钢筋混凝土框架房屋抗震设计

1、第六章 钢筋混凝土框架房屋抗震设计6-1 概述6-2 震害及其分析6-3 抗震设计一般规定6-4 框架结构水平地震作用计算6-5 框架结构内力和侧移计算6-6 框架结构梁、柱及节点的抗震设计6-7 框架结构抗震构造措施6-8 框架结构抗震设计实例结构抗震设计第六章重点、难点和基本要求重点和难点： 1、 6-2 震害及其分析 2、 6-4 框架结构水平地震作用计算 3、 6-5 框架结构内力和侧移计算 4、 6-6 框架结构梁、柱及节点的抗震设计基本要求 1、6-4 框架结构水平地震作用计算 2、6-5 框架结构内力和侧移计算 3、6-6 框架结构梁、柱及节点的抗震设计 4、6-8 框架结构抗震

2、设计实例 5、回答本章思考题结构抗震设计6-1 概述 钢筋混凝土框架房屋是指由钢筋混凝土纵梁、横梁和柱等构件所组成的承重体系的房屋。 框架房屋具有建筑平面布置灵活，可任意分割房间，容易满足生产工艺和使用要求。因此，框架房屋在单层和多层工业与民用建筑中获得了广泛应用。 房屋在水平地震作用或风荷载下，靠近底层的承重构件的内力(弯距、剪力)和房屋的侧向位移随房屋高度的增加而急剧增大。框架房屋超过一定高度后，其侧向刚度将显著减小，在地震作用或风荷载下其侧向位移较大，因此，框架房屋一般多用于10层以下建筑。 框架房屋比砌体房屋有较高的承载力，较好的延性和整体性，其抗震性能较好。因此，在高烈度区应用十分广

3、泛。结构抗震设计6-2 震害及其分析 一、框架梁、柱的震害 框架梁、柱的震害主要反映在梁柱节点处。柱的震害重于梁；柱顶震害重于柱底；角柱震害重于内柱；短柱震害重于一般柱。 二、填充墙的震害 框架结构的砖砌填充墙破坏较为严重，其原因是在地震作用下，框架的层间位移较大，填充墙企图阻止其侧移，因砖砌体的极限变形很小，在往复水平地震作用下，即产生斜裂缝，甚至倒塌。 框架的变形为剪切型，下部层间位移较大，因此填充墙在房屋中下部几层震害严重。三、地基和其他原因造成的震害 建造在软弱地基上的高柔建筑物，由于结构自振周期与地基土卓越周期接近，发生类共振而导致建筑物破坏。 结构抗震设计6-3抗震设计一般规定 一

4、、房屋适用的最大高度 （P164表6-1） 为使建筑达到既安全适用又经济合理的要求，现浇钢筋混凝土房屋高度不宜建得太高。 房屋适宜的最大高度与房屋的结构类型、设防烈度、场地类别等因素有关。 框架结构的最大高度应不超过规范规定。 二、区别结构的抗震等级（ P167表6-2 ） 为了体现在同样烈度下不同的结构体系、不同的高度和不同场地有不同的抗震要求，规范根据结构类型、设防烈度、房屋高度和场地类别将框架结构划分不同的抗震等级。 框架结构抗震等级的划分，应符合规范规定。 结构抗震设计三、建筑设计和建筑结构的规则性 建筑立面和平面不规则常是造成震害的主要原因。因此，建筑及其抗侧力结构的平面布置宜规则、

5、对称，并应具有良好的整体性；建筑的立面和竖向剖面宜规则，结构的侧向刚度宜均匀变化，竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度宜自下而上逐渐减小，避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变。 当框架结构的平面不规则或竖向不规则时，应按规范要求进行水平地震作用计算和内力调整，并应对薄弱部位采取有效的抗震构造措施。规则建筑：指建筑平面及立面变化均不过大，平面局部突出部分、立面局部突出和缩进尺寸都应符合要求。（P165图6-7）结构抗震设计四、防震缝的设置 体形复杂、平立面特别不规则的建筑结构，可按实际需要在适当部位设置防震缝，形成多个较规则的抗侧力结构单元。 防震缝应根据抗震设防烈度、结构材料种类、结构类型、结构

6、单元的高度和高差情况，留有足够的宽度，其两侧上部结构应完全分开。 当设置伸缩缝和沉降缝时，其宽度应符合防震缝的要求。 防震缝的最小宽度应符合规范规定。 结构抗震设计五、结构的布置 1、框架结构中，框架应双向布置，为了防止在地震作用下柱发生扭转，柱中线与抗震墙中线、梁中线与柱中线之间的偏心距不宜大于柱宽的14。 2、框架结构单独基础在某些规范规定的情况下，宜沿两个主轴方向设置基础系梁。 3、框架的砌体填充墙，应符合规范要求。 结构抗震设计44 框架结构水平地震作用的计算 一、规范的一般规定二、框架结构的基本周期计算三、框架结构的水平地震作用标准值结构抗震设计一、规范的一般规定 规范规定，在一般情

7、况下，应沿结构两个主轴方向分别考虑水平地震作用，以进行截面承载力和变形验算。 各方向的水平地震作用应全部由该方向抗侧力构件承担。 结构抗震设计二、框架结构的基本周期计算 计算水平地震作用时，首先要确定结构的基本周期。 对于多层钢筋混凝土框架，由于它的侧移容易计算，故一般采用能量法计算基本周期；对于高层钢筋混凝土框架，可采用顶点位移法计算结构基本周期。此外，也可用经验公式计算，选用时应注意其适用范围。 1、能量法2、顶点位移法结构抗震设计三、框架结构的水平地震作用标准值 对于高度不超过40m，以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的框架结构的水平地震作用标准值，可按底部剪力法计算：式中符号

8、同前。结构抗震设计顶部附加地震作用的计算（ Fn ） 顶部附加地震作用系数n 当结构基本周期较长，特征周期Tg较小时，由于高阶振型的影响增大，且主要影响在结构上部，按质点i的水平地震作用标准值计算式计算时，结构顶部的地震剪力偏小，故须按顶部附加地震作用系数n进行调整。 顶部附加地震作用系数nTg(s)T11.4TgT1 1.4Tg 0.350.08 T1+0.070 0.550.08 T10.020结构抗震设计6-5 框架结构内力和侧移计算 多层框架是高次超静定结构，如果按精确方法用手工计算它的内力和位移是十分困难的，甚至是不可能的。因此，目前在工程结构计算中，通常采用近似的分析方法，常用的近

9、似方法有：在水平荷载下的反弯点法和D值法，以及在竖向荷载下的弯矩二次分配法。 一、在水平荷载作用下框架内力和位移的计算（反弯点法和D值法） 二、重力荷载下框架内力的计算（弯矩二次分配法）三、控制截面及其内力不利组合 结构抗震设计三、控制截面及其内力不利组合 在进行构件截面设计时，需求得控制截面上的最不利内力组合作为配筋的依据，内力不利组合就是控制截面配筋最大的内力组合 ：1、框架梁：一般选梁的两端截面和跨中截面作为控制截面；2、柱：选柱的上、下端截面作为控制截面。注意：1 、在框架梁、柱端部截面配筋计算中，应采用构件端部控制截面的内力，而不是轴线处的内力。由于梁端截面弯矩、剪力较柱轴线处的小；

10、柱端截面内力较梁轴线处为小。因此，在梁、柱内力不利组合前，须求出构件端部截面内力，再求组合内力。 2、规范规定：除烟尘和较高的水塔、高层建筑外，一般结构可不考虑风荷载与地震荷载的组合。结构抗震设计内力组合和构件承载力验算如前所述，对于一般结构，当考虑地震作用时，应按下式进行内力组合和验算构件承载力：1、内力组合2、构件承载力验算式中 S-结构构件内力组合的设计值 R-正常荷载下，结构构件承载力设计值或改写为：当S表示梁的剪力时式中 Vc-正常荷载下，梁的混凝土受剪承载力设计值结构抗震设计1、梁的内力不利组合（1）梁的负弯矩，取下式两者较大值（2）梁端正弯矩 （3）梁端剪力，取下式两者较大值 （

11、4）跨中正弯矩，取下式两者较大值 Mb.max=1.3 MEk +1.2MGE为重力荷载代表值与水平地震作用在梁内产生的跨中最大组合弯矩设计值。 结构抗震设计2、柱的内力不利组合以双向偏心受压柱为例，设x轴平行于框架结构平面的长边， y轴平行于短边。1、当地震沿结构横向（垂直于x轴）作用时，当地震沿结构纵向（垂直于y轴）作用时， 当无地震作用时， 结构抗震设计6-6 框架结构梁、柱及节点的抗震设计一、一般设计原则二、框架梁的设计三、框架柱的设计四、框架节点设计结构抗震设计一、一般设计原则 为了防止钢筋混凝土房屋在遭受高于本地区设防烈度的罕遇地震影响时，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏，结构应具

12、有足够大的延性。 要求结构具有一定的延性就必须保证框架梁、柱有足够大的延性。 梁、柱的延性是以其截面塑性铰的转动能力来度量的。 因此，在进行结构抗震设计时，应注意梁、柱塑性铰的设计，使框架结构成为具有较大延性的“延性结构”。 结构抗震设计梁、柱塑性铰设计的一般原则 (1)强柱弱梁：要控制梁、柱的相对强度，使塑性铰首先在梁中出现尽量避免或减少在柱中出现。因为塑性铰在柱中出现，很容易形成几何可变体系而倒塌。 (2)强剪弱弯：对于梁、柱构件而言，要保证构件出现塑性铰，而不过早地发生剪切破坏，要求构件的抗剪承载力大于塑性铰的抗弯承载力。为此，要提高构件的抗剪强度，形成“强剪弱弯”。 (3)强节点、强锚

13、固：为了保证延性结构的要求，在梁的塑性铰充分发挥作用前，框架节点、钢筋的锚固不应过早地破坏。结构抗震设计 二、框架梁的设计 1、梁的截面尺寸宜符合下列要求： (1)梁的截面宽度不宜小于200mm。 (2)梁截面的高宽比不宜大于4。 (3)为了避免发生剪切破坏，梁净跨与截面高度之比不宜小于4。 2、梁的混凝土和钢筋的强度等级要求 （1）、框架梁当按一级抗震等级设计时，其混凝土强度等级不应低于C30；当按二、三级抗震等级设计时，其混凝土强度等级不应低于C20。梁的纵向受力钢筋，宜选用HRB4m级、HRB335级热轧钢筋；箍筋宜选用HRB335、HRB400和HPB235级热轧钢筋。 （2）、按一、

14、二级抗震等级设计框架结构，其纵向受力钢筋采用普通钢筋时，其检验所得的强度实测值，应符合下列要求： 钢筋抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值，不应小于1.25；钢筋屈服强度实测值与钢筋强度标准值的比值，不应大于1.30。 结构抗震设计3、梁的正截面受弯承载力计算 按公式求出梁的控制截面组合弯矩后，即可按一般钢筋混凝土结构构件的计算方法进行配筋计算。 梁的纵向钢筋配置，应符合下列各项要求： (1)、梁端截面的底面和顶面配筋量的比值，除按计算确定外，一级不应小于0.5；二、三级不应小于0.3。 (2)、沿梁全长顶面和底面的配筋，一、二级不应少于214、且分别不应少于梁两端顶面和底面纵向配筋中较大截面

15、面积的14，三、四级不应少于212。 (3)、一、二级框架梁内贯通中柱的每根纵向钢筋直径，不宜大于柱在该方向截面尺寸的120；对圆形截面柱，不宜大于纵向钢筋所在位置柱截面弦长的120（这一条件是为了保证中柱两侧框架梁出现塑性铰后，钢筋仍具有20d的锚固长度。）。 (4)、梁端纵向受拉钢筋的配筋率不应大于2.5，且计人受压钢筋的梁端，混凝土受压区高度和有效高度之比，一级不应大于0.25，二、三级不应大于0.35。 (5)、纵向受拉钢筋的配筋率，不应小于规范规定的数值。 结构抗震设计4、梁的斜截面受剪承载力计算（1）、剪压比的限制 梁内平均剪应力与混凝土抗压强度设计值之比，称为梁的剪压比。 梁的截

16、面出现斜裂缝之前，构件剪力基本上由混凝土抗剪强度来承受，箍筋因抗剪而引起的拉应力很低。如果构件截面的剪压比过大，混凝土就会过早地发生斜压破坏。因此，必须对剪压比加以限制。 实际中，对梁的剪压比的限制，也就是对梁的最小截面的限制。 框架梁和连梁的截面组合剪力设计值应符合下列要求： 跨高比大于2.5时： 跨高比等于或小于2.5时： 结构抗震设计(2)、按“强剪弱弯”的原则调整梁的截面剪力 为了避免梁在弯曲破坏前发生剪切破坏，应按“强剪弱弯”的原则调整框架梁端部截面组合的剪力设计值： 一、二、三级框架梁 ： 结构抗震设计（3）、斜截面受剪承载力的验算 矩形、T形和工字形截面一般框架梁，斜截面抗震承载

17、力，仍采用非地震时梁的斜截面受剪承载力公式形式进行验算。但除应除以承载力抗震调整系数外，尚应考虑在反复荷载作用下，钢筋混凝土斜截面强度有所降低，即框架梁受剪承载力抗震验算公式为 对集中荷载作用下的框架梁，且其中集中荷载对节点边缘产生的剪力值占总剪力值的75以上的情况，其斜截面受剪承载力应按下面公式验算：结构抗震设计三、框架柱的设计1、柱的截面尺寸宜符合下列各项要求：(1)截面的宽度和高度均不宜小于300mm；圆柱直径不宜小于300mm。(2)截面长边与短边的边长比不宜大于3。 (3)剪跨比宜大于2，其值按下式计算：按上式计算剪跨比时，应取柱上下端计算结果的较大值；反弯点位于柱高中部的框架柱，可

18、按柱净高与2倍柱截面高度之比计算。 2、柱的材料强度等级柱的混凝土强度等级和钢筋强度等级的要求与梁相同。 结构抗震设计3、柱的正截面承载力的计算 按柱的内力不利组合公式确定柱的内力不利组合后，即可按一般钢筋混凝土偏心受压构件计算方法进行配筋计算。 为了提高柱的延性，增强结构的抗震能力，在柱的正截面计算中，还应注意以下一些问题：（1）、轴压比的限制 轴压比是指柱组合的轴压力设计值与柱的全截面面积和混凝土抗压强度设计值乘积之比。 轴压比是影响柱的延性重要因素之一，在框架抗震设计中，必须按规范限制轴压比，以保证柱具有一定的延性。另：可不进行地震作用计算的结构，取无地震作用组合的轴力设计值。 结构抗震

19、设计（2）、按“强柱弱梁”原则调整柱端弯矩设计值 为使框架结构在地震作用下塑性铰首先在梁中出现，必须做到，在同一节点，柱的抗弯能力大于梁的抗弯能力，即满足“强柱弱梁”的要求。 规范规定，柱端组合弯矩设计值应符合下列公式要求： 当反弯点不在柱的层高范围内时，柱端截面组合弯矩设计值可乘以上述柱端弯矩增大系数。 由于框架底层柱柱底过早出现塑性铰将影响整个框架的变形能力，从而对框架造成不利影响。同时，随着框架梁塑性铰的出现，内力塑性重分布，使底层框架柱的反弯点位置具有较大的不确定性。因此，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和1.15。 结构抗震设

20、计(3)、柱的纵向钢筋的配置 柱的纵向钢筋配置，应符合下列各项要求： (1)宜对称配置。 (2)截面尺寸大于400mm的柱，纵向钢筋间距不宜大于200mm。 (3)柱纵向钢筋的最小总配筋率按规范采用，同时应满足每一侧配筋率不小于0.2。 (4)柱总配筋率不应大于5。 (5)一级且剪跨比大于2的柱，每侧纵向钢筋配筋率不宜大于1.2。 (6)边柱、角柱在地震作用组合产生小偏心受拉时，柱内纵筋总截面面积应比计算值增加25。 (7)柱纵向钢筋的绑扎接头应避开柱端的箍筋加密区。 结构抗震设计4、柱的斜截面承载力的计算（1）、剪压比的限制 柱内平均剪应力与混凝土轴心抗压强度设计值之比，称为柱的剪压比。 与

21、梁一样，为了防止构件截面的剪压比过大，在箍筋屈服前，混凝土过早地发生剪切破坏，必须限制柱的剪压比，亦即限制柱的截面最小尺寸。 规范规定，框架柱端截面组合的剪力设计值应符合下列要求： 剪跨比大于2时 剪跨比不大于2时 结构抗震设计（2）、按“强剪弱弯”的原则调整柱的截面剪力 为了防止柱在压弯破坏前发生剪切破坏，应按“强剪弱弯”的原则，对柱的端部截面组合的剪力设计值予以调整： 一、二、三级框架结构 按两个主轴方向分别考虑地震作用时，由于角柱扭转作用明显，规范规定，一、二、三级框架结构的角柱按调整后的弯矩、剪力设计值后，应再乘以不小于1.10的增大系数。 结构抗震设计（3）、斜截面承载力验算 在进行

22、框架柱斜截面抗震承载力验算时，仍采用非地震时承载力的验算公式形式，但应除以承载力抗震调整系数，同时考虑地震作用对钢筋混凝土框架柱承载力降低的不利影响，即可得出框架柱斜截面抗震承载力验算公式： 当框架柱出现拉力时，其斜截面受剪承载力为 当上式右边的计算值小于时 ，取等于 ，且值不应小于 。 结构抗震设计四、框架节点设计 在进行框架结构抗震设计时，除了保证框架梁、柱具有足够的强度和延性外，还必须保证框架节点的强度。 框架节点破坏主要是由于节点核芯区箍筋数量不足，在剪力和压力共同作用下节点核芯区混凝土出现斜裂缝，箍筋屈服甚至被拉断，柱的纵向钢筋被压曲引起的。 为了防止节点核芯区发生剪切破坏，必须保证节点核芯区混凝土的强度和配置足够数量的箍筋。 1、节点剪压比的控制 为了使节点核芯区的剪应力不致过高，避免过早地出现斜裂缝，规范规定，节点核芯区组合的剪力设计值应符合下列条件： 结构抗震设计2、框架节点核芯区截面受剪承载力的验算 节点核芯区截面抗震验算，应符合下式要求：一、二级框架 三、四级框架节点核芯区，可不进行抗震验算，但应符合构造措施的要求。3、节点核芯区组合的剪力设计值Vj结构抗震设计6-7 框架结构抗震构造措施一、梁柱及节点核心区箍筋的配筋二、钢筋锚固与接头 结构抗震设计一、梁柱及节点核心区箍筋的配筋 在地震作用下