2-1 框架柱设计-压弯承载力验算PPT演示课件

第5章,多层及高层钢筋混凝土结构6.3框架柱抗震设计,1,未经抗震设计的框架柱的震害规律汇总,1.柱的破坏程度重于梁和板。2.同一层中长、短柱并存，短柱破坏重。3.普通箍筋柱破坏大于螺旋箍筋柱。4.柱顶的破坏大于柱底。5.角柱破坏边柱破坏中柱破坏,2,OliveView医院,3,框架柱的概念设计要点,减小轴压比：加大断面、提高砼强度柱的最终破坏是混凝土被压碎，所以采用等级较高的混凝土对提高柱的抗压能力有利。防止出现小偏心受压破坏。改善混凝土的受力状态：加密箍筋强柱弱梁，使柱尽量不出现塑性铰；出现塑性铰后要有足够的延性和耗能能力强柱弱梁不能完全保证在柱端不出现塑性铰。在弯曲破坏前不发生剪切破坏，使柱由足够的抗剪能力；注：以上两项通过要求较高的构造措施实现。不宜用高强度钢筋作受压钢筋混凝土的极限压应变为0.33%，采用低强度的钢筋则破坏时，钢筋已经达到屈服，充分发挥了作用，而若用高强度钢筋，混凝土破坏时，钢筋仍保持弹性，没有充分发挥作用。,4,6.3.1影响柱延性耗能的主要因素,(1)剪跨比：不能过小(2)轴压比：不能过大(3)重视箍筋的作用抗剪约束混凝土防止纵筋压屈与梁相比，框架柱的变形能力比较差，但是柱在结构中的地位比梁重要，所以要对它的变形能力作更多的要求。,5,框架柱的剪跨比,式中框架柱的剪跨比。反弯点位于柱高中部的框架柱，可取柱净高与计算方向2倍柱截面有效高度之比值；柱端截面未经调整的组合弯矩计算值，可取柱上、下端的较大值；柱端截面与组合弯矩计算值对应的组合剪力计算值；(剪跨比小说明剪力大),框架柱的剪跨比,剪跨比需取柱两端计算结果的较大值,6,在水平地震作用下，梁、柱的剪跨比可以直接通过梁的跨高比和柱的高宽比表示。,设反弯点在构件中央(反弯点处弯矩为零),框架梁,框架柱,7,轴压比,其中：N为组合轴压力设计值(最大轴力)；bc、hc为截面的边长；fc为混凝土抗压强度设计值。轴压比平均压应力/砼抗压强度设计值,实验表明：随着轴压比的增大，柱的极限抗弯承载力提高，但是极限变形能力、耗散地震能量的能力都降低。柱的破坏由大偏心受压变成小偏心受压破坏。轴压比对短柱的影响更大。,轴压比用hc剪跨比用hc0,8,关于轴压比的若干结论,1、轴压比对柱的破坏形态和延性有重要影响(a)轴压比较小时，柱截面受压区高度较小，受拉钢筋首先屈服，属大偏心受压破坏，破坏时柱有较大变形，属于延性破坏。框架柱一般应控制为大偏心受压。(b)轴压比较大时，柱截面受压区高度较大，破坏时受拉钢筋并未屈服，属小偏心受压破坏，破坏时柱的变形较小，属于脆性破坏2、尽管加密箍筋对提高柱的延性会有作用，随着轴压比的增加，这种作用会愈来愈小。3、满足轴压比限值可以保证框架柱有足够的延性，但不一定能保证大偏压。4、不能满足轴压比限值时，应增加柱截面面积或提高混凝土强度等级。,9,框架柱轴压比限值,注中给出可以缩小柱截面的若干措施放大打印的结果见下页,10,关于轴压比限值的注(阅读材料),位于IV类场地上的高层建筑，当其基本自振周期大于场地特征周期时，其轴压比限值宜适当减小；当沿柱全高采用井字复合箍，箍筋间距不大于100mm、肢距不大于200mm、直径不小于12mm时，柱轴压比限值可增加0.10；当沿柱全高采用复合螺旋箍，箍筋螺距不大于100mm、肢距不大于200mm、直径不小于12mm且含箍特征值不小于表6-5中复合箍的配箍特征值时，柱轴压比限值可增加0.10；当沿柱全高采用全连续的复合螺旋箍，且螺距不大于80mm、肢距不大于200mm、直径不小于10mm轴压比限值可增加0.10。以上三种配箍类别的含箍特征值应按增大的轴压比由表6-4求出；当柱纵向钢筋的配筋量比计算或构造所需之面积另外再增加不小于柱面积0.8%，且此种钢筋配置于柱截面的内部并与箍筋绑扎时，柱轴压比限值可再增加0.05。,11,轴压比对柱截面面积的要求,如果轴压比不能满足表中的要求，应增加截面面积，以降低轴压比,按轴压比的公式，有地震作用组合时柱所需截面面积为：,注：根据材料和截面尺寸，可以用轴压比限值直接得到轴力最大值的限值。据此可根据工程经验估算。,12,(2)有水平地震作用组合时,为增大系数，框架结构外柱取1.3,不等跨内柱取1.25，等跨内柱取1.2；框剪结构外柱取1.11.2，内柱取1.0。,框架柱截面尺寸的估算,其中N的计算：(1)仅有风荷载作用或无地震作用组合时,框架柱截面尺寸，可根据柱支承的楼层面积计算由竖向荷载产生的轴力设计值Nv，(荷载分项系数可取1.25)，按下列公式估算柱截面积Ac，然后再确定柱边长。,13,框架柱正截面设计步骤,获得柱端截面组合弯矩计算值(例题中为给定)验算轴压比抗震设计轴压比限值更严格进行强柱弱梁调整得到弯矩设计值。按一般钢筋混凝土偏心受压柱进行设计（角柱按双向受弯构件设计）计算偏心距、判断大小偏心受压确定纵向钢筋面积按配筋率要求最终决定配筋量As按最小间距200mm的要求决定纵筋根数注：此过程种需要满足配筋率等抗震构造要求。注：兰色字体部分是抗震与非抗震设计的区别,6.3.2柱压弯承载力验算,14,例题P.169设计底层中柱,柱的组合弯矩剪力设计值,H,15,框架柱最不利内力组合与最大内力,框架柱的某个最大内力不一定出现在最不利内力组合设计值中。轴压比计算中要求采用最大轴力：Nmax,框架柱抗震设计同样要根据大偏心或小偏心柱来决定采用何种组合作为最不利内力。教材例题中省略了这一步。,16,例题第一步验算轴压比,不满足此要求要增加截面面积，所以需首先验算轴压比,17,第二步：柱端弯矩设计值的调整基本概念,根据强柱弱梁原则，要求柱端弯矩设计值满足以下条件柱弯矩和强柱系数梁中弯矩之和强柱系数：一、二、三级框架分别取1.4,1.2,1.1夸大了柱端弯矩的设计值，使得柱端偏于安全。注意：顶层和底层强柱系数有所不同：为不使框架底层柱过早出现塑性铰，规范规定：一、二、三级框架底层柱底截面组合的弯矩设计值应分别乘以增大系数1.5、1.25、1.15顶层柱直接取组合值为设计值。,18,柱弯矩设计值的强柱弱梁调整原理,柱弯矩和强柱系数梁中弯矩之和强柱系数：一、二、三级框架分别取1.4,1.2,1.1夸大了柱端弯矩的设计值，使得柱端偏于安全。,19,9度和一级框架尚应符合：,当反弯点不在柱高范围内时，柱端弯矩设计值可直接乘以强柱系数，一级取1.4，二级取1.2，三级取1.1顶层柱直接取组合值为设计值。为不使框架底层柱过早出现塑性铰，规范规定：一、二、三级框架底层柱底截面组合的弯矩设计值应分别乘以增大系数1.5、1.25、1.15,20,关于符号的说明与梁/柱强剪弱弯类似,式中节点上、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，可按弹性分析的弯矩比例进行分配；节点左、右梁端面逆时针或顺时针方向组合弯矩设计值之和。节点左、右梁端均为负弯矩时绝对值较小一端的弯矩应取零(相当于把梁端弯矩和增加了)；节点左、右梁端逆时针或顺时针方向实配的正截面抗震受弯承载力所对应的弯距值之和，可根据实际配筋面积和材料强度标准值确定。,21,例题弯矩设计值,13031116所以取柱端弯矩之和为1303按实配钢筋承载力算得的弯矩和大，这里要强柱弱梁，取大值,一级框架尚需满足：,梁正截面的计算结果,22,例题弯矩设计值的分配,按原有比例分配,【注意】规范要求：抗震设计时，一、二、三级框架结构的底层柱底截面弯矩设计值，应分别采用考虑地震作用组合的弯矩值与增大系数1.5、1.25和1.15的乘积。,23,第三步：框架柱的承载力计算,框架柱和框支柱的正截面承载力、斜截面承载力可按现行国家标准混凝土结构设计规范GB50010-2002的有关规定进行计算。,24,对称配筋大偏心受压柱正截面设计步骤(复习),注：偏心距e为轴力作用点到受拉钢筋合力作用点的距离,25,有侧移框架和无侧移框架,无侧移框架有可靠水平支撑的框架类型：三根柱(两跨以上)，且有较多非轻质墙或构造设置有剪力墙时。特点：不考虑竖向荷载的二阶效应(不增加柱端弯矩)有侧移框架无可靠水平支撑的框架类型：没有任何墙体或墙体可以拆除的框架墙体均采用轻质材料的框架有一定非轻质墙的单跨框架特点：竖向荷载会引起二阶效应(增加柱端弯矩),26,有侧移框架,框架柱的计算长度和长细比(三种情况的计算长度不同),有侧移框架,计算偏心距时用到长细比,27,例题柱偏心距计算,柱顶弯矩为573.5645,柱底轴力组合设计值,柱较短，不考虑二阶效应，偏心距增大系数取为1.0,注：偏心距e为轴力作用点到受拉钢筋合力作用点的距离,28,大小偏心受压的判断,注意：基本条件尽管严格，但是在框架柱计算前，钢筋面积是未知的，因而无法计算，所以只能采用近似公式先进行判别，以决定采用何种组合设计值来计算钢筋面积。,29,满足轴压比限值与大偏心受压的关系,实际上有可能出现NbN的情况.此时尽管是小偏心受压，也认为框架柱已经具有足够的延性（满足轴压比要求）。对于轴压比限值大于0.7的情况，以上说明仍然成立。,如果此值大于1，则满足轴压比限值必定是大偏心受压,30,例题大小偏心判断,附加偏心距取20mm和偏心方向截面尺寸1/30中较大值,1.0,0.269,31,大偏心受压柱截面设计公式推导(复习阅读),32,承载力抗震调整系数,例题中轴压比=0.68,33,例题大偏心受压柱截面设计,基本公式,截面抵抗矩系数as,例题中轴压比=0.68,34,框架柱纵筋配置的构造要求,抗震设计时宜采用对称配筋；抗震设计时，截面尺寸大于400mm的柱，其纵向钢筋间距不宜大于200mm；（这里相当于对纵筋根数做了限制）边柱、角柱及剪力墙柱考虑地震作用组合产生小偏心受拉时，柱内纵筋总截面面积宜比计算值增加25%。最大配筋率限制：全部纵筋配筋率不应大于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%，且应沿柱全长采用复合箍筋。最小配筋率限制：全部纵向钢筋的配筋率，不应小于下表的规定值，且柱每一侧纵向钢筋配筋率不应小于0.2%。,35,例题满足纵筋构造要求,36,三、四级框架柱纵筋的构造要求,四级为0.7%,四级为0.9%,限制了钢筋根数,37,作业,1.名词解释：柱的剪跨比；轴压比，为什么要限制框架柱的轴压比