框架柱的设计讲解

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1、框架梁、柱、节点截面设计及构造 控制截面及内力 框架梁截面设计及构造 框架柱截面设计及构造 框架节点设计及构造 内力组合及最不利内力 对各种荷载（恒载、活载、风荷载及地震作用）分别计算内力后，进行荷载效应组合时，往往需要按一种 以上的组合情况进行组合。这是因为在结构使用期限内，可能出现多种的组合情况。也即对于同一个构件 或者同一个截面，多种组合产生的不同内力都可能出现，设计时要按照可能与最不利原则进行挑选，找出 最不利内力进行构件截面设计，不同构件的最不利内力并不一定来自同一个组合，因此，如何选择构件截 面的设计内力是内力组合的关键。 1、控制截面及最不利内力类型 构件设计：需要先找出控制截面

2、，然后找出控制截面上的最不利内力，以此作为配筋设计的依据； 控制截面：通常是内力最大的截面，但是，不同的内力（如弯矩、剪力）并不一定在同一个截面达到最大 值，因此一个构件很有可能同时有几个控制截面。 框架横梁：两个支座截面以及跨中截面通常为控制截面。支座截面是最大负弯矩及最大剪力作用的截面， 而跨中截面一般为最大正弯矩作用截面。内力组合时要找出构件上最大正弯矩和最大负弯矩，用以计算上 部及下部配筋，还要找到最大剪力，用以计算斜截面承载力，配置箍筋。 柱子：由框架弯矩图可以知道，弯矩最大值都在上、下两个端截面，剪力和轴力在同一层中变化也不大， 因此各层柱的控制截面可以取两个端截面。 柱子是偏压构

3、件，可能出现大偏压破坏，也可能出现小偏压破坏。大偏压情况下，弯矩越大越不利；小偏 压情况下，弯矩越小越不利。所以对柱子要组合几种不利内力，从中判断出最不利内急作为配筋的依据。 有时要用试算才能找出最大配筋。 由于柱子一般为对称配筋，因此组合时只需找出绝对值最大的弯矩。不利内力可以归纳为如下四种： 1|Mmax| 与相应的N； 2Nmax 与相应的M； 3Nmin与相应的M； 4|M| 比较大（不是最大），但N 比较小或比较大（不是绝对最大或最小）；有时，绝对最大或最小的内 力不见得时最不利的，对于大偏心受压构件，弯矩越大，配筋越多。但对于小偏心受压构件，虽然 N 不 是最大，但相应的弯矩 M

4、比较大时，配筋也会多一些。所以，组合时要找到这种情况，而且往往这种情 况控制配筋。 为了验算斜截面承载力，柱也要组合Vmax 注意：在进行截面配筋计算时应采用构件端部截面的内力，而不是轴线处的内力。 由上图可以看出，梁端弯 矩较轴线处弯矩小（柱端 情况一样），因此要在组 合前经过换算，求出端截 面的弯矩与剪力，然后再 填入组合表中。 梁 端 控 制 截 面 弯 矩 及 剪 力 2、塑性调幅 框架中允许梁端出现塑性铰，因此，在梁中可以考虑塑性内力重分布，通常是降低支座弯矩，以减小 支座处的配筋。 调幅系数： 注意：塑性调幅主要是在竖向荷载下的内力调整，故要在组合前进行调幅，然后再和水平荷载作用下

5、 的内力进行组合。 框架梁塑性调幅 支座弯矩降低后，为了避免当支座出现 塑性铰后，跨中截面承载力不足，必须 相应加大跨中设计弯矩。通常，跨中弯 矩可以乘以1.11.2的调整系数。为了 保证梁的安全，跨中弯矩还必须满足右 图的条件： 现浇框架：支座弯矩调幅系数采用0.8 0.9； 装配整体式框架：由于钢筋焊接或者接 缝不严等原因，节点容易产生变形，梁 端弯矩较弹性计算结果会有所降低，故 支座弯矩调幅系数可采用0.80.9； 在罕遇地震作用下要求结构处于弹性状态是不必要，也是不经济的。通常是在中等 烈度的地震作用下允许结构某些构件屈服，出现塑性铰，使结构刚度降低，塑性变 形加大。当塑性铰达到一定数

6、量后，结构会出现屈服现象，即承受的地震作用力不 增加或增加很少，而结构变形迅速增加。 延性结构的荷载位移曲线 一、延性框架的概念 左图为延性结构的荷载位移 曲线，延性结构即是能维持承 载能力而又具有较大塑性变形 能力的结构。 结构延性能力通常用顶点水平 位移延性比来衡量。 延性比定义： u/y 其中：y结构屈服时的顶 点位移； u能维持承载能力 的最大顶点位移。 框架梁截面设计及构造 延性结构的设计原则 1强柱弱梁 要控制梁、柱的相对强度，使塑性铰首先在梁端出现，尽量避免和减少柱子中的塑 性铰； 2强剪弱弯 对于梁、柱构件，要保证构件出现塑性铰而不过早剪坏，因此，要使构件抗剪承载 力大于塑性铰

7、抗弯承载力，为此要提高构件的抗剪承载力； 3强节点、弱杆件 要保证节点区和钢筋锚固不过早破坏，不在梁、柱塑性铰充分发挥作用前破坏。 4、强压弱拉 要梁发生适筋梁破坏。 注意：上述抗震措施要点，不仅适用于延性框架，也适用于其它钢筋混凝土延性结 构。 下面几节将主要介绍在延性框架中实现这些要点的措施。 强柱弱梁结构中，主要由梁构件的延性来提供框架结构的延性。因此，要求设计具 有良好延性的框架梁。 梁的破坏形态与延性 钢筋混凝土梁有两种破坏可能：弯曲破坏与剪切破坏。 弯曲破坏时，由于纵筋配筋率的影响，可能出现三种破坏形态： 1少筋破坏： 2超筋破坏： 3适筋破坏： P P 受拉钢筋配置过少，钢 筋屈

8、服后立即被拉断而 发生断裂破坏，脆性破 坏； 受拉钢筋配置过多， 钢筋没屈服前混凝土 就被压碎而丧失承载 能力，脆性破坏； 受拉钢筋配置合理，钢 筋屈服后，由于钢筋流 幅形成塑性铰，中和轴 上升，直到压区混凝土 被压碎而破坏，延性破 坏。 剪切破坏是脆性的，或者延性很小。 要防止梁在屈服以前出现剪切破坏， 即要求强剪弱弯。 梁的钢筋配置 二、梁最小截面尺寸 框架主梁的截面高度可按（1/121/18）l确定，l为主梁计算跨度，满足此要求时，一般 荷载作用下，可不验算挠度。 在地震作用下，梁端塑性铰区混凝土保护层容易剥落。如果梁截面宽度过小则截面损失 比例较大，故一般框架梁宽度不宜小于200mm。

9、 为了对节点核心区提供约束以提高节点受剪承载力，梁宽不宜小于柱宽的1/2。 狭而高的梁不利于混凝土约束，也会在梁刚度降低后引起侧向失稳，故梁的高宽比不宜 大于4。 另外，梁的塑性铰区发展范围与梁的跨高比有关，当跨高比小于4时，属于短梁，在反复 弯剪的作用下，斜裂缝将沿梁全长发展，从而使梁的延性和承载力急剧降低。 所以，梁净跨与截面高度之比不宜小于4。 框架梁的截面尺寸应满足三方面的要求：承载力要求、构造要求、剪压比限值。 1构造要求 2剪压比限值 梁端塑性铰区的截面剪应力大小对梁的延性、耗能及保持梁的刚度和承载力有明显影响。根 据反复荷载下配箍率较高的梁剪切试验资料，其极限剪压比平均值约为0.

10、24。当剪压比大于 0.30时，即使增加配箍，也容易发生斜压破坏。 剪压比限值，主要是防止发生剪切斜压破坏，其次是限制使用荷载下斜裂缝的宽度， 同时也是梁的最大配箍条件。因此框架梁的截面应符合下列要求： （1）无地震作用组合时： （2）有地震作用组合时： Vb0.25cfcbbhb0 跨高比大于2.5的梁： Vb 跨高比不大于2.5的梁： Vb 式中c混凝土强度影响系数，混凝土强度等级不高于C50时取1.0，为C80时取0.8，高 于C50、低于C80时取线性插值； RE承载力调整系数； fc混凝土轴心抗压强度设计值； bb梁的宽度； hb0梁的有效高度； Vb框架梁剪力设计值，按强剪弱弯原则

11、调整梁的截面剪力。 三、框架梁的混凝土受压区的限制 控制框架梁混凝土受压区的目的是控制塑性铰区纵向受拉钢筋的最大配筋率。试验表明 ，当纵向受拉钢筋配筋率很高时，梁受压区的高度相应加大，截面上受到的压力也大，梁的 变形能力随截面混凝土受压区的相对高度增大而减小。 为防止框架梁因过高的配筋率而不能满足延性的要求，对梁的混凝土受压区高度应根据 不同抗震等级加以限制，受压区高度小则有利于提高梁的延性。当（x/h0）为0.200.35时 ，梁的位移延性可达34。 另外，梁端截面上纵向受压钢筋与纵向受拉钢筋保持一定的比例，对梁的延性也有较大 的影响。原因是：一定的受压钢筋可以减小混凝土受压区高度；在地震作

12、用下，梁端可能会 出现正弯矩，如果梁底面钢筋过少，梁下部破坏严重，也会影响梁的承载力和变形能力。因 此，梁端部截面必须配置一定的受压钢筋用以提高梁的截面延性。具体要求如下： （1）非抗震设计： （2）抗震设计： xbh0 一级抗震等级： x0.25hb0 二、三级抗震等级： x0.35hb0 式中hb0梁截面有效高度； 1混凝土等效矩形受压区高度与中和轴高度的比值，当混凝土强度等级不大于C50时 取0.8，当为C80时取0.74，其他情况按线性内插值取用； ES钢筋弹性模量； x等效矩形应力图的混凝土受压区高度，计算x时，应计 入受压钢 筋， 其中s、s受拉钢筋和受压钢 筋的配筋率； fy、f

13、y受拉钢筋和受压钢 筋的抗拉强度设计值 ； 1与混凝土等级有关的等效矩形应力图形系数，当混凝土强度等级 不超过C50时取1.0，当混凝土强度等级为 C80时取0.94，当混凝土强度等级在C50和C80之间 时，按线性内插值取用； fc混凝土轴心抗压强度设计值 。 b 可见，增大受拉钢筋的配筋率，相对受压区高度增大；增大受压钢筋的配筋率，相 对受压区高度减小。因此，为实现延性钢筋混凝土梁，应限制梁端塑性铰区上部受 拉钢筋的配筋率，同时，必须在梁端下部配置一定量的受压钢筋，以减小框架梁端 塑性铰区截面的相对受压区高度。 梁跨中截面受压区高度控制与非抗震设计时相同。 抗震设计时，梁端截面的底面和顶面

14、纵向钢筋截面面积应满足一定的比例，一 方面是为了保证塑性铰区有足够的延性，另一方面是考虑地震作用可能引起受力方 向的改变。受压钢筋的面积除按计算确定外，与顶面受拉钢筋面积的比值还应满足 以下要求： 一级框架梁： As/ As0.5 二、三级框架梁： As/ As0.3 式中As、As梁端塑性铰区顶面受拉钢筋面积和底面受压钢筋面积。 三、框架梁正截面抗弯承载力计算 1梁受弯承载力的设计表达式 2由抗弯承载力确定截面配筋 （1）非抗震设计： 0MMu （2）抗震设计： REMEMu （1）无地震作用组合时： bx1fcAsfyAsfy Mb(AsAs)fy(hb00.5x)Asfy(hb0a) （2）有地震作用组合时： 试验研究表明，在低周反复荷载作用下，构件的正截面承载力与一次加载时的正截 面承载力没有太多差别。因此，对框架梁正截面承载力仍可用非抗震设计的相应公式 计算，但应考虑相应的承载力抗震调整系数。 bx1fcAsfyAsfy (AsAs)fy(hb00.5x)Asfy(hb0a) Mb 式中M、ME非抗震和抗震设计时梁截面组合的 弯矩设计值； Mu梁截面承载力设计值； RE承载力抗震调整系数。 设计时，将0M与REME进行比较，然后取大者进行 配筋计算。对于楼面现浇的框架结构，梁支座负弯 矩按矩形截面计算纵筋数量；跨中正弯矩按T形截 面计算纵