框架结构构件设计

框架结构构件设计第一页，共103页。第一节内力组合一控制截面

二荷载布置三弯矩调幅四最不利内力组合返回第二页，共103页。一控制截面

1.梁的控制截面

对于横梁，其两端支座截面常常是最大负弯矩及最大剪力作用处，在水平荷载作用下，端截面还有正弯矩。而跨中控制截面常常是最大正弯矩作用处。由于内力分析结果都是轴线位置处的梁的弯矩及剪力，因而在组合前应经过换算求得柱边截面的弯矩和剪力。返回第一节内力组合第三页，共103页。一控制截面

返回第一节内力组合可按内插法计算第四页，共103页。一控制截面

2.柱的控制截面

根据弯矩图可知，弯矩最大值在柱两端，剪力和轴力值在同一楼层内变化很小。因此，柱的设计控制截面为上、下两个端截面。注意，在轴线处的计算内力也要换算到梁上、下边缘处的柱截面内力。柱可能出现偏压破坏：▲可能出现大偏压破坏时，M越大越不利；▲可能出现小偏压破坏时，N越大越不利；返回第一节内力组合第五页，共103页。一控制截面

▲一般柱都设计成对称配筋，应选择绝对值最大的弯矩进行截面配筋。

因此，应考虑以下四种可能情况：①②③④，但N比较小或比较大。为了验算斜截面承载力，柱子还要组合最大剪力Vmax返回第一节内力组合第六页，共103页。二荷载布置1.恒载：长期作用在结构上，按实际情况计算结构内力；

2.竖向活载：暂时作用的竖向荷载，按最不利方式布置荷载计算构件内力，使计算比较复杂。因活载比较小，一般可将活载按满跨布置计算，而将框架梁的跨中弯矩乘以1.1～1.2的放大系数。当使用活载较大时，各截面的内力仍按不同的不利布置荷载计算。返回第一节内力组合第七页，共103页。二荷载布置返回第一节内力组合第八页，共103页。二荷载布置3.风载及地震作用：可能沿某方向的正、反两个方向作用。在对称结构中，只需进行一次内力计算，内力冠以正负符号即可。返回第一节内力组合第九页，共103页。三弯矩调幅

混凝土结构中塑性铰出现后，会导致塑性内力重分布，提高其承载能力。而框架采用弹性理论计算，为有效利用这一作用，可对某些计算内力进行局部调整，然后再进行内力组合。在竖向荷载作用下，梁端截面往往有较大负弯矩，为保证梁端的延性及便于施工，设计时允许进行弯矩调幅，降低负弯矩，以减少配筋面积。返回第一节内力组合第十页，共103页。三弯矩调幅▲对于现浇框架，支座弯矩调幅系数为0.8～0.9。▲对于装配整体式框架，支座弯矩调幅系数为0.7～0.8。▲支座弯矩降低以后，经过塑性内力重分配，跨中弯矩将增大，跨中弯矩可乘以1.1～1.2增大系数。调幅以后的各弯矩必须满足如下要求：返回第一节内力组合第十一页，共103页。三弯矩调幅返回第一节内力组合第十二页，共103页。四最不利内力组合

作用在结构上的各类荷载可能同时出现，但出现的概率不同。按照概率统计和可靠度理论把各种荷载效应按一定规律加以组合。如下表所示：手工计算时，一般通过表格进行。内力组合步骤是：

1.恒载、活载、风载及地震等效荷载都分别按各自规律布置，进行内力分析；

2.取出各个构件的控制截面内力，经过内力调整后填入表内；返回第一节内力组合第十三页，共103页。四最不利内力组合3.根据本建筑物的具体情况由组合效应表中选出本结构可能出现的若干组组合。将各内力分别乘以相应的荷裁分项系数γ及组合系数ψ；

4.按照不利内力的要求分组叠加内力；

5.

在若干组不利内力中选取最不利内力作为构件截面的设计内力。有时要通过试算才能找到哪组内力得到的配筋最大。返回第一节内力组合第十四页，共103页。四最不利内力组合返回第一节内力组合第十五页，共103页。四最不利内力组合

例7—1：某三跨六层框架如图所示。在竖向荷载下采用分层法计算内力，在水平荷载作用下用D值法计算内力，内力计算过程从略。此处给出三层梁内力及二层柱内力组合过程及结果。返回第一节内力组合第十六页，共103页。四最不利内力组合返回第一节内力组合－26.19*1.2＝－31.43第十七页，共103页。四最不利内力组合返回第一节内力组合0.5-71.37-1.57-66.0148.06-96.5157.85-71.2051.9613.44-31.4-10.14*0.5-34.9＝-71.37第十八页，共103页。四最不利内力组合返回第一节内力组合第十九页，共103页。四最不利内力组合返回第一节内力组合34.1534.1530.6530.65127.63112.53-18.16-18.16-17.4-17.4124.3109.221.5611.9415.02+7.33*0.5+15.47＝34.15①×1.2+（②+③）×0.5×1.2+④×1.3第二十页，共103页。第二节延性框架

当钢筋混凝土构件中某个截面的钢筋达到屈服强度时，称为出现塑性铰。塑性铰出现后，截面转角及构件变形迅速增加，截面抵抗弯矩能力继续略有提高，直至压区混凝土压碎，构件丧失承载能力。截面和构件的塑性变形能力常常用延性比来衡量，延性比定义为：返回第二十一页，共103页。第二节延性框架

返回第二十二页，共103页。第二节延性框架

钢筋混凝土结构的“塑性铰控制”理论在抗震结构设计中发挥着愈来愈重要的作用。控制塑性铰出现部位；有利于抗震；有较大的变形能力。一强柱弱梁

二强剪弱弯

三强节弱杆四强压弱拉

返回第二十三页，共103页。一强柱弱梁

在地震作用下，框架中塑性铰可能出现在梁上，也可能出现在柱上，但是不允许在梁的跨中出铰。梁的跨中出铰将导致局部破坏。在梁端和柱端的塑性铰都必须具有延性，这才能使结构在形成机构之前，结构可以抵抗外荷载并具有延性。返回第二节延性框架第二十四页，共103页。一强柱弱梁返回第二节延性框架第二十五页，共103页。一强柱弱梁

在随机的地震作用下，对某个构件的延性比要求很难定量。但是，根据震害实例以及其他大量计算及实验分析，可找到某些规律：

1.当梁相对较弱、柱相对较强时，大部分铰出在梁端，柱内塑性铰数量减少。而且，柱相对较强时，对梁的延性比要求增加，对柱的延性比要求降低。

2.当柱相对较弱时，柱中塑性铰数量增加，对其延性比要求也会增至较高数值。返回第二节延性框架第二十六页，共103页。一强柱弱梁3.当梁较强时，柱中轴力增大，会减小柱的廷性。通过分折，并考虑到以下一些原因，延性框架要求设计成强柱弱梁型。

1.塑性铰出现在梁端，不易形成破坏机构，可能出现的塑性铰数量多，耗能部位分散；

2.塑性铰出现在柱上，结构很容易形成机构。返回第二节延性框架第二十七页，共103页。一强柱弱梁3.柱通常都承受较大轴力，在高轴压下，钢筋混凝土柱很难具有高延性性能。而梁是受弯构件，比较容易实现高延性比要求。

4.柱是主要承重构件．出现较大的塑性变形后难于修复，柱子破坏可能引起整个结构倒塌。因此，设计时要使梁中塑性铰先出、多出，尽量减少或推迟柱中塑性铰的出现，特别是要避免在同一层各柱的两端都出塑性铰，即避免软弱层。返回第二节延性框架第二十八页，共103页。一强柱弱梁

要实现梁端塑性铰先于柱端塑性铰出现，则应适当提高柱端截面配筋，使柱的相对强度大于梁的相对强度，要求在同一个节点周围的梁柱满足返回第二节延性框架抵抗弯矩计算弯矩注意楼板对梁的抵抗弯矩影响第二十九页，共103页。一强柱弱梁返回第二节延性框架梁端第三十页，共103页。二强剪弱弯

钢筋混凝土构件的剪切破坏属脆性破坏，其延性很小。对于梁、柱构件，要保证构件出现塑性铰而不过早剪坏，即保证其抗剪承载力大于塑性铰抗弯承载力，满足强剪弱弯。返回第二节延性框架第三十一页，共103页。三强节弱杆

强节弱杆是要保证节点区不过早破坏，不在梁、柱塑性铰充分发挥作用前破坏。节点的破坏，意味着交汇于节点的全部梁、柱失效。返回第二节延性框架第三十二页，共103页。四强压弱拉

设计中应使拉区钢筋的屈服先于压区混凝土的破坏。返回第二节延性框架第三十三页，共103页。第三节框架梁抗震设计

在抗震框架中，除了强度要求以外，应设计具有良好延性的框架梁。在强柱弱梁的延性框架中，结构延性主要由梁的延性提供。梁的破坏有弯曲破坏与剪切破坏两种。超筋梁与适筋梁的配筋率界限为平衡配筋率。以名义压区高度表示，

ξ值愈大的梁，截面抵抗弯矩亦大，但延性减小。返回第三十四页，共103页。第三节框架梁抗震设计

返回第三十五页，共103页。第三节框架梁抗震设计

返回第三十六页，共103页。第三节框架梁抗震设计

返回

设计时，可根据所要求的延性，调整配筋以控制压区高度第三十七页，共103页。一梁的抗弯配筋

由受弯构件极限状态平衡条件得到：返回第三节框架梁抗震设计第三十八页，共103页。一梁的抗弯配筋★为避免设计超筋梁，不考虑地震作用时要求受拉钢筋最小配筋率为0.25％（支座截面）及0.20％（跨中截面）返回第三节框架梁抗震设计第三十九页，共103页。一梁的抗弯配筋★在地震作用下，为保证塑性铰的延性，设计时要求端部截面必须配置一定比例的受压钢筋，并控制名义压区高度。返回第三节框架梁抗震设计梁端纵向受拉钢筋的配筋率不应大于2.5%第四十页，共103页。一梁的抗弯配筋

抗震结构中的粱应满足最小配筋率的要求：返回第三节框架梁抗震设计

梁跨中截面受压区高度控制与非抗震设计时相同。第四十一页，共103页。一梁的抗弯配筋

梁的纵向钢筋配置，尚应符合下列各项要求：

1.沿梁全长顶面和底面的配筋，一、二级不应少于2φ14，且分别不应少于梁两端顶面和底面纵向配筋中较大截面面积的1/4，三、四级不应少于2φ12；

2.一、二级框架梁内贯通中柱的每根纵向钢筋直径，对矩形截面柱，不宜大于柱在该方向截面尺寸的1/20；对圆形截面柱，不宜大于纵向钢筋所在位置柱截面弦长的1/20。返回第三节框架梁抗震设计第四十二页，共103页。二梁的抗剪配筋

在反复荷载作用下，钢筋混凝土构件斜截面抗剪强度降低，因此在抗震设计和非抗震设计时抗剪承载力有所不同。★为了保证延性框架梁塑性铰区的强剪弱弯，一～三级抗震时要根据梁的抗弯承载能力计算其设计剪力Vb。返回第三节框架梁抗震设计第四十三页，共103页。二梁的抗剪配筋

在较低的抗震等级时，不用极限弯矩而用计算弯矩计算其设计剪力Vb。返回第三节框架梁抗震设计极限弯矩组合弯矩设计值

第四十四页，共103页。二梁的抗剪配筋返回第三节框架梁抗震设计第四十五页，共103页。二梁的抗剪配筋

极限弯矩计算时，一端取上部纵向钢筋受拉时，另一端取下部纵向钢筋受拉，选取组合值中较大者。返回第三节框架梁抗震设计GB50011-2001第四十六页，共103页。二梁的抗剪配筋

组合弯矩计算时，两种组合取大，如果某一端不可能出现正弯矩，则令该端弯矩值为0。★在塑性铰区以外的各个梁截面，仍按照弹性计算所得的组合剪力，计算所需箍筋数量及间距。返回第三节框架梁抗震设计第四十七页，共103页。三构造要求

当梁的截面尺寸太小或混凝土强度等级太低时，按抗剪承载力公式计算的箍筋数量会很多。由试验可知，配箍过多并不能充分发挥钢箍的作用。因此，在设计时要限制梁截面的平均剪应力，使箍筋数量不至于太多，同时，也可有效地防止斜裂缝过早出现，减轻混凝土碎裂程度。返回第三节框架梁抗震设计★最小截面：

1.截面宽度不宜小于200mm；

2.截面高宽比不宜大于4；

3.净跨与截面高度之比不宜小于4

第四十八页，共103页。三构造要求

在延性框架要求强柱弱粱和强剪弱弯的情况下，不宜采用加大梁高度的作法。但为了使梁中纵筋有效地锚固在梁、柱相交的核心区，粱宽度不应超过柱宽；若超过时，每边超过宽度不应大于hc/4。返回第三节框架梁抗震设计扁梁尺寸要求：bb≤2bc

bb≤bc+hbhb≥16d

第四十九页，共103页。三构造要求★按照强剪弱弯原则设计的箍筋主要配置在梁端塑性铰区，称为箍筋加密区。通过试验可知，箍筋加密区长度不得小于2hb（一级抗震）、1.5hb（二～四级抗震），同时，也不得小于500mm。构造要求：

1.不能用弯起钢筋抗剪；

2.钢箍数最除满足承载力计算要求外，钢箍最小直径和最大间距应满足下表要求。当梁端纵向受拉钢筋配筋率大于2%时，表中箍筋最小直径数值应增大2mm

。返回第三节框架梁抗震设计第五十页，共103页。三构造要求3.钢箍必须做成封闭箍，加135°弯钩，并保证弯钩长度；

4.梁端加密区的箍筋肢距，一级不宜大于200mm和20倍箍筋直径的较大值，二、三级不宜大于250mm和20倍箍筋直径的较大值，四级不宜大于300mm。此外，非加密区的配箍也不应少于加密区箍筋数量的50％。返回第三节框架梁抗震设计第五十一页，共103页。三构造要求返回第三节框架梁抗震设计

第五十二页，共103页。三构造要求返回第三节框架梁抗震设计第五十三页，共103页。第四节框架柱抗震设计

柱子破坏大致可分为弯曲型、剪切型及粘结型三种类型。一剪跨比、轴压比、剪压比二抗弯设计

三抗剪设计

四构造要求

返回第五十四页，共103页。一剪跨比、轴压比、剪压比1.剪跨比

剪跨比是反映柱截面所承受的弯矩与剪力相对比值。剪跨比是影响钢筋混凝土柱破坏形态的最重要的因素。★剪跨比λ＞2时，称为长柱，多数发生弯曲破坏；★剪跨比λ≤2时，称为短柱，多数会出现剪切破坏；返回第四节框架柱抗震设计第五十五页，共103页。一剪跨比、轴压比、剪压比★剪跨比λ＜1.5时，称为极短柱，一般都会发生剪切斜拉破坏。常常可用柱的长细比近似表示剪跨比。返回第四节框架柱抗震设计第五十六页，共103页。一剪跨比、轴压比、剪压比2.轴压比

轴压比是指柱的轴向压应力与混凝土轴心抗压强度的比值。轴压比是影响钢筋混凝土柱承载力和延性的另一个重要参数。在柱截面中，多数是对称配筋的，由极限状态下截面内力平衡条件可以知道，轴压比实际反映了柱截面中混凝土压区相对高度x/h0的大小。返回第四节框架柱抗震设计第五十七页，共103页。一剪跨比、轴压比、剪压比3.剪压比

剪压比是指截面平均剪应力与混凝土轴心抗压强度之比。

返回第四节框架柱抗震设计第五十八页，共103页。二抗弯设计1.柱的截面尺寸

⑴截面的宽度和高度均不宜小300mm，圆柱直径不宜小于350mm；

⑵剪跨比宜大于2；

⑶截面长边与短边的边长比不宜大于3。

柱轴压比不宜超过下表的规定返回第四节框架柱抗震设计第五十九页，共103页。二抗弯设计★表内限值适用于剪跨比大于2、混凝土强度等级不高于C60的柱；剪跨比不大于2的柱轴压比限值应降低0.05；剪跨比小于1.5的柱，轴压比限值应专门研究并采取特殊构造措施；★柱轴压比不应大于1.05。返回第四节框架柱抗震设计第六十页，共103页。二抗弯设计

剪压比限值：无地震作用组合时：V≤0.25βcfcbh0

有地震作用组合时：

λ＞2时，V≤0.2βcfcbh0/γRE

λ≤2时，V≤0.15βcfcbh0/γRE

（GB50011－2001）返回第四节框架柱抗震设计第六十一页，共103页。二抗弯设计2.抗弯配筋★一、二、三级框架结构的底层，柱下端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。底层柱纵向钢筋宜按上下端的不利情况配置。★为符合强柱弱梁的设计原则，一、二、三级框架的梁柱节点处，除框架顶层和柱轴压比小于0.15者的节点外，柱端组合的弯矩设计值应符合下式要求：

返回第四节框架柱抗震设计第六十二页，共103页。二抗弯设计

一级框架结构及9度时尚应符合：

ηc—柱端弯矩增大系数，一级取1.4，二级取1.2，三级取1.1。

★当反弯点在柱的层高范围内时，柱端截面组合的弯矩设计值可乘以上述柱端弯矩增大系数。

返回第四节框架柱抗震设计第六十三页，共103页。二抗弯设计★

一、二、三级框架的角柱，经上述调整后的组合弯矩设计值应乘以不小于1.10的增大系数。★柱纵向钢筋的最小总配筋率应按下表采用，同时每一侧配筋率不应小于0.2%；对建造于IV类场地且较高的高层建筑，表中的数值应增加0.1。

返回第四节框架柱抗震设计第六十四页，共103页。二抗弯设计返回第四节框架柱抗震设计1.00.81.21.00.70.90.60.8第六十五页，共103页。三抗剪设计

对于非抗震结构及四级抗震结构，主要由抗剪计算决定钢箍需要量，而对于一～三级抗震结构，则要按抗剪计算及约束混凝土两方面的要求，选择需要量较大者作为柱的箍筋配筋依据。

1.抗剪计算无地震作用组合返回第四节框架柱抗震设计第六十六页，共103页。三抗剪设计

有地震作用组合

λ—剪跨比，当λ＜1时取λ＝1，当λ＞3时取λ＝3。当N＞时，取N＝返回第四节框架柱抗震设计第六十七页，共103页。三抗剪设计

当框架柱出现拉力时，应按下式计算：无地震作用组合有地震作用组合

公式右端（右端括号）计算值不应小于且值不应小于返回第四节框架柱抗震设计第六十八页，共103页。三抗剪设计

一、二、三级的框架柱的剪力设计值应按下式调整：返回第四节框架柱抗震设计第六十九页，共103页。三抗剪设计

柱端抗弯承载力可按下式近似计算：

2.柱箍筋加密区的体积配箍率，应符合下列要求：一级不应小于0.8%，二级不应小于0.6%，三、四级不应小于0.4%；计算复合箍的体积配箍率时，应扣除重叠部分的箍筋体积；返回第四节框架柱抗震设计第七十页，共103页。四构造要求★非抗震设计时，钢箍的作用除了抗剪以外，主要是防止纵筋压屈，钢筋及纵向钢筋构造要求如下：

(1)柱箍筋应做成封闭，其直径不小于d/4及6mm，间距不大于柱截面短边尺寸且不大于400mm及15d(d为主筋直径)。

(2)当纵向钢筋配筋率超过3％时，要加强箍筋，其直径不小于8mm，间距不大于200mm及10d，并且最好做成焊接封闭箍。返回第四节框架柱抗震设计第七十一页，共103页。四构造要求(3)柱纵向钢筋间距不大于350mm，为了浇灌混凝土方便．其净距也不要小于50mm,当柱截面每边钢筋数目多于4根时，箍筋各肢间要加拉筋或做成复式箍，使每隔一很纵筋都有箍筋的拐角作为支点。

(4)在纵向钢筋搭接处，箍筋间距要加密。钢筋受拉时，间距不大于100mm及5d，受压时间距不大于200mm及10d。返回第四节框架柱抗震设计第七十二页，共103页。四构造要求★在抗震结构中，还要考虑塑性铰区的特殊配箍要求。

1.箍筋加密区范围在长接中，箍筋加密区范围取柱净高的1/6、柱截面长边尺寸hc或500mm三者中较大者。在短柱及角柱中，箍筋沿全高加密。返回第四节框架柱抗震设计第七十三页，共103页。四构造要求返回第四节框架柱抗震设计≥1/3Hc第七十四页，共103页。四构造要求2.加密箍筋数量除了按强剪弱弯计算以及约束混凝土的最小体积配箍率要求外，加密区箍筋还应符合下表所列的最小构造要求。应该由上述三种要求中选最大值，作为加密区的钢箍。在非加密区，箍筋不应少于加密区箍筋数量的50％。返回第四节框架柱抗震设计第七十五页，共103页。四构造要求3.箍筋构造及无支长度要求为了提高钢筋对混凝土约束的效果，抗震时要求柱纵向钢筋之间距离(无支长度)不大于200mm，而且纵筋每隔一根必须处于复式箍筋的拐角处。返回第四节框架柱抗震设计第七十六页，共103页。一节点区箍筋计算

二节点区钢筋锚固与搭接

返回第五节节点设计

第七十七页，共103页。1.节点区设计剪力

由强节点的设计要求，节点区应能抵抗当节点区两边梁端出现塑性铰时的剪力。该剪力称为节点设计剪力。当梁端出现塑性铰后，钢筋总拉力及压区混凝土的总压力都是已知的，取节点上半部为隔离体，由平衡条件可得节点剪力:返回一节点区箍筋计算第五节节点设计第七十八页，共103页。返回一节点区箍筋计算第五节节点设计第七十九页，共103页。返回一节点区箍筋计算第五节节点设计第八十页，共103页。

一级抗震时，取梁端截面实际配筋代入计算。二级抗震时，为简化设计步骤，可不取实际配筋，而用两侧梁端的计算弯矩计算节点设计剪力：返回一节点区箍筋计算第五节节点设计1.2第八十一页，共103页。

框架边柱节点的设计剪力公式与中柱不同，可查有关规范。三级抗震和非抗震框架节点区可不进行抗剪验算。

2.节点区抗剪计算及钢箍构造要求

9度设防烈度时Vj≤1[0.9ηjftbjhj+fyvAsvj（hb0-a‘s）/s]/γRE

其他情况时

Vj≤1[1.1ηjftbjhj+0.05ηjNbj/bc+fyvAsvj（hb0-a's）/s]/γRE返回一节点区箍筋计算第五节节点设计第八十二页，共103页。hj—框架节点核心区的截面高度，可取验算方向的柱截面高度，即hj=hc;

bj—框架节点核心区的截面有效验算宽度，当bb≥bc/2时，可取bj=bc；当bb＜bc/2时，可取(bb+0.5hc)和bc中的较小值。当梁与柱的中线不重合，且偏心距e0≤bc/4时，可取(0.5bb+0.5bc+0.25hc-e0)、(bb+0.5hc)和bc三者中的最小值；此处，bb为验算方向梁截面宽度，bc为该侧柱截面宽度。返回一节点区箍筋计算第五节节点设计第八十三页，共103页。

ηj—正交梁对节点的约束影响系数：当楼板为现浇、梁柱中线重合、四侧各梁截面宽度不小于该侧柱截面宽度的1/2，且正交方向梁高度不小于较高框架梁高度的3/4时，可取ηj=1.5,对9度设防烈度，宜取ηj=1.25；当不满足上述约束条件时，应取ηj=1.0.

返回一节点区箍筋计算第五节节点设