第6章钢筋混凝土框架构件设计剖析

1、第六章第六章 钢筋混凝土框架设计和构造钢筋混凝土框架设计和构造 6.1 延性耗能框架的概念设计延性耗能框架的概念设计 6.2 框架梁抗震设计框架梁抗震设计 6.3 框架柱抗震设计框架柱抗震设计 6.4 梁柱节点核芯区抗震设计梁柱节点核芯区抗震设计 6.5 钢筋的连接和锚固钢筋的连接和锚固 6.1延性耗能框架的概念设计延性耗能框架的概念设计 6.1.16.1.1延性结构延性结构见图见图6-1 (1)(1)延性延性 结构结构( (截面截面) )能维持承载能力而又具有较大的塑性变形的能力。能维持承载能力而又具有较大的塑性变形的能力。 截面开始屈服截面开始屈服 My、 y、fy、 y 截面破坏截面破坏

2、 Mu、 u、fu、 u (2)(2)截面和构件的塑性变形能力常常用延性比来衡量截面和构件的塑性变形能力常常用延性比来衡量, 延性比越大，延性越好。延性比越大，延性越好。 构件位移延性比：构件位移延性比： f=fu / fy 截面曲率延性比：截面曲率延性比： = u/ y 顶点位移延性比顶点位移延性比: = u/ y 6.1.2 6.1.2 延性框架设计基本措施延性框架设计基本措施 (1)(1)钢筋混凝土框架延性的钢筋混凝土框架延性的“塑性铰控制塑性铰控制”理论基本要理论基本要 点点: v允许某些截面出现塑性铰，吸收、耗散地震能量；允许某些截面出现塑性铰，吸收、耗散地震能量； v控制塑性铰出现

3、部位控制塑性铰出现部位选择合理截面形式及配筋构造；选择合理截面形式及配筋构造； v塑性铰本身有较好的塑性变形能力和吸收耗散能量的能力；塑性铰本身有较好的塑性变形能力和吸收耗散能量的能力； v塑性铰能使结构具有较大的延性。塑性铰能使结构具有较大的延性。 (2)(2) 钢筋混凝土延性框架的基本措施是：钢筋混凝土延性框架的基本措施是： 见图见图6-2 强柱弱梁强柱弱梁强剪弱弯强剪弱弯 强结点、弱杆件强结点、弱杆件( (强结点、强锚固强结点、强锚固) ) 强底层柱强底层柱( (局部加强局部加强) ) 6.2 框架梁抗震设计框架梁抗震设计 6.2.1 6.2.1 钢筋混凝土梁的破坏形态与延性钢筋混凝土梁

4、的破坏形态与延性 (1)(1)在抗震框架中，应设计具有良好延性的框架梁。在抗震框架中，应设计具有良好延性的框架梁。 v弯曲破坏：弯曲破坏：少筋梁少筋梁脆性破坏；超筋梁脆性破坏；超筋梁脆性破坏；脆性破坏； 适筋梁适筋梁延性破坏，具有塑性变形能力。延性破坏，具有塑性变形能力。 见图见图6-3 v剪切破坏：斜拉或斜压破坏剪切破坏：斜拉或斜压破坏脆性；脆性； 剪压破坏剪压破坏延性很小。延性很小。 (2)(2)对于抗震的框架，不仅要求梁在塑性铰出现之前对于抗震的框架，不仅要求梁在塑性铰出现之前 不被剪坏，而且还要要求在塑性铰出现之后也不要不被剪坏，而且还要要求在塑性铰出现之后也不要 过早剪坏过早剪坏要求

5、延性梁的抗剪承载能力大于抗弯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。承载能力，即强剪弱弯。 6.2.2 6.2.2 影响梁延性的因素及改善延性的措施影响梁延性的因素及改善延性的措施 (1)(1)影响钢筋混凝土梁延性的因素：影响钢筋混凝土梁延性的因素： 值：值： ，延性好。，延性好。见图见图6-4 (2)(2)改善钢筋混凝土梁延性的措施：改善钢筋混凝土梁延性的措施： 减小减小x( ( ) ) 形截面采用 加大 减小 T 见图见图6-5 梁端塑性铰区箍筋加密梁端塑性铰区箍筋加密 塑性铰外移塑性铰外移见图见图6-6 6.2.3 6.2.3 框架梁的截面设计框架梁的截面设计 1.钢筋混

6、凝土梁的正截面承载力：钢筋混凝土梁的正截面承载力： (1)(1)梁的正截面承载力计算梁的正截面承载力计算 v不考虑地震作用的组合时：不考虑地震作用的组合时：0 0SR SR 0 M Mu） v考虑地震作用的组合时：考虑地震作用的组合时：S SE ERRE E/ /RE RE MEMuE/ RE v抗震设计中的正截面承载力直接采用静载作用下的承载抗震设计中的正截面承载力直接采用静载作用下的承载 力计算公式，力计算公式， 即：即：RE=R（MuE=Mu） ME MuE/ RE=Mu/ RE （或（或 RE ME Mu） n对单筋矩形截面，对单筋矩形截面，Mu=Asfy(h0-x/2) ysc fA

7、fbx 1 v由平衡条件由平衡条件 X=0： n双筋矩形截面：双筋矩形截面： ysysc fAfAfbx 1 v由平衡条件由平衡条件 X=0： 得到名义压区高度为：得到名义压区高度为： c yy b f ff h x 10 v由另一极限状态平衡条件由另一极限状态平衡条件 M|As= 0得得 不考虑地震作用时：不考虑地震作用时： )()5 . 0)( 00max ahfAxhfAfAM bysbysysb 考虑地震作用时：考虑地震作用时： )()5 . 0)( 1 00max ahfAxhfAfAM bysbysys RE b n框架梁梁端截面的底部和顶部纵向受力钢筋截面面框架梁梁端截面的底部和

8、顶部纵向受力钢筋截面面 积的比值，除按计算确定外，另满足：积的比值，除按计算确定外，另满足： v一级抗震等级：一级抗震等级： A s/As0.5 v二、三级抗震等级：二、三级抗震等级： A s/As0.3 框架梁两端框架梁两端( (支座截面支座截面) )必须是双筋截面。必须是双筋截面。 (2)(2)正截面构造要求正截面构造要求 v计入纵向受压钢筋的梁端塑性铰区混凝土受压区高度：计入纵向受压钢筋的梁端塑性铰区混凝土受压区高度： 一级抗震等级一级抗震等级： x0.25h0.25h0 0 二、三级抗震等级二、三级抗震等级： x0.35h0.35h0 0 注：一、二、三级框架梁塑性铰区以外的部位、四级

9、框架注：一、二、三级框架梁塑性铰区以外的部位、四级框架 梁、非抗震框架梁梁、非抗震框架梁xb h0。 v抗震设计时，抗震设计时， 梁端纵向受拉钢筋的配筋率不宜大于梁端纵向受拉钢筋的配筋率不宜大于2.5% %。 v抗震设计时，抗震设计时，纵向受拉钢筋的最小配筋率纵向受拉钢筋的最小配筋率(%)(pp191(%)(pp191表表6-1)6-1) 抗震等级抗震等级一一二二三、四三、四 支支 座座0.40，80ft/fy0.30，65 ft/fy0.25，55 ft/fy 跨跨 中中0.30，65 ft/fy0.25，55 ft/fy0.20，45 ft/fy v非抗震设计框架的要求同一般钢筋混凝土结构

10、非抗震设计框架的要求同一般钢筋混凝土结构 max(0.20，45 ft/fy)。 n 在抗震设计中，为保证梁端的延性，要求框架梁梁端的纵在抗震设计中，为保证梁端的延性，要求框架梁梁端的纵 向受压及受拉钢筋的比例向受压及受拉钢筋的比例As/As不小于不小于0.5(一级一级)或或0.3(二、二、 三级三级)。 n 梁端有箍筋加密区，箍筋间距较密，能充分发挥受压钢筋梁端有箍筋加密区，箍筋间距较密，能充分发挥受压钢筋 的作用；所以，在验算梁端截面混凝土受压区高度与有效的作用；所以，在验算梁端截面混凝土受压区高度与有效 高度之比值时，可以按双筋梁考虑。高度之比值时，可以按双筋梁考虑。 n 在计入受压钢筋

11、的作用后，梁端截面的相对受压区高度在计入受压钢筋的作用后，梁端截面的相对受压区高度 x/h0值即可减小很多，即使梁的高度较小，例如取到跨度值即可减小很多，即使梁的高度较小，例如取到跨度 的的1/18，一般也能满足要求。，一般也能满足要求。 n 避免焊接损伤纵向钢筋：焊接，特别是十字交叉形的焊接避免焊接损伤纵向钢筋：焊接，特别是十字交叉形的焊接 容易使钢筋变脆，不利于抗震。因此，应避免将梁、柱纵容易使钢筋变脆，不利于抗震。因此，应避免将梁、柱纵 筋与箍筋、拉筋、埋件等焊接，尤其是在抗震设计的场合，筋与箍筋、拉筋、埋件等焊接，尤其是在抗震设计的场合， 更应加以注意。更应加以注意。 2. 梁的斜截面

12、承载力计算梁的斜截面承载力计算 (1)(1)抗震设计中采用与非抗震设计中不同的斜截面受剪抗震设计中采用与非抗震设计中不同的斜截面受剪 承载力计算公式：承载力计算公式： R=Vu=Vc+Vs；RE=VuE=0.6Vc+Vs 即：即： VbVuE/ RE=（0.6Vc+Vs)/ RE 或：或： REVb(0.6Vc+Vs) n抗震设计的框架梁抗震设计的框架梁承载力计算承载力计算 v一般框架梁：一般框架梁：REVb 0.42ftbh0+fyvAsvh0/s v集中荷载作用下集中荷载作用下( (包括有多种荷载，其中集中荷载对节点边包括有多种荷载，其中集中荷载对节点边 缘产生的剪力值占总剪力值的缘产生的

13、剪力值占总剪力值的75%75%以上的情况的框架梁：以上的情况的框架梁： REVb 1.05ftbh0/(+1)+fyvAsvh0/s 0Vb 0.7ftbh0+1.0fyvAsvh0/s n非抗震设计的一般框架梁：非抗震设计的一般框架梁： (2) (2) 按照按照“强剪弱弯强剪弱弯” 的要求调整剪力设计值的要求调整剪力设计值V Vb b v调整前的最大剪力：调整前的最大剪力： 见图见图6-7 r Gb n r b l br Gb r Mb r b V l MM VVV 0 v按按“强剪弱弯强剪弱弯”要求，将要求，将 由弯矩产生的剪力放大由弯矩产生的剪力放大 vb倍倍 ： Gb n r b l

14、b vbb V l MM V v9度和一级抗震时尚度和一级抗震时尚 应符合以下要求：应符合以下要求： Gb n r bua l bu b V l MM V a 1 . 1 vb 梁剪力增大系数。一、二、三级抗震时，梁剪力增大系数。一、二、三级抗震时， vb分别为分别为 1.3、1.2、1.1。 Mlbua、Mrbua 框架梁左、右端的极限抗弯承载力。框架梁左、右端的极限抗弯承载力。 按梁的实际配筋计算。按梁的实际配筋计算。 计算时取钢筋抗拉强度标准值计算时取钢筋抗拉强度标准值fyk。 可按下列简化公式计算可按下列简化公式计算Mbu： Mbua=Asfyk(hb0a) Mlb、Mrb 组合得到的

15、梁左、右端计算弯矩。组合得到的梁左、右端计算弯矩。 VGb 梁在本跨竖向重力荷载作用下产生的简支支座梁在本跨竖向重力荷载作用下产生的简支支座 反力设计值。反力设计值。 (3) (3) 梁斜截面有关构造规定梁斜截面有关构造规定 v 截面尺寸和混凝土强度：考虑地震作用组合时，截面尺寸和混凝土强度：考虑地震作用组合时， 当跨高比当跨高比l0 0/ /h2.5时，时，Vb(0.20cfcbh0)/RE ； 当跨高比当跨高比l0 0/ /h0.7ftbbhb0Vb 0.7ftbbhb0 150hb300150200 300hb500200300 500800300400 v 在非加密区，箍筋间距按下表采

16、用，并不少于加密区箍筋在非加密区，箍筋间距按下表采用，并不少于加密区箍筋 数量的数量的5050 。 抗震等级抗震等级 加密区长度加密区长度 (取较大值取较大值) 箍筋最大间距箍筋最大间距 (取较小值取较小值) 箍筋最小直径箍筋最小直径 (取较大值取较大值) 一一2.0hb，500mmhb4，6d，100mm 10 二二1.5hb，500mmhb4，8d，100mm 8 三三1.5hb，500mmhb4，8d，150mm 8 四四1.5hb，500mmhb4，8d，150mm 6 v 第一个箍筋应设置在距支座边缘第一个箍筋应设置在距支座边缘50mm处。处。 v 钢箍必须做成封闭箍，加钢箍必须做成

17、封闭箍，加135135 弯钩，弯钩端头直段长度应为弯钩，弯钩端头直段长度应为 10d10d，且不小于，且不小于75mm75mm。 v 箍筋肢距要求。箍筋肢距要求。 6.3 框架柱抗震设计框架柱抗震设计 6.3.1 柱的破坏形态和延性柱的破坏形态和延性 (1)(1)弯曲破坏：弯曲破坏：延性破坏延性破坏sfy； yf y；cfc (2)(2)剪切受压破坏：有一定延性剪切受压破坏：有一定延性水平裂缝发展成斜裂缝，水平裂缝发展成斜裂缝， 受压区混凝土剪切错动。受压区混凝土剪切错动。 (3)(3)剪切受拉破坏：脆性破坏剪切受拉破坏：脆性破坏较小，箍筋少，主筋较小，箍筋少，主筋s fy 后，箍筋突然屈服。

18、后，箍筋突然屈服。 (4)(4)剪切斜拉破坏：脆性破坏剪切斜拉破坏：脆性破坏短柱中，斜裂缝成对角线，短柱中，斜裂缝成对角线， svfyv时时， s2的柱：的柱：Vc (0.20 cfcbchc0) RE 2的柱：的柱：Vc (0.15 cfcbchc0) RE （2）角柱剪力调整）角柱剪力调整 n一、二、三、四级框架角柱，经上述调整后的剪力设计值，一、二、三、四级框架角柱，经上述调整后的剪力设计值， 应乘以不小于应乘以不小于1.1的增大系数。的增大系数。 (2)(2)柱的箍筋柱的箍筋 v箍筋形式：箍筋形式： 普通矩形箍普通矩形箍 、 螺旋箍、螺旋箍、 复式箍等。复式箍等。 v箍筋加密区范围：箍

19、筋加密区范围： 底层柱的上端和其他各层柱的两端底层柱的上端和其他各层柱的两端取柱净高的取柱净高的16、柱、柱 截面长边尺寸截面长边尺寸hc(或圆柱直径或圆柱直径) 或或500mm三者中的较大值。三者中的较大值。 剪跨比不大于剪跨比不大于2的柱；因填充墙等形成的的柱；因填充墙等形成的短柱；一、二级抗震短柱；一、二级抗震 等级的角柱和框支柱；需提高变形能力的柱等级的角柱和框支柱；需提高变形能力的柱取柱全高。取柱全高。 在底层柱基础较深而又遇有刚性地坪时在底层柱基础较深而又遇有刚性地坪时刚性地坪刚性地坪地坪上地坪上 下各下各500mm范围。范围。 底层柱柱根底层柱柱根以上以上13柱柱净高的范围；净高

20、的范围； v加密区箍筋数量加密区箍筋数量(pp203表表6-6)： 抗震等级抗震等级 箍筋最大间距箍筋最大间距 (取较小值取较小值) 箍筋最小直径箍筋最小直径 (取较大值取较大值) 一一 6d，l00mm 10 二二 8d，l00mm 8 三三 8d，150mm (柱根柱根l00mm) 8 四四 8d，150mm (柱根柱根l00mm) 6 ( (柱根柱根 8) v加密区体积配箍率：加密区体积配箍率： sll lA svsv v 21 且：一级：且：一级： v 0.8； 二级：二级： v0.6； 三、四级：三、四级： v0.4。 v fc fyv v最小体积配箍特征值，见最小体积配箍特征值，见

21、 pp202表表6-5） v加密区的箍筋肢距：加密区的箍筋肢距： l一级不宜大于一级不宜大于200mm； l二、三级不宜大于二、三级不宜大于250mm和和20倍箍筋直径的较大值；倍箍筋直径的较大值； l四级不宜大于四级不宜大于300mm； l为便于浇灌混凝土，纵筋间距也不宜小于为便于浇灌混凝土，纵筋间距也不宜小于50mm； l每隔一根纵向钢筋宜在两个方向有箍筋约束。每隔一根纵向钢筋宜在两个方向有箍筋约束。 6.4 梁柱节点核芯区抗震设计梁柱节点核芯区抗震设计 6.4.1 强节点、强锚固强节点、强锚固 (1)(1)节点区的破坏节点区的破坏 v节点区无箍筋或少箍筋，在剪压作用下混凝土出现斜裂节点区

22、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。缝，然后挤压破碎，纵向钢筋压屈成灯笼状。 v钢筋锚固破坏。钢筋锚固破坏。 (2)(2)强节点强节点 v抗剪验算，在节点区配置足够的箍筋，并保证混凝土抗剪验算，在节点区配置足够的箍筋，并保证混凝土 的强度及密实性。的强度及密实性。 (3)(3)强锚固强锚固 v处理好纵向钢筋在节点区的锚固构造。处理好纵向钢筋在节点区的锚固构造。 (4)(4)节点抗震设计节点抗震设计 v一、二、三级框架的节点核心区应进行抗震验算；四级框一、二、三级框架的节点核心区应进行抗震验算；四级框 架节点可不进行抗震验算。架节点可不进行抗震验算

23、。 。 6.4.2 节点区设计剪力节点区设计剪力 v在地震作用下，通过节点区的梁纵向钢筋一侧受拉，在地震作用下，通过节点区的梁纵向钢筋一侧受拉， 另一侧受压，容易出现粘结破坏另一侧受压，容易出现粘结破坏( (见下图见下图) )。 v节点设计剪力节点设计剪力由强节点要求，能抵抗当节点两边由强节点要求，能抵抗当节点两边 梁端出现塑性铰时的节点区剪力。梁端出现塑性铰时的节点区剪力。 (1)(1)平衡条件平衡条件图示中柱节点核芯区上半部为隔离体：图示中柱节点核芯区上半部为隔离体： Vj = (Cs + Cc) + fykAts - Vc = (fykAbs)+ fykAts Vc sb bu yks

24、sbyksbu bc r bu l bu bc t c b c c ah M fA ahfAM hH MM hH MM V 0 0 )( bc sb sb bu j hH ah ah M V 0 0 1 (2)(2)强结点要求强结点要求平衡剪力放大平衡剪力放大jb倍倍 v一级框架结构和一级框架结构和9 9 度时的一级框架：度时的一级框架： bc sb sb bua j hH ah ah M V 0 0 1 15. 1 v一级、二级、三级一级、二级、三级 框架的其它情况：框架的其它情况： bc sb sb bjb j hH ah ah M V 0 0 1 Mb 节点左右梁端组合弯矩设计值之和；节

25、点左右梁端组合弯矩设计值之和； Mbua节点左右梁端按实际钢筋面积和材料强度标准值节点左右梁端按实际钢筋面积和材料强度标准值 计算的受弯承载力所对应的弯矩设计值之和；计算的受弯承载力所对应的弯矩设计值之和； jb 强节点系数。对框架结构，一级取强节点系数。对框架结构，一级取1.5，二级取，二级取 1.35，三级取，三级取1.2；对其它结构中的框架，一级取；对其它结构中的框架，一级取 1.35，二级取，二级取1.2，三级取，三级取1.1； Hc 柱的计算高度，可采用节点上、下柱反弯点之柱的计算高度，可采用节点上、下柱反弯点之 间的距离。间的距离。 6.4.3 节点区抗剪验算节点区抗剪验算 (1)

26、(1)节点区的抗剪承载力公式由试验得到：节点区的抗剪承载力公式由试验得到： )(05. 01 . 1 1 0sj svj yv c j jjjtj RE j ah s A f b b NhbfV )(9 . 0 1 0sj svj yvjjtj RE j ah s A fhbfV 9度时一级：度时一级： (2)(2)在一、二、三级框架节点，由上式计算节点区所需的箍筋在一、二、三级框架节点，由上式计算节点区所需的箍筋 面积及间距，同时满足构造要求。面积及间距，同时满足构造要求。 (3)(3)在四级框架中，节点区不需进行抗剪验算，按构造要求配在四级框架中，节点区不需进行抗剪验算，按构造要求配 置箍

27、筋。置箍筋。 v 节点区配置的箍筋至少要与柱中箍筋加密区的箍筋数量相等节点区配置的箍筋至少要与柱中箍筋加密区的箍筋数量相等 6.4.4 节点区构造要求节点区构造要求 (1)(1)截面尺寸和混凝土强度截面尺寸和混凝土强度 v节点区平均剪应力限制：节点区平均剪应力限制： Vj (0.30 j cfcbjhj) RE v在节点区的混凝土强度等级应与柱的混凝土强度等级相同在节点区的混凝土强度等级应与柱的混凝土强度等级相同 。当节点区混凝土与梁板混凝土一起浇注时，必须注意节点。当节点区混凝土与梁板混凝土一起浇注时，必须注意节点 区混凝土强度等级与柱混凝土强度等级相差不应超过区混凝土强度等级与柱混凝土强度等级相差不应超过5MPa。 (2)(2)箍筋箍筋Smax、dmin 要求：不小于柱加密区要求：不小于柱加密区 (3)(3)一、二、三级抗震要求时一、二、三级抗震要求时 v 分别不小于分别不小于0.12、0.10、0.08。 (4)(4)一、二、三级抗震时一、二、三级抗震时 v 分别不小于分别不小于0.6%、 0.5% 、 0.4%。 (5)(5) 2的梁柱节点，其的梁柱节点，其 v值不小于上下柱端的值不小于上下柱端的 v。 (6