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1、建筑抗震设计,第4章 混凝土框架结构抗震设计,一、概述 二、框架结构震害现象及分析 三、框架结构的抗震概念设计 四、框架结构内力计算及荷载效应组合 五、框架梁、柱与节点的抗震设计 六、框架结构抗震构造措施,【基本内容】,二、框架结构震害分析,一般震害表征： 柱梁，角柱内柱，短柱长住，不规则规则,1、框架柱的震害,柱顶：在弯矩、剪力、轴力的复合作用下，柱顶周围有水平裂缝或交叉斜裂缝，严重者会发生混凝土被压碎，箍筋拉断，纵筋受压屈曲呈灯笼状。,二、框架结构震害分析,柱底：震害相对于柱顶较轻。环向水平裂缝较多,二、框架结构震害分析,二、框架结构震害分析,2、框架梁的震害,震害一般发生在梁端。纵向梁的
2、破坏重于横向梁。在竖向荷载与地震作用下，梁端承受反复作用的剪力和弯矩，出现上下贯通的垂直裂缝或者交叉斜裂缝。 当梁内抗剪钢筋配置不足时发生脆性剪切破坏，梁端附近产生斜裂缝; 当梁内抗弯钢筋配置不足时发生弯曲破坏; 当梁主筋在节点内锚固不足时发生锚固破坏(拔出),二、框架结构震害分析,3、梁柱节点破坏,在反复荷载作用下，节点核心区混凝土处于剪压复合应力状态。 当节点约束箍筋过少或梁筋锚固长度不足时，会出现交叉斜裂缝，导致剪切破坏。,二、框架结构震害分析,二、框架结构震害分析,角柱：处于双向偏压状态，受结构整体扭转影响大，受力状态复杂，而受横梁的约束相对减弱，震害比内柱严重。,二、框架结构震害分析
3、,短柱(柱剪跨比不大于2或柱净高与柱截面高度之比H/b4的柱)：刚度较大，分担的水平地震剪力大，而剪跨比较小，容易导致脆性剪切破坏。,二、框架结构震害分析,二、填充墙的震害,破坏原因：墙体受剪承载力低，变形能力小，墙体与框架缺乏有效的拉结。 破坏规律：框架结构的下部填充墙破坏重于上部(框架结构的变形为剪切型，下部层间变形大),二、框架结构震害分析,二、框架结构震害分析,一、框架结构震害分析,三、框架结构的抗震概念设计,一、结构体系选择 1、框架结构房屋最大适用高度,现浇钢筋混凝土框架结构房屋适用的最大高度(m),注： 房屋高度指室外地面到主要屋面板顶板的高度(不包括局部突出屋顶部分)； 表中框
4、架，不包括异形柱框架； 超过表内高度的房屋，应进行专门研究和论证，采取有效的加强措施。,2、框架结构房屋适用高宽比,钢筋混凝土框架结构适用的最大高宽比,三、框架结构的抗震概念设计,3、框架结构抗震等级,抗震等级：根据结构类型、设防烈度、房屋高度和场地类别将结构划分为不同的等级进行抗震设计，以体现在同样烈度下不同的结构体系、不同高度和不同场地条件有不同的抗震要求。,大跨度框架：指跨度不小于18m的框架。,三、框架结构的抗震概念设计,3、框架结构抗震等级,抗震等级：根据结构类型、设防烈度、房屋高度和场地类别将结构划分为不同的等级进行抗震设计，以体现在同样烈度下不同的结构体系、不同高度和不同场地条件
5、有不同的抗震要求。,三、框架结构的抗震概念设计,当地下室顶板作为上部结构的嵌固部位时，地下一层的抗震等级应与上部结构相同，地下一层以下抗震构造措施的抗震等级可逐层降低一级，但不应低于四级。,地下室中无上部结构的部分，抗震构造措施的抗震等级可根据具体情况采用三级或四级。,4、框架结构防震缝的设置,(1)框架结构房屋的防震缝宽度，当高度不超过15m时不应小于100mm；高度超过15m时，6度、7度、8度和9度分别每增加高度5m、4m、3m和2m，宜加宽20mm。,三、框架结构的抗震概念设计,防震缝：为减轻不规则体形对抗震性能的不利影响，将建筑物分割为若干规则单元的缝隙。,4、框架结构防震缝的设置,
6、三、框架结构的抗震概念设计,防震缝：为减轻不规则体形对抗震性能的不利影响，将建筑物分割为若干规则单元的缝隙。,(2)防震缝两侧结构体系不同时，防震缝宜按需要较宽防震缝的结构类型确定；,4、框架结构防震缝的设置,三、框架结构的抗震概念设计,防震缝：为减轻不规则体形对抗震性能的不利影响，将建筑物分割为若干规则单元的缝隙。,(3)防震缝两侧的房屋高度不同时，防震缝宽度可按较低的房屋高度确定。 (4)防震缝宜沿房屋全高设置，地下室、基础可不设防震缝。,4、框架结构防震缝的设置,三、框架结构的抗震概念设计,防震缝：为减轻不规则体形对抗震性能的不利影响，将建筑物分割为若干规则单元的缝隙。,(5)当相邻结构
7、的基础存在较大沉降差时，宜增大防震缝宽度。 (6)抗震设计时，伸缩缝、沉降缝的宽度均应符合防震缝宽度的要求。,5、框架结构布置,(1)框架结构中，框架应双向设置，设计成双向梁柱抗侧力体系。主体结构除个别部位外，不应采用铰接。,三、框架结构的抗震概念设计,(2)甲、乙类建筑以及高度大于24m的丙类建筑，不应采用单跨框架结构；高度不大于24m的丙类建筑不宜采用单跨框架结构。,5、框架结构布置,(3)框架结构抗震设计时，不应采用部分由砌体墙承重之混合形式。框架结构中的楼、电梯间及局部出屋顶的电梯机房、楼梯间、水箱间等，应采用框架承重，不应采用砌体墙承重。,三、框架结构的抗震概念设计,5、框架结构布置
8、,三、框架结构的抗震概念设计,(4)框架梁、柱中心线宜重合。当梁柱中心线不能重合时，在计算中应考虑偏心对梁柱节点核心区受力和构造的不利影响，以及梁荷载对柱子的偏心影响。 梁、柱中心线之间的偏心距，9度抗震设计时不应大于柱截面在该方向宽度的1/4；68度抗震设计时不宜大于柱截面在该方向宽度的1/4。,5、框架结构布置,三、框架结构的抗震概念设计,(5)框架结构的填充墙及隔墙宜选用轻质墙体，砌体填充墙及隔墙应具有自身稳定性，其布置应符合下列规定： 避免形成上、下层刚度变化过大；避免形成短柱。 减少因抗侧刚度偏心而造成的结构扭转。,(6)框架单独柱基有下列情况之一时，宜沿两个主轴方向设置基础系梁：
9、一级框架和IV类场地的二级框架； 各柱基础底面在重力荷载代表值作用下的压应力差别较大； 基础埋置较深，或各基础埋置深度差别较大。 地基主要受力层范围内存在软弱黏性土层、液化土层或严重不均匀土层； 桩基承台之间。,三、框架结构的抗震概念设计,6、框架结构设计原则,(1)强柱弱梁,强柱弱梁：使框架结构塑性铰优先出现在梁端而非柱端的设计原则和要求。,(2)强剪弱弯,强剪弱弯：使构件中与正截面受弯承载力对应的剪力低于该构件斜截面受剪承载能力的设计要求。,(3)强节点弱构件,强节点弱构件：使连接节点的抗弯、抗剪、抗拉等承载力大于构件承载力，保证节点有足够的承载力和刚度，保证结构整体性的设计要求。,三、框
10、架结构的抗震概念设计,1、框架计算单元,计算单元：取相邻两框架柱距的一半。 横向承重方案：取横向框架作为计算单元，认为全部竖向荷载由横向框架承担。 纵向承重方案：取纵向框架作为计算单元，认为全部竖向荷载由纵向框架承担。,三、框架结构内力计算及荷载效应组合,1、框架计算单元,在水平荷载作用下，各方向的水平力全部由与该方向平行的框架承担，与该方向垂直的框架不参与工作，即横向水平力由横向框架承担，纵向水平力由纵向框架承担。,三、框架结构内力计算及荷载效应组合,水平力为风荷载时，每榀框架只承担计算单元范围内的风荷载值。 水平力为地震作用时，每榀框架承担的水平力按各榀框架的抗侧移刚度比例分配。,1、框架
11、计算单元,三、框架结构内力计算及荷载效应组合,2、竖向荷载作用下框架内力计算,(1)分层法,基本假定： 框架的侧移忽略不计，即不考虑框架侧移对内力的影响； 每层梁上的荷载对其它层梁、柱内力的影响忽略不计，仅考虑对本层梁、柱内力的影响。,三、框架结构内力计算及荷载效应组合,(2)弯矩二次分配法,假定：某一节点的不平衡弯矩只对与该节点相交的各杆件的远端有影响，而对其余杆件的影响忽略不计。 计算时，先对各节点不平衡弯矩进行第一次分配，并向远端传递(传递系数均取1/2)，再将因传递弯矩而产生的新的不平衡弯矩进行第二次分配，整个弯矩分配和传递过程结束。,三、框架结构内力计算及荷载效应组合,计算步骤： 计
12、算竖向荷载作用下各跨梁的固端弯矩，并将各节点不平衡弯矩进行第一次分配。 将所有杆端的分配弯矩向远端传递，传递系数取1/2。 将各节点因传递弯矩而产生的新的不平衡弯矩进行第二次分配，使各节点处于平衡状态。 将各杆端的固端弯矩，分配弯矩和传递弯矩相加，得到各杆端弯矩。,三、框架结构内力计算及荷载效应组合,3、水平荷载作用下框架结构内力计算,(1)反弯点法,基本假定： 梁的线刚度无限大，节点不发生转动。 各柱反弯点位置固定：底层柱反弯点距柱底嵌固端2/3柱高处，其余各层柱反弯点均位于柱高1/2处。 不考虑梁、柱的轴向变形，同一层各节点水平位移相等。,三、框架结构内力计算及荷载效应组合,(2)改进反弯
13、点法(D值法),柱的侧移刚度不仅与柱本身线刚度和层高有关，而且还与梁的线刚度有关；柱的反弯点高度不是定值，随梁柱线刚度比、该柱所在层位置、上下层梁间的线刚度比、上下层层高一级房屋总层数的不同而发生变化。,称为柱的侧移刚度系数，反映了节点转动降低了柱的抗侧移能力。,优点：考虑了节点转动对柱侧移刚度的影响；考虑了柱反弯点位置的变化。,三、框架结构内力计算及荷载效应组合,计算步骤：,计算各柱的侧移刚度D,计算各柱分配到的地震剪力Vik,Vik第i层第k根柱分配到的剪力； Dik第i层第k根柱的侧移刚度； Dim第i层第m根柱的侧移刚度，设该层共有n根柱。,确定各柱的反弯点位置,三、框架结构内力计算及
14、荷载效应组合,三、框架结构内力计算及荷载效应组合,计算各柱柱端弯矩,第i层第k根柱上下端弯矩按下式计算：,上端：,下端：,hik第i层第k根柱柱高。,计算各梁梁端弯矩,由节点平衡条件，节点处上、下柱端弯矩之和等于左、右梁端弯矩之和，节点左、右梁端弯矩的大小按梁的线刚度大小分配。,计算各梁的梁端剪力,左端：,右端：,根据杆件平衡条件，梁端剪力按下式计算：,计算各柱的轴力,柱上端轴力等于该柱上端节点两侧梁端剪力与该柱所对应的上层柱下端轴力的代数和。,三、框架结构内力计算及荷载效应组合,4、控制截面,(1)框架梁： 梁端支座截面(左端、右端)：在竖向荷载作用下，支座截面可能产生最大负弯矩和最大剪力；
15、在水平荷载作用下，支座截面还会出现正弯矩。 跨中截面：一般产生最大正弯矩，有时也可能出现负弯矩。,框架梁控制截面最不利内力类型： 梁端支座截面：Mmax、Mmax和Vmax 梁跨中截面： Mmax、Mmax,三、框架结构内力计算及荷载效应组合,(2)框架柱,控制截面：柱上、下两端截面,控制截面最不利内力类型： Mmax及相应的N、V； Nmax及相应的M、V Nmin及相应的M、V M比较大(不是绝对最大)，但N比较小或N比较大(不是绝对最小或绝对最大),三、框架结构内力计算及荷载效应组合,结构受力分析所得内力是构件轴线处内力，梁支座截面是指柱边缘处梁端截面，柱上、下端截面是指梁顶和梁底处柱端
16、截面。 内力组合时应将各种荷载作用下梁柱轴线的弯矩值和剪力值换算到梁柱边缘处，然后进行内力组合。,三、框架结构内力计算及荷载效应组合,5、弯矩调幅,超静定结构具有塑性内力重分布性质，在竖向荷载作用下，可以适当降低梁端负弯矩。 调幅系数：现浇框架梁端负弯矩，=0.80.9；装配整体式梁端负弯矩，=0.70.8。 框架梁端负弯矩调幅后，梁跨中弯矩应按平衡条件相应增大。(将调幅后的梁端弯矩与简支梁弯矩图叠加，得到跨中弯矩) 截面设计时，框架梁跨中截面正弯矩设计值不应小于竖向荷载作用下按简支梁计算的跨中弯矩设计值的50%。,三、框架结构内力计算及荷载效应组合,6、活荷载不利布置,满跨布置：在多层和高层民用建筑中，楼面活荷载一般不大(约2kN/m2)，与恒载及水平荷载产生的内力相比，所占比例很小。可以不考虑活荷载的不利布置，按照活荷载全部作用于框架梁上进行内力计算，对梁跨中弯矩乘以1.11.2的放大系数，以考虑活荷载不利布置对跨中弯矩的影响。,三、框架结构内力计算及荷载效应组合,弯矩调幅应在内力组合之前进行。应先对竖向荷载作用下框架梁的弯矩进行调幅，再与水平作用产生的框架梁弯矩进行组合。 只
