 12取用 二级框架柱的箍筋直径不小于10mm且肢距不大于200mm时 除柱根外最大间距允许采用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 框支柱和剪跨比不大于2的柱 箍筋间距不应大于100mm 柱箍筋加密区的箍筋肢距 一级不宜大于200mm 二 三级不宜大于250mm和20d箍较大者 四级不宜大于300mm 至少每隔一根纵筋宜在两个方向有箍筋或拉筋约束 当采用拉筋组合箍筋时 拉筋宜紧靠纵向钢筋并勾住箍筋 5 4 2 2框架柱截面设计 40 4 柱箍筋加密区的箍筋最小配箍率和最小配箍特征值 约束箍筋的用量随轴压比的增大而增加 这样才能起到对混凝土的约束作用 因此 抗震规范 依据柱轴压比的不同 规定了柱箍筋加密区的箍筋体积配箍率应符合下式要求 为了避免配箍率过小还规定了最小配顾率 一级为0 8 二级为0 6 三 四级为0 4 5 4 2 2框架柱截面设计 41 式 5 50 中记号的意义 5 4 2 2框架柱截面设计 42 5 柱的各类箍筋参考图 5 4 2 2框架柱截面设计 43 5 4 2 2框架柱截面设计 44 5 4 2 3框架节点抗震设计 1 框架节点抗震设计原则 1 强节点弱杆件 使节点的承载力不低于与其相连的构件 梁 柱 的承载力 2 多遇地震时 节点应在弹性范围内工作 3 罕遇地震时 节点的承载力的降低不得危及竖向荷载的传递 4 梁 柱纵筋在节点区应有可靠的锚固 5 节点配筋不应使施工过分困难 45 2 框架节点核心区剪力设计值调整 1 节点核心区剪力计算公式 5 4 2 3框架节点抗震设计 46 5 4 2 3框架节点抗震设计 47 5 4 2 3框架节点抗震设计 48 5 4 2 3框架节点抗震设计 49 3 剪压比限值 4 节点核心区截面承载力验算 一 二级 抗震等级为三 四级时 不需计算 节点箍筋按构造设置 5 4 2 3框架节点抗震设计 50 上式中各记号的意义 5 4 2 3框架节点抗震设计 51 5 4 2 3框架节点抗震设计 52 5 框架节点构造措施 框架梁柱节点核心区箍筋的最大间距和最小直径同框架柱端箍筋加密区的要求 一 二 三级框架节点核心区配箍特征值分别不宜小于0 12 0 10和0 08 且体积配箍率分别不宜小于0 6 0 5 和0 4 柱剪跨比不大于2的框架节点核心区配筋特征值不宜小于核心区上下柱端的较大配筋特征值 5 4 2 3框架节点抗震设计 53 6 梁柱纵筋在节点区的锚固 梁柱纵筋的最小锚固长度 梁柱纵筋在节点区的锚固类型 见下图 5 4 2 3框架节点抗震设计 54 边柱节点和中柱节点钢筋锚固 5 4 2 3框架节点抗震设计 55 顶部边柱节点钢筋锚固 5 4 2 3框架节点抗震设计 56 框架配筋图 57 5 5框架结构的抗震设计步骤 1 工程概况或设计资料2 结构选型 1 承重结构纵向框架结构横向框架结构纵 横向框架结构 2 结构平面布置 现浇 装配 58 3 构件截面估算3 1板的厚度 1 按施工条件控制的最小厚度 5 5框架结构的抗震设计步骤 59 2 按工程经验选择 5 5框架结构的抗震设计步骤 60 3 按变形条件选择 4 注意所选择的板厚 不得小于按施工要求及按变形控制的板厚 5 5框架结构的抗震设计步骤 61 3 2梁的截面尺寸 1 考虑施工条件 次梁高度至少应比主梁高度小50mm 框架纵向梁高度应比横梁高度小50mm 梁载面尺寸一般以50mm为模数 当大于1m时以100mm为模数 5 5框架结构的抗震设计步骤 62 2 截面尺寸选择 5 5框架结构的抗震设计步骤 63 3 对于抗震结构 梁截面宽度不小于200mm 高宽比不宜大于4 净跨与高度之比不宜小于4 4 初步选择截面后 可按全部荷载的0 6 0 8作用在框架梁上 按简支梁进行抗弯 抗剪强度核算 5 5框架结构的抗震设计步骤 64 3 3柱的截面尺寸 1 框架柱截面可按轴心受压估算 近似地取静荷载 10 15 kN m2 填充墙较少时取小值 轴力N 负荷面积 层数 单位面积上的荷载 即 N 1 2恒 1 4活 柱子的截面Ac由下式计算 Ac b h 5 5框架结构的抗震设计步骤 65 2 对于抗震结构 应验算柱轴压比是否满足下表的要求 5 5框架结构的抗震设计步骤 66 3 4柱下基础的截面高度钢筋砼锥形独立基础高度h可先按构造要求估算 1 柱子下端纵向钢筋锚固要求 h0 laE 2 基础底板边缘厚度h1 200mm且h 4 锥形独立基础的坡度 1 2 5 3 混凝土保护层 有垫层时35mm 无垫层时70mm 5 5框架结构的抗震设计步骤 67 4 现浇楼面结构设计4 1现浇楼面 屋面 板设计一般楼面板可采用塑性计算方法 屋面板采用弹性计算方法 4 2多跨连续次梁设计楼面次梁可采用塑性计算方法 屋面次梁采用弹性计算方法 注意 主梁在分析框架内力时计算其内力 5 5框架结构的抗震设计步骤 68 5 梁柱刚度及计算简图5 1框架梁的抗弯刚度EIb混凝土的弹性模量 E中框架梁 Ib 2I0 I0为主梁矩形截面的惯性矩 边框架梁 Ib 1 5I05 2框架柱的抗弯刚度EIc混凝土的弹性模量 E柱截面的惯性矩为 Ic 5 5框架结构的抗震设计步骤 69 5 3框架柱的侧移刚度Dij 6 竖向荷载下的内力计算6 1计算简图 纵向 横向 计算竖向荷载 并标注在计算简图上 活荷载 恒载分开计算 只计算标准值 5 5框架结构的抗震设计步骤 70 6 2按分层法计算内力活荷载 恒载分别计算 6 3叠合成整体框架弯矩图 6 4计算梁端剪力 及剪力图6 5柱子轴力 及轴力图 5 5框架结构的抗震设计步骤 71 7 水平地震作用下的内力计算7 1计算单元 纵向 横向 每个抗震缝区段取为一个计算单元 7 2选择计算方法一般规则的多层框架结构采用底部剪力法 以下按底部剪力法说明计算步骤 7 3计算各层重力荷载代表值GiGi 自重的标准值 活荷载的组合值 具体计算如下 5 5框架结构的抗震设计步骤 72 各层重力荷载代表值计算时考虑以下因素 1 每层划分 上 下层各一半 2 外墙重 墙 窗分别考虑 3 内墙重 不考虑扣除门洞 4 楼梯间 近似按10kN m2 包括恒 活 5 活荷载组合值 屋面不考虑 楼面取0 5活 5 5框架结构的抗震设计步骤 73 7 4等效重力荷载代表值Geq结构总重力荷载代表值 结构等效总重力荷载代表值 5 5框架结构的抗震设计步骤 74 7 5计算结构自振周期 基本周期 结构的基本周期可采用能量法或顶点位移法计算 两种方法都要考虑填充墙的影响 7 6确定地震参数 1 确定结构抗震等级根据设防烈度 结构类型和结构高度 确定结构抗震等级 2 确定特征周期Tg根据建筑场地类别和地震分组 查表得特征周期Tg 5 5框架结构的抗震设计步骤 75 3 取结构阻尼系数 0 05 4 确定水平地震影响系数 根据设防烈度 查表得 max按照反应谱确定水平地震影响系数 1 5 5框架结构的抗震设计步骤 76 7 7计算底部总剪力7 8是否考虑顶部附加地震作用 5 5框架结构的抗震设计步骤 77 7 9计算各层质点上的水平地震作用7 10层间地震剪力 5 5框架结构的抗震设计步骤 78 7 11计算梁 柱内力 1 按柱子刚度Dij分配得到各根柱的地震剪力 2 计算柱端弯矩 3 计算梁端弯矩 剪力 4 计算柱子轴力 5 5框架结构的抗震设计步骤 79 8 多遇地震作用下层间弹性位移验算 1 第i层层间地震剪力 2 第i层层间刚度 3 第i层层间弹性位移 4 层间弹性位移验算 5 5框架结构的抗震设计步骤 80 9 框架内力组合9 1内力组合方式 1 1 2恒 1 4活 2 1 35恒 0 98活 3 1 2 恒 0 5活 1 3震9 2框架梁截面内力组合 1 控制截面每跨梁的两端及跨中三个截面 5 5框架结构的抗震设计步骤 81 2 组合目标最大正弯距Mmax 支座 跨中 最