《高層建筑結(jié)構(gòu)與抗震》輔導(dǎo)材料七

1、高層建筑結(jié)構(gòu)與抗震輔導(dǎo)材料七框架設(shè)計與構(gòu)造主要內(nèi)容：提高框架結(jié)構(gòu)延性的措施；框架梁的抗震設(shè)計正截面及斜截面受彎承載力計算; 框架柱的抗震設(shè)計正截面及斜截面受彎承載力計算；梁柱節(jié)點的抗震設(shè)計。第一節(jié) 框架結(jié)構(gòu)的延性當(dāng)結(jié)構(gòu)反應(yīng)進入非線性階段后，強度不再是控制設(shè)計的唯一指標(biāo)，變形能力變得與強度同等重要。因為一般結(jié)構(gòu)并不具備足以抵抗強烈地震的強度儲備，而是利用結(jié)構(gòu)的彈塑性性能吸收地震能量，以達到抗御強震的目的。因此，深刻理解并熟練掌握提高框架結(jié)構(gòu)延性的各項措施，尤其是強柱弱梁、強剪弱彎、強節(jié)點弱構(gòu)件的設(shè)計原則是非常重要的。一、結(jié)構(gòu)的延性指標(biāo) 截面的塑性變形能力常常用延性比來衡量，即=uy，其中y表示截

2、面屈服時的曲率，u表示截面極限曲率。 結(jié)構(gòu)的延性通常用頂點位移延性比表示，即=uy。其中y為結(jié)構(gòu)進入塑性狀態(tài)時的頂點位移。是結(jié)構(gòu)抗震性能的一個重要指標(biāo)。對于延性比大的結(jié)構(gòu)，在地震作用下結(jié)構(gòu)進入彈塑性狀態(tài)時，能吸收、耗散大量的地震能量，此時結(jié)構(gòu)雖然變形較大，但不會出現(xiàn)超出抗震要求的建筑物嚴(yán)重破壞或倒塌。相反，若結(jié)構(gòu)延性較差，在地震作用下容易發(fā)生脆性破壞，甚至倒塌。二、結(jié)構(gòu)延性的作用（1）防止脆性破壞；（2）承受某些偶然因素的作用；（3）實現(xiàn)塑性內(nèi)力重分布；（4）有利于結(jié)構(gòu)抗震。三、提高結(jié)構(gòu)延性的措施“強柱弱梁”設(shè)計原則控制塑性鉸的位置在地震作用下，框架結(jié)構(gòu)中塑性鉸出現(xiàn)的位置或順序不同，將使框架結(jié)

3、構(gòu)產(chǎn)生不同的破壞形式。但是不允許在梁的跨中出鉸。梁的跨中出鉸將導(dǎo)致局部破壞。強梁弱柱型結(jié)構(gòu)的塑性鉸首先出現(xiàn)在柱中，破壞時只跟最薄弱層柱的強度和延性性能有關(guān)，而與其他各層梁柱的承載能力和耗能能力均沒有發(fā)揮作用。而強柱弱梁型結(jié)構(gòu)的塑性鉸首先出現(xiàn)在梁中，當(dāng)部分梁端甚至全部梁端均出現(xiàn)塑性鉸時，結(jié)構(gòu)仍能繼續(xù)承受外荷載，而只有當(dāng)柱子底部也出現(xiàn)塑性鉸時，結(jié)構(gòu)才達到破壞。由于柱中出現(xiàn)塑性鉸，不易修復(fù)而且容易引起結(jié)構(gòu)倒塌；塑性鉸出現(xiàn)在梁端，卻可以使結(jié)構(gòu)在破壞前有較大的變形，吸收和耗散較多的地震能量，具有較好的抗震性能，而且梁的延性遠大于柱的延性。所以，較合理的框架破壞機制應(yīng)是梁比柱的塑性屈服盡可能早發(fā)生和多發(fā)生

4、，底層柱柱根的塑性鉸較晚形成，各層柱子的屈服順序應(yīng)錯開，不要集中在某一層。這種破壞機制的框架，就是強柱弱梁型框架。震害調(diào)查也證實強梁弱柱引起的結(jié)構(gòu)震害比較嚴(yán)重。 梁柱的延性設(shè)計框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的關(guān)鍵是梁柱塑性鉸設(shè)計。為此，應(yīng)遵循：（1）“強剪弱彎”設(shè)計原則控制構(gòu)件的破壞形態(tài)在進行框架梁、柱設(shè)計時，應(yīng)使構(gòu)件的受剪承載力大于其受彎承載力，使構(gòu)件發(fā)生延性較好的彎曲破 1壞，避免發(fā)生延性較差的剪切破壞，而且保證構(gòu)件在塑性鉸出現(xiàn)之后也不過早剪壞，這就是“強剪弱彎”的設(shè)計原則，它實際上是控制構(gòu)件的破壞形態(tài)。（2）梁、柱剪跨比限制剪跨比反映了構(gòu)件截面承受的彎矩與剪力的相對大小。它是影響梁、柱極限變形能力的主

5、要因素之一，對構(gòu)件的破壞形態(tài)有很重要的影響。因此，為保證柱子發(fā)生延性破壞，抗震設(shè)計時要求柱凈高與截面長邊尺寸之比宜大于4，若不滿足，應(yīng)在柱全高范圍內(nèi)加密箍筋。類似地，對框架梁而言，則要求其凈跨ln與截面高度hb之比不宜小于4。當(dāng)梁的跨度較小而梁的設(shè)計內(nèi)力較大時，宜首先考慮加大梁寬，這樣雖然會增加梁的縱筋用量，但對提高梁的延性卻是十分有利的。梁、柱剪壓比限制 設(shè)計中應(yīng)限制剪壓比（Vfcbh0）即梁截面的平均剪應(yīng)力，使箍筋數(shù)量不至于太多，同時，也可有效地防止斜裂縫過早出現(xiàn)，減輕混凝土碎裂程度。這實質(zhì)上也是對構(gòu)件最小截面尺寸的要求。柱軸壓比限制及其他措施軸壓比N指柱有地震作用組合的柱軸壓力設(shè)計值N與

6、柱的全截面面積Ac和混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值fc乘積的比值，N=NfcAc=Nfcbchc（bc、hc分別為柱截面的寬度和高度）。試驗研究表明，軸壓比的大小，與柱的破壞形態(tài)和變形能力是密切相關(guān)的。所以，抗震設(shè)計中應(yīng)限制柱的軸壓比不能太大，宜滿足表101的規(guī)定。其實質(zhì)就是希望框架柱在地震作用下，仍能實現(xiàn)大偏心受壓下的彎曲破壞，使柱具有延性性質(zhì)。柱軸壓比限值 表10-1箍筋震害表明，梁端、柱端震害嚴(yán)重，是框架梁、柱的薄弱部位。所以按照強剪弱彎原則設(shè)計的箍筋主要配置在梁端、柱端塑性鉸區(qū)，稱為箍筋加密區(qū)。在塑性鉸區(qū)配置足夠的箍筋，可約束核心混凝土，顯著提高塑性鉸區(qū)混凝土的極限應(yīng)變值，提高抗壓強度，防止

7、斜裂縫的開展，從而可充分發(fā)揮塑性鉸的變形和耗能能力，提高梁、柱的延性；而且鋼箍作為縱向鋼筋的側(cè)向支承，阻止縱筋壓屈，使縱筋充分發(fā)揮抗壓強度。所以，在框架梁端、柱端塑性鉸區(qū)，箍筋必須加密。縱筋配筋率試驗表明：鋼筋混凝土單筋梁的變形能力，隨截面混凝土受壓區(qū)相對高度x/h0的減小而增大，而x/h0隨著配筋率的增大、鋼筋屈服強度的提高和混凝土強度等級的降低而增大，延性性能降低。為此，規(guī)范對一、二、三級抗震等級框架梁的x/h0和max作出了規(guī)定。同時，框架梁還應(yīng)滿足最小配筋率的要求。 “強節(jié)點弱構(gòu)件”設(shè)計原則由于節(jié)點區(qū)的受力狀況非常復(fù)雜，所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計時只有保證各節(jié)點不出現(xiàn)脆性剪切破壞，才能使梁、柱充分

8、發(fā)揮其承載能力和變形能力。即在梁、柱塑性鉸順序出現(xiàn)完成之前，節(jié)點區(qū)不能過早破壞。第二節(jié) 框架梁的抗震設(shè)計著重介紹在高層鋼筋混凝土框架中，各構(gòu)件截面設(shè)計及構(gòu)件配筋構(gòu)造的特殊要求，特別是在地震作用下抗震結(jié)構(gòu)截面計算、構(gòu)造設(shè)計方法及延性要求等。深刻理解并掌握各項驗算或措施的原因及具體內(nèi)容。比如抗震設(shè)計時框架梁的截面承載力為何除以承載力抗震調(diào)整系數(shù)RE；“強剪弱彎”的設(shè)計原則是如何體現(xiàn)到框架梁的斜截面承載力設(shè)計中的。 一、正截面受彎承載力計算抗震設(shè)計時框架梁的截面承載力應(yīng)除以承載力抗震調(diào)整系數(shù)RE，即 SRRE。式中： S荷載效應(yīng)組合的設(shè)計值； R結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震承載力設(shè)計值；RE一承載力抗震調(diào)整系數(shù)。

9、對強柱弱梁型框架，地震作用下將首先在框架梁的端部出現(xiàn)塑性鉸。由于梁的變形能力主要取決于梁端的塑性鉸轉(zhuǎn)動能力，從而需對梁端混凝土相對受壓區(qū)高度及配筋率加以限制，以保證框架梁有足夠的曲率延性。此外，梁端底面和頂面縱向鋼筋的比值，同樣對梁的變形能力有較大影響。因此，建筑抗震設(shè)計規(guī)范規(guī)定： 有地震作用組合的梁端箍筋加密區(qū)：一級抗震等級 x0.25h0 二、三級抗震等級 x0.35h0梁跨中： xbh0 框架梁縱向受拉鋼筋配筋率應(yīng)滿足 min<As2.5%抗震設(shè)計框架梁縱向受拉鋼筋的最小配筋百分率（%） 表10-3 框架梁的兩端箍筋加密區(qū)范圍內(nèi)，底面和頂面縱向受力鋼筋的截面面積比值，應(yīng)符合下列要求

10、：一級抗震等級 As'As0.5 二、三級抗震等級 As'As0.3非抗震設(shè)計時，只要求不出現(xiàn)超筋破壞現(xiàn)象，即xbh0二、斜截面受剪承載力計算 剪力設(shè)計值Vb的取值框架梁端的剪力設(shè)計值Vb應(yīng)根據(jù)框架梁的梁端彎矩和重力荷載，由靜力平衡條件確定（右圖）。但為了減少梁端塑性鉸區(qū)發(fā)生脆性剪切破壞的可能性，體現(xiàn)延性框架“強剪弱彎”的設(shè)計原則，要求框架梁端的受剪承載力高于其受彎承載力。而梁端受剪承載力的提高，首先是在剪力設(shè)計值的確定中考慮了梁端彎矩的增大?？紤]上述因素后，框架梁端箍筋加密區(qū)的梁截面剪力設(shè)計值Vb應(yīng)按下列公式計算：lrlrMbua+MbuaMb+Mb一級抗震等級： Vb=1.

11、1+VGb 或 Vb=1.3+VGblnlnlrMb+Mb二級抗震等級 Vb=1.2+VGblnlrMb+Mb三級抗震等級 Vb=1.1+VGbln四級抗震等級 取地震作用組合下的剪力值。上述公式中，框架梁兩端彎矩值之和(Mbua+Mbua)或(Mb+Mb)均應(yīng)分別按順時針和逆時針兩個方lrlr向進行計算，并取各自較大值。應(yīng)該指出，上述公式只適用于梁端箍筋加密區(qū)的梁截面剪力設(shè)計值Vb的計算，而在塑性鉸區(qū)范圍以外，梁的設(shè)計剪力取內(nèi)力組合得到的計算剪力。斜截面受剪承載力無地震作用組合的剪力，按下式驗算：對于均布荷載 Vb0.7ftbh0+1.25fyvAsvh0 S對于集中荷載作用下的框架梁（包括

12、有多種荷載、且其中集中荷載對節(jié)點邊緣產(chǎn)生的剪力值占總剪力值的75%以上的情況），則按下式計算：VbA1.75ftbh0+fyvsvh0 +1S在反復(fù)荷載作用下，規(guī)范根據(jù)試驗給出了考慮地震作用的框架梁斜截面受剪承載力的計算公式： 均布荷載 Vb1RE1(0.42ftbh0+1.25fyvAsvh0) S集中荷載 Vb應(yīng)該指出的是： RE(A1.05ftbh0+fyvsvh0) +1S第一，一級、二級、三級和四級抗震等級的框架梁沿梁全長箍筋的面積配筋率sv分別不應(yīng)小于0.30ft/fyv、0.28ft/fyv、0.26ft/fyv和0.26ft/fyv。第二，在塑性鉸區(qū)，不僅有豎向裂縫，也有斜裂縫

13、。在地震作用下，反復(fù)受彎，會產(chǎn)生交叉斜裂縫，豎向裂縫可能貫通，混凝土骨料的咬合作用會漸漸喪失，而主要依靠箍筋和縱筋的銷鍵作用傳遞剪力，這是十分危險的。因此加密區(qū)配筋設(shè)計時還應(yīng)遵循如下構(gòu)造措施：箍筋加密區(qū)長度不得小于2倍梁高（一級抗震）或1.5倍梁高（二四級抗震），且不應(yīng)小于500mm；不能用彎起鋼筋抗剪；加密區(qū)箍筋除按受剪承載力計算外，尚應(yīng)滿足表10-4的要求；第一個箍筋應(yīng)設(shè)置在距離節(jié)點邊緣50 mm或以內(nèi)； 非加密區(qū)的箍筋最大間距不宜大于加密區(qū)箍筋間距的2倍；否則破壞可能轉(zhuǎn)移到加密區(qū)之外。在箍筋加密區(qū)范圍內(nèi)，箍筋肢距一級抗震等級不宜大于200mm及20倍箍筋直徑較大值；二、三級不宜大于250

14、mm及20倍箍筋直徑較大值；四級不宜大于300mm。梁端加密區(qū)箍筋構(gòu)造要求 表10-4注：表中hb為梁高；d為縱筋直徑截面限制條件對于非抗震設(shè)計和四級抗震等級的框架梁的受剪截面應(yīng)符合： Vb0.25cfcbh0對于一、二、三級抗震等級的框架梁的受剪截面應(yīng)符合要求： Vb當(dāng)上式不滿足時，可加寬梁的截面或提高混凝土強度等級。 1RE(0.20cfcbh0)第三節(jié) 框架柱的抗震設(shè)計深刻理解并掌握各項驗算或措施的原因及具體內(nèi)容。比如“強柱弱梁”的設(shè)計原則是如何體現(xiàn)到框架柱的抗震設(shè)計中的；為何角柱的縱筋最小配筋率比中柱大。理解各項驗算或措施的原因有利于掌握其具體內(nèi)容。一、正截面承載力計算抗震設(shè)計時框架應(yīng)

15、符合“強柱弱梁”的設(shè)計原則，有目的增大柱端彎矩設(shè)計值，以延緩柱的屈服。為此，框架柱節(jié)點上、下端截面考慮抗震等級的內(nèi)力設(shè)計值應(yīng)按下列規(guī)定采用：節(jié)點上、下柱端的彎矩設(shè)計值9度設(shè)防烈度的各類框架和一級抗震等級的框架結(jié)構(gòu)Mc1.2Mbua 且不應(yīng)小于按下式求得的Mc值。c一級抗震等級：二級抗震等級：三級抗震等級： MMM1.4Mb 1.2Mb 1.1Mb cc四級抗震等級，柱端彎矩設(shè)計值取地震作用組合下的彎矩設(shè)計值。當(dāng)反彎點不在柱的層高范圍內(nèi)時，對一、二、三級抗震等級柱端彎矩組合設(shè)計值應(yīng)乘以1.4、1.2、1.1系數(shù)；框架頂層和軸壓比小于0.15的柱以及四級抗震等級時，考慮地震作用組合的柱端彎矩設(shè)計值

16、可直接取地震作用組合下的彎矩設(shè)計值。節(jié)點上、下柱端的軸向壓力設(shè)計值，取地震作用組合下各自的軸向力設(shè)計值。 地震時，框架結(jié)構(gòu)底層柱的下端若過早出現(xiàn)塑性鉸，將會影響整個結(jié)構(gòu)的變形能力，因此，建筑抗震設(shè)計規(guī)范規(guī)定一、二、三級框架此部位的地震作用組合的彎矩設(shè)計值應(yīng)分別乘以增大系數(shù)1.50、1.25和1.15，以加強底層柱下端的實際受壓承載力。 對一、二、三級抗震等級的框架結(jié)構(gòu)，考慮到角柱由地震作用引起的內(nèi)力較大，且受力復(fù)雜，所以設(shè)計中應(yīng)按雙向偏心受壓構(gòu)件計算，其內(nèi)力設(shè)計值取調(diào)整后的彎矩、剪力設(shè)計值乘以不小于1.30的增大系數(shù)；柱端彎矩、軸力設(shè)計值求出后，柱子可按壓彎構(gòu)件計算其抗彎承載力，配置縱向受力鋼

17、筋?？拐鹪O(shè)計中，柱正截面承載力計算與非抗震設(shè)計時基本相同，只是需考慮承載力抗震調(diào)整系數(shù)同時，每一側(cè)的配筋百分率不應(yīng)小于0.2?？蚣苤靠v向受力鋼筋最小配筋百分率（%） 表10-55 RE。同時縱向受力鋼筋尚應(yīng)滿足規(guī)范最小配筋率的要求。由于角柱受力復(fù)雜，易于破壞，所以其縱筋最小配筋率比中柱大。二、斜截面受剪承載力計算 剪力設(shè)計值Vc的取值框架柱考慮抗震等級的剪力設(shè)計值Vc應(yīng)根據(jù)上、下柱端的彎矩按靜力平衡條件計算。但為了實現(xiàn)“強剪弱彎”的設(shè)計原則，確保框架柱的受剪承載力大于其受彎承載力，對一、二、三級抗震等級框架柱的剪力設(shè)計值，均考慮了增大系數(shù)。即：Mctua+McbuaMct+Mcb一級抗震等

18、級： Vc=1.2 或 Vc=1.4HnHnMct+Mcb二級抗震等級： Vc=1.2HnMct+Mcb三級抗震等級： Vc=1.1Hn對于上面式子中框架柱兩端彎矩值之和，應(yīng)分別按順時針和逆時針兩個方向計算，并取用其較大值。 斜截面受剪承載力非抗震設(shè)計時 VcA1.75ftbh0+fyvsvh0+0.07N +1s由于反復(fù)加載使混凝土的受剪承載力降低，造成構(gòu)件的受剪承載力降低10%30%。因此規(guī)范規(guī)定一、二、三級抗震等級框架柱的斜截面受剪承載力的計算公式為：Vc1RE(A1.05ftbh0+fyvsvh0+0.056N) +1S注意：在長柱中，按強剪弱彎要求計算的箍筋數(shù)量只配在柱端箍筋加密區(qū)，

19、其余部分的箍筋數(shù)量由內(nèi)力組合得到的剪力計算得到；而在短柱中，按強剪弱彎要求計算的箍筋數(shù)量應(yīng)全高配置。 截面限制條件框架柱的受剪截面應(yīng)滿足下列要求，這是從防止柱剪切破壞方面限制柱截面的最小尺寸。非抗震設(shè)計時Vc0.25cfcbh0Vc1(0.20cfcbh0)抗震設(shè)計時 剪跨比>2時RE1剪跨比2時VcRE(0.15cfcbh0)箍筋配置的構(gòu)造要求 柱端箍筋震害表明，柱端是框架的薄弱部位，由于框架柱端破壞而引起房屋倒塌的事件時有發(fā)生，而加密箍筋是最有效的措施之一，所以箍筋應(yīng)在下列范圍內(nèi)加密：柱兩端在高度等于矩形截面長邊尺寸或圓柱截面直徑、柱凈高之1/6、500mm三者中的最大值范圍內(nèi)；底層

20、柱，柱根不小于柱凈高的1/3；當(dāng)有剛性地面時，除柱端外尚應(yīng)取剛性地面上、下各500mm范圍內(nèi)；剪跨比不大于2的柱、因設(shè)置填充墻等形成的柱凈高與柱截面高度之比不大于4的柱和一、二級框架的角柱，取全高。箍筋加密區(qū)的箍筋數(shù)量除滿足受剪承載力外，也要滿足一定軸壓比下體積配箍率v（vvfc/fyv，其中v是柱最小配箍特征值，宜按表10-6采用）的要求，同時還應(yīng)滿足最大允許間距和最小直徑的要求（表10-7）。柱箍筋加密區(qū)的箍筋最小配箍特征值 表10-6注：普通箍指單個矩形箍和單個圓形箍；復(fù)合箍指由矩形、圓形、多邊形箍或拉筋組成的箍筋；復(fù)合螺旋箍指由螺旋箍與矩形、圓形、多邊形箍或拉筋組成的箍筋；連續(xù)復(fù)合矩形

21、螺旋箍指全部螺旋箍箍筋為同一根鋼筋加工而成的箍筋。柱端加密區(qū)箍筋構(gòu)造要求 表10-7注：d為柱縱筋最小直徑；柱根指框架底層柱的嵌固部位?？拐鹪O(shè)計時，考慮到柱子在層高范圍內(nèi)剪力不變及可能的扭轉(zhuǎn)影響，為避免柱子非加密區(qū)的受剪能力突然降低很多，造成柱子中段破壞。所以規(guī)范規(guī)定，非加密區(qū)的箍筋不宜少于加密區(qū)箍筋的50，且箍筋間距，一、二級框架柱不應(yīng)大于10倍縱筋直徑d，三、四級框架柱不應(yīng)大于15d。第四節(jié) 梁柱節(jié)點的抗震設(shè)計梁柱節(jié)點是保證框架結(jié)構(gòu)整體性的關(guān)鍵，只有防止節(jié)點過早地出現(xiàn)剪切和壓縮的脆性破壞，框架梁、柱的延性設(shè)計才有意義。因此，對框架節(jié)點應(yīng)遵循“強節(jié)點”的設(shè)計原則進行抗震設(shè)計，以保證它具有足夠

22、的受剪承載力。因此，需深刻理解并掌握梁柱節(jié)點的各項驗算或措施的原因及具體內(nèi)容。震害分析表明，不同烈度地震作用下，節(jié)點的破壞程度不同，因而對其應(yīng)有不同的承載力和延性要求。為此，規(guī)范規(guī)定：一、二級抗震等級的框架必須進行節(jié)點核心區(qū)受剪承載力計算；三、四級抗震等級的框架節(jié)點核心區(qū)，可不進行計算，但應(yīng)符合構(gòu)造措施要求。一、節(jié)點剪力設(shè)計值VjlrMbua+Mbuahb0-as' Vj= 1.15(1-) 'Hc-hbhb0-as上式即為9度和一級抗震等級時，底層和中間層柱節(jié)點的剪力設(shè)計值計算式。若節(jié)點兩側(cè)梁端的配筋lr不相同，應(yīng)取較大的一組(Mbua)來計算Vj。 +MbualMb+Mbrhb0-as'