抗震设计4-2.ppt

1、4.3 框架结构抗震计算 4.3.1 框架结构水平地震作用计算 地震作用的确定原则及计算方法的选定原则见第3章相关内容。 4.3.1.1 结构自振周期 估算公式： 适用条件：质量和刚度沿高度分布较均匀的框架结构。 4.3.1.2 水平地震作用计算 可按底部剪力法计算。并保证楼层的最小水平地震剪力标准值。,4.3.1.3 水平地震作用下框架内力分析,设框架有n层，每层有m个柱，以第j层为分析对象，沿柱反弯点切开来，示出其内力（剪力、轴力，弯矩为零），则按水平力平衡条件得层间总剪力为：,推导柱的侧移刚度所做的两个假定： 1.柱AB及与其相邻的各杆的杆端转角均为； 2.柱AB及与其相邻上下柱的线刚度

2、均为 ，且它们的弦转角均为 。,4.3.3 内力组合 框架抗震设计时，考虑四种基本组合。 一、无风荷载时 1、地震作用效应与重力荷载代表值效应的组合 2、竖向永久荷载与可变荷载的荷载效应组合,二、有风荷载时,3、且有地震作用时,当重力荷载效应对结构承载力有利时，表5.6.4中G不应大于1.0；,4、不考虑地震作用时,无地震作用效应组合时，荷载分项系数应按下列规定采用： 1.承载力计算时： 1）永久荷载的分项系数G： 当其效应对结构不利时，对由可变荷载效应控制的组合应取1.2，对由永久荷载效应控制的组合应取1.35； 当其效应对结构有利时，应取1.0；2）楼面活荷载的分项系数Q：一般情况下应取1

3、.4；3）风荷载的分项系数W应取1.4。 2.位移计算时， 各分项系数均应取1.0。,例1：钢筋混凝土框架结构，总高度48m，经计算已求得第6层横梁边跨梁端的弯矩标准值如下所示：,问：该截面进行配筋计算时的弯矩设计值为多大？,4.3.3.1 框架梁的内力组合设计值 梁端一般是在考虑地震作用的组合时出现最不利内力，而跨间正弯矩则是在考虑和不考虑地震作用组合时均可能发生最不利内力。,梁端： 负弯矩,正弯矩,（重力荷载效应有利）,梁端剪力,跨间： 正弯矩 注： 水平地震作用和重力荷载代表值共同作用下梁跨间最大正弯矩组合设计值。,框架梁隔离体中，梁上的重力荷载代表值为均布荷载q，梁端在水平地震作用和重

4、力荷载代表值作用下的弯矩设计值，分别如图所示。 A支座处的支反力为RA，由此写出距离A支座为x处的梁截面正弯矩为：,由极值条件,可求出跨间最大正弯矩的位置与左支座的距离应为,则跨间最大正弯矩为,4.3.3.2 框架柱的内力组合设计值 1、当框架柱在竖向荷载作用下单向偏压，且与水平地震作用同向 无地震作用的组合,有地震作用的组合,2、框架柱处于双向偏压（两种情况） 无地震作用的组合 有地震作用的组合,4.3.4 框架结构构件截面抗震验算,一、框架柱的破坏形态 地震作用下框架柱的破坏一般发生在柱上下端，且梁顶柱底较多（因以前设计中柱底因纵筋搭接而箍筋加密）。柱端常出现水平或斜裂缝，严重时柱端混凝土

5、压碎，钢筋压曲。角柱破坏或中柱和边柱严重。短柱剪切破坏在地震中很普遍（短柱指柱的长细比小于4的柱）。,二、影响框架柱延性的因素 （一）剪跨比 剪跨比是反映柱截面承受的弯矩与剪力之比的一个参数。,试验表明： 时为长柱，柱的破坏形态为压弯型，只要构造合理一般都能满足柱的斜截面受剪承载力大于其正截面偏心受压承载力的要求，且有一定的变形能力。 时为短柱，柱将产生以剪切为主的破坏，当提高混凝土强度或配有足够的箍筋时，也可能出现具有一定延性的剪压破坏。 时为极短柱，柱的破坏形态为脆性剪切破坏，抗震性能差，一般设计中应尽量避免，若无法避免则应采取特殊措施以保证其斜截面承载力。,可理解为柱的长细比，框架柱也可

6、按下列条件分类：,对一般框架结构，柱内弯矩以地震作用产生的弯矩为主，可假定反弯点在柱中，则：,则：,其中：,长柱,短柱,极短柱,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厚比表示。,设反弯点在构件中央,对于梁,对于柱,N为组合轴压力设计值；b、h为截面的短长边；fc为混凝土抗压强度设计值。,(二)轴压比 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，即,轴压比较小时，柱截面受压区高度x较小，构件将发生受拉钢筋首先屈服的大偏心受压破坏，破坏时有较大变形； 当轴压比较大时，柱截面受压区高度x较大，属小偏心受压破坏，受拉钢筋（或压应力较小侧钢筋）并未屈服，破坏

7、时构件变形较小。 通过试验发现柱位移延性比随轴压比的增大而急剧下降。虽加密箍筋对提高柱的延性会有影响，但随轴压比的增大，箍筋的影响越来越小。,（三）纵筋配筋率 试验研究表明，柱纵筋屈服时的转角变形，主要受纵向受拉钢筋配筋率的影响，且大致随纵筋率的增大而线性增大，为避免地震作用下柱过早进入屈服阶段，及增大屈服的柱的变形能力，提高柱的延性和耗能能力，全部纵筋率不应过小。,非抗震设计：,（四）箍筋 理论分析表明，柱中箍筋对核心混凝土起有效约束作用，可显著提高受压区混凝土的极限应变值，阻止柱身斜裂缝的开展，大大提高柱的延性。另外在柱端塑性铰区适当地加密箍筋，对提高柱的变形能力也十分有利。,1）框架塑性

8、铰较多地发生在梁端，底层柱的塑性铰较晚形成；,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，更强的节点,两种破坏形式,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。,框架梁设计的具体要求： 1、梁端形成塑性铰后仍有足够的受剪承载力； 2、梁筋屈服后，塑性铰区段应有较好的延性和耗能能力； 3、解决好梁筋锚固问题。,梁先屈服，可使整个框架结构有较大的内力重分布和能量消耗能力，且极限层间位移增大，抗震性能

9、较好。,“强柱弱梁”框架的抗震设计,所谓“强柱弱梁”指的是：节点处梁端实际受弯承载力小于柱端实际受弯承载力。,4.3.4.1 框架梁截面抗震设计 1、正截面承载力验算 其中：,2、斜截面承载力验算 1）梁端剪力设计值 原则：强剪弱弯 强剪弱弯：防止梁端截面先发生脆性剪切破坏，应使梁端的受剪承载力大于构件弯曲屈服时实际达到的剪力值。,对一、二、三级的框架梁及抗震墙连梁，其梁端截面组合的剪力设计值按下式调整：,注意： （1）梁端弯矩设计值之和必须取顺时针方向之和及反时针方向之和两者的较大值； （2）梁端纵向受拉钢筋也按顺时针及反时针方向考虑。,梁端实配的正截面抗震受弯承载力所对应的弯矩值：,例1：

10、某3跨框架结构，抗震等级为二级，边跨跨度为5.7m，框架梁截面尺寸250mm600mm，柱宽500mm，纵筋采用HRB335，箍筋采用HPB235，混凝土强度等级C30，重力荷载代表值引起的剪力VGb135.2kN，在重力荷载和地震作用组合下作用于边跨一层梁上的弯矩为： 梁左端： 梁右端： 梁跨中：,求：该框架梁的剪力设计值。,例2：某框架结构，抗震等级为一级，边跨跨度为5.7m，框架梁截面尺寸250mm600mm，柱宽500mm，纵筋采用HRB335，箍筋采用HPB235，混凝土强度等级C30，梁的两端截面配筋均为：梁顶4 25 ，梁底2 25 ， 重力荷载代表值引起的剪力VGb135.2k

11、N。,求：该框架梁的剪力设计值。,跨高比大于2.5的梁和连梁及剪跨比大于2的柱和抗震墙：,剪压比：截面内平均剪应力与混凝土抗压强度设计值之比，即,2.梁、柱截面的剪压比不宜过大梁截面尺寸限制,剪压比过大,混凝土会过早发生脆性的斜压破坏,箍筋不能充分发挥作用,它对构件的变形能力也有显著影响。因此应控制。,跨高比不大于2.5的连梁、剪跨比不大于2的柱和抗震墙、部分框支抗震墙结构的框支柱和框支梁、以及落地抗震墙的底部加强部位：,注意：式中V均是调整后的剪力值。,剪压比计算： 对框架梁 可取,3）斜截面承载力验算 反复荷载作用下，混凝土的抗剪承载力有所下降，按式4.29及式4.30计算。,1.一般框架

12、梁,2集中荷载作用下(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75%以上的情况)的框架梁,式中计算截面的剪跨比，可取=a/h0, a为集中荷载作用点至节点边缘的距离； 当3时，取=3。,例3：某3跨框架结构，抗震等级为二级，边跨跨度为5.7m，框架梁截面尺寸250mm600mm，柱宽500mm，纵筋采用HRB335，箍筋采用HPB235，混凝土强度等级C30，已知调整后的该框架梁的梁端剪力设计值为272.5kN。,求：若采用双肢箍筋，试配置箍筋加密区的箍筋。,柱的设计应遵循以下原则： 1、强柱弱梁：使梁端先于柱端产生塑性铰，且塑性铰具有足够的变形能力。而柱端尽量不出现塑性

13、铰。 2、在弯曲破坏之前不发生剪切破坏，使柱有足够的抗剪承载力。 3、控制柱的轴压比不能过大。 4、加强约束，配置必要的约束箍筋。,4.3.4.2 框架柱截面抗震设计,1、柱弯矩设计值的调整 考虑强柱弱梁的要求，节点处梁端实际受弯承载力 和柱端实际受弯承载力 应满足 ，但由于地震的复杂性，楼板的影响和钢筋屈服强度的超强，难以用精确计算真实实现上述要求。 对此，国外规范多以设计承载力来衡量或将钢筋的抗拉强度乘以超强系数。我国规范是采用增大柱端弯矩的方法，只在一定程度上减缓柱端屈服。,研究表明，当计入楼板和钢筋超强影响时，要实现承载力不等式，内力增大系数的取值往往需要大于2。由于地震是往复作用，两

14、个方向的柱端弯矩设计值均要满足要求：即当梁端截面为反时针方向弯矩之和时，柱端截面应为顺时针方向弯矩之和；反之亦然。,抗震规范规定：一、二、三、四级框架的梁柱节点处，除顶层和柱轴压比小于0.15者外，柱端组合弯矩设计值应符合下列公式要求,-节点上下柱端截面顺时针或逆时针方向组合的弯矩设计值之和;,-节点左右梁端截面逆时针或顺时针方向组合的弯矩设计值之和；,-节点左右梁端截面逆时针或顺时针方向根据实配钢筋面积（计入梁受压钢筋和相关楼板钢筋）和材料强度标准值计算的抗弯承载力所对应的弯矩值之和；,-柱端弯矩增大系数，对框架结构，一、二、三、四级分别取1.7, 1.5, 1.3，1.2。其他结构类型中的

15、框架，一、二、三、四级分别取1.4，1.2，1.1，1.1。,注意： 1）由于地震的往复作用，两个方向的弯矩设计值均要满足要求。当柱子考虑顺时针方向之和时，梁考虑反时针方向之和；反之亦然。 2）框架柱反弯点不在柱层高范围内时，柱端截面组合的弯矩设计值可直接乘以柱端弯矩增大系数。 3）对框架顶层和轴压比小于0.15的柱（具有与梁相近的变形能力），以及四级抗震等级框架，直接取地震作用组合下的弯矩设计值。 4）为了不使框架底层柱过早出现塑性铰，对一、二、三、四级框架结构的底层柱底截面组合的弯矩设计值应分别乘以增大系数1.7、1.5、1.3、1.2（即对底层柱底加强）。 5）角柱调整后的弯矩设计值、剪

16、力设计值尚应乘以不小于1.1的增大系数。,2、柱端剪力设计值调整 根据抗震概念设计的要求，应使柱的弯压破坏先于剪切破坏，故柱受剪承载力应大于柱屈服时实际达到的承载力。,注意： 1）调整公式中的弯矩设计值是经过上述相关规定调整后的值； 2）柱端弯矩设计值之和必须取顺时针方向之和及反时针方向之和两者的较大值。,剪压比的限值与剪跨比有关。 剪跨比宜大于2，剪跨比按下式计算：,3.梁、柱的剪压比要有所限制柱截面尺寸限制,注：关于剪跨比的计算 1）在对于中间层框架柱，反弯点在柱高中部，,2）对其他位置柱，应取上下端截面组合的弯矩和剪力计算值分别计算剪跨比，并取结果的较大值。 4、正截面承载力验算 按混凝

17、土结构设计规范进行。 5、斜截面承载力验算 反复荷载作用下，混凝土的抗剪承载力有所下降，按式4.38计算。,框架节点破坏的主要形式是节点核心区剪切破坏和钢筋锚固破坏。,4.3.4.3 框架节点核心区抗震验算,节点主要受剪力和压力的组合作用，节点核心区未开裂前，箍筋应力很小，基本上是混凝土承受剪力。当剪力达到核心区极限抗剪能力6070%时，混凝土突然发生对角贯通裂缝，节点刚度明显降低，箍筋应力也突然增大，个别甚至屈服，此后斜裂缝增多赠宽，箍筋陆续达到屈服。,直交梁对节点核心区有明显约束作用。满足一定条件的四边有梁的节点，核心区混凝土抗剪强度可提高50 100%。节点区的破坏与交于节点的梁、柱破坏顺序有关，弱柱强梁型的节点区破坏严重。,根据强节点的设计要求，框架节点的设计准则是：,一、二级框架节点核心区应进行抗震验算，三、四级框架节点核心区可不验算，但应符合构造措施要求。,框架节点的验算原则：,1.节点核心区受剪承载力的验算,（1）节点核心区组合的剪力设计值,9度和一级框架尚应符合,（2）节点核心区截面有效宽度验算,节点核心区应有足够的抗剪承载力，即应保证核心区有足够