钢筋混凝土框架构件设计

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1、第六章 框架设计和构造,6.1 延性耗能框架的概念设计 6.2 框架梁抗震设计 6.3 框架柱抗震设计 6.4 梁柱节点核芯区抗震设计 6.5 钢筋的连接和锚固,6.1延性耗能框架的概念设计,6.1.1延性结构,见图6-1,(1)延性,结构(截面)能维持承载能力而又具有较大的塑性变形的能力。,截面开始屈服 My、 y、fy、 y,截面破坏 Mu、 u、fu、 u,(2)截面和构件的塑性变形能力常常用延性比来衡量, 延性比越大，延性越好。,构件位移延性比：f=fu / fy,截面曲率延性比：=u/ y,顶点位移延性比: =u/y,6.1.2 延性框架设计基本措施,(1)钢筋混凝土结构的“塑性铰控

2、制”理论基本要点：,允许某些截面出现塑性铰，吸收、耗散地震能量；,控制塑性铰出现部位选择合理截面形式及配筋构造；,塑性铰本身有较好的塑性变形能力和吸收耗散能量的能力；,塑性铰能使结构具有较大的延性。,(2) 钢筋混凝土延性框架的基本措施是：,见图6-2,强柱弱梁,强剪弱弯,强结点、弱杆件(强结点、强锚固),强底层柱(局部加强),6.2 框架梁抗震设计,6.2.1 梁的破坏形态与延性,(1)在抗震框架中，应设计具有良好延性的框架梁。,弯曲破坏：少筋梁脆性破坏；超筋梁脆性破坏；,适筋梁延性破坏，具有塑性变形能力。,见图6-3,剪切破坏：斜拉或斜压破坏脆性；,剪压破坏延性很小。,(2)对于抗震的框架

3、，不仅要求梁在塑性铰出现之前不被剪坏，而且还要要求在塑性铰出现之后也不要过早剪坏，要求延性梁的抗剪承载能力大于抗弯承载能力，即强剪弱弯。,6.2.2 影响梁延性的因素及改善延性的措施,(1)影响梁延性的因素：,值：，延性好。,见图6-4,(2)改善梁延性的措施,减小x (),见图6-5,梁端塑性铰区箍筋加密,塑性铰外移,见图6-6,6.2.3 框架梁的截面设计,1.梁的正截面承载力计算,(1)梁的正截面承载力计算公式,不考虑地震作用的组合时：0SR,考虑地震作用的组合时：SERE/RE,抗震设计中的正截面承载力直接采用静载作用下的承载力计算公式，,即：RE=R（MuE=Mu）,ME MuE/

4、RE=Mu/ RE （或 RE ME Mu）,(2)框架梁梁端截面的底部和顶部纵向受力钢筋截面面积的比值，除按计算确定外，另：,一级抗震等级： As/As0.5,二、三级抗震等级： As/As0.3, 框架梁两端(支座截面)必须是双筋截面。,(3)承载力计算公式,由平衡条件X=0：,得到名义压区高度为：,由另一极限状态平衡条件M|As= 0得,不考虑地震作用时：,考虑地震作用时：,(4)正截面构造要求,计入纵向受压钢筋的梁端混凝土受压区高度：,一级抗震等级： x0.25h0,二、三级抗震等级： x0.35h0,(非抗震xb h0),抗震设计时， 梁端纵向受拉钢筋的配筋率不应大于2.5%。,抗震

5、设计时，纵向受拉钢筋的最小配筋率（%）,非抗震设计框架的要求同一般钢筋混凝土结构。,2. 梁的斜截面承载力计算,(1)抗震设计中采用与非抗震设计中不同的斜截面受剪承载力计算公式：,R=Vu=Vc+Vs；RE=VuE=0.6Vc+Vs,即： VbVuE/ RE=（0.6Vc+Vs)/ RE,或： REVb(0.6Vc+Vs),(2)承载力计算(抗震设计),一般框架梁：,REVb 0.42ftbh0+1.25fyvAsvh0/s,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：,REVb 1.05ftbh0/(+1)+fyvAsvh0/s,(

6、3)按照“强剪弱弯” 的要求调整剪力设计值Vb,调整前的最大剪力：,见图6-7,按“强剪弱弯”要求，将由弯矩产生的剪力放大vb倍：,9度和一级抗震时尚应符合以下要求：,vb 梁剪力增大系数。一、二、三级抗震时，vb分别为1.3、1.2、1.1。超限高层建筑的特一级，按一级再增大20。,Mlbu、Mrbu 框架梁左、右端的极限抗弯承载力。,按梁的实际配筋计算。,计算时取钢筋抗拉强度标准值fyk。,可按下列简化公式计算Mbu： Mbu=Asfyk(hb0a),Mlb、Mrb 组合得到的梁左、右端计算弯矩。,VGb 梁在本跨竖向重力荷载作用下产生的简支支座 反力设计值。,(4) 梁斜截面有关构造规定

7、,截面尺寸和混凝土强度：考虑地震作用组合时，当跨高比l0/h2.5时，Vb(0.20cfcbh0)/RE ；当跨高比l0/h2.5时，Vb(0.15cfcbh0)/RE 。,在强柱弱梁和强剪弱弯的情况下，不宜采用加大梁高度的作法；常常采用截面高宽比较小的扁梁。,不利用弯起钢筋抗剪。,沿梁全长箍筋的面积配筋率sv：,一级抗震等级 sv0.30ft fyv 二级抗震等级 sv0.28ft fyv 三、四级抗震等级 sv0.26ft fyv 非抗震 sv0.24ft fyv,梁两端箍筋应加密，要求下表。,在非加密区，箍筋间距按下表采用，并不少于加密区箍筋数量的50 。,第一个箍筋应设置在距支座边缘5

8、0mm处。 钢箍必须做成封闭箍，加135弯钩，弯钩端头直段长度应为10d，且不小于75mm。 箍筋肢距要求。,6.3 框架柱抗震设计,6.3.1 柱的破坏形态和延性,(1)弯曲破坏：延性破坏sfy；yf y；cfc,(2)剪切受压破坏：有一定延性水平裂缝发展成斜裂缝，受压区混凝土剪切错动。,(3)剪切受拉破坏：脆性破坏较小，箍筋少，主筋s fy后，箍筋突然屈服。,(4)剪切斜拉破坏：脆性破坏短柱中，斜裂缝成对角线，svfyv时， s fy。,(5)粘结破坏脆性破坏。,6.3.2影响柱延性的因素,1. 剪跨比：=M/(Vhc) 柱的剪跨比小，延性差。,长柱弯曲破坏，延性。 短柱剪切破坏，箍筋足够

9、时，有一定延性。 极短柱脆性。,一般Hc0/(2hc)，故剪跨比也可用柱的长细比来表达。 Hc0为柱净高。,长柱 短柱 极短柱,分体柱平面示意图,改变短柱为长柱的措施之一：采用分体柱(见下图)。,2. 轴压比N,N = NE /(bchcfc),(1)N越小，延性越好。,(2)轴压比的限制值见表：,见图6-8,3. 剪压比V：,V =VE /( bchc0 fc),(1)V越小，延性越好,(2)剪压比的限制：,不考虑地震组合：V 0.25,考虑地震组合：V 0.20/RE 2 V 0.15/RE2,4.纵向钢筋配筋率,5.塑性铰区的箍筋配置,箍筋的作用：,见图6-9,抵抗剪力、约束混凝土、防止

10、纵筋压曲。,见图6-10,配箍特征值V:,6.3.3 柱的正截面承载力计算,1. 计算公式：,NENuE/ RE=Nu/RE （对大偏心受压柱）,2. 柱端弯矩调整,(1)按“强柱弱梁”要求调整,静力平衡条件：Muc0+Mdc0=Mbl+Mbr,“强柱弱梁”要求：柱端弯矩放大Mc倍,9度和一级框架尚应满足：Mc 1.2Mbu Mc同一节点上下柱端截面设计弯矩之和； Mb同一节点左右梁端截面设计弯矩之和； Mbu同一节点左右梁端截面抗弯承载力之和。 Mc对一、二、三级抗震等级分别取为1.4、 1.2、 1.1。,(2)按“强底层柱”要求调整,抗震设计时，一、二、三级框架结构底层柱下端截面弯矩设计

11、值，应按考虑地震作用组合的弯矩设计值分别乘以增大系数1.5、1.25和1.15。,计算偏心距e0=M/N时，采用按“强柱弱梁”、“强底层柱”要求调整后的柱端弯矩Mc。,3. 柱正截面构造规定,最小配筋率(见下表) 、最大配筋率。 对称配筋。 最小截面尺寸。 纵筋间距。 纵筋接头要求。,抗震结构中柱截面最小配筋率（%）,6.3.4 柱的斜截面承载力,1. 计算公式：,VE VuE/ RE VuE= 0.6Vc+Vs,即：VbVuE / RE =（0.6Vc+Vs)/ RE,轴力为压力： 轴力为拉力：,2.剪力调整：按柱“强剪弱弯”要求调整,强剪弱弯要求：对一、 二、三级抗震等级，cv 分别为1.

12、4、 1.2、1.1。,9度和一级框架尚应符合：,Mtc、Mbc由内力组合得到的柱上、下端的最不利设计弯矩。 Mtcu、Mbcu 柱上、下端截面的抗弯承载力，可按实际配筋面 积和材料强度标准值确定。,3. 柱的构斜截面构造要求,(1)最小截面尺寸： 无地震作用时： 2的柱： Vc0.25cfcbchc0 2的柱：Vc 0.20cfcbchc0,有地震作用时： 2的柱：Vc (0.20cfcbchc0) RE 2的柱：Vc (0.15cfcbchc0) RE,(2)柱的箍筋,箍筋形式： 普通矩形箍 、 螺旋箍、 复式箍等。,箍筋加密区范围：,长柱取柱净高的16、柱截面长边尺寸hc 或500mm三

13、者中的较大值。,短柱；一、二级抗震等级的角柱和框支柱取柱全高。,在底层柱基础较深而又遇有刚性地坪时地坪上下各500mm范围。,加密区箍筋数量：,加密区体积配箍率：,一级抗震等级：v 0.8； 二级时： v0.6； 三、四级时： v0.4。, v fc fyv,箍筋的无支长度柱纵筋之间的距离 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； 为便于浇灌混凝土，纵筋间距也不宜小于50mm； 每隔一根纵向钢筋宜在两个方向有箍筋约束。,6.4 梁柱节点核芯区抗震设计,6.4.1 强节点、强锚固,(1)节点区的破坏,节点区无

14、箍筋或少箍筋，在剪压作用下混凝土出现斜裂缝，然后挤压破碎，纵向钢筋压屈成灯笼状。,钢筋锚固破坏。,(2)强节点,抗剪验算，在节点区配置足够的箍筋，并保证混凝土的强度及密实性。,(3)强锚固,处理好纵向钢筋在节点区的锚固构造。,6.4.2 节点区设计剪力,在地震作用下，通过节点区的梁纵向钢筋一侧受拉，另一侧受压，容易出现粘结破坏(见下图)。,节点设计剪力由强节点要求，能抵抗当节点两边梁端出现塑性铰时的节点区剪力。,(1)平衡条件图示中柱节点核芯区上半部为隔离体： Vj = (Cs + Cc) + fykAts - Vc = (fykAbs)+ fykAts Vc,(2)强结点要求平衡剪力放大jb

15、倍,9度和一级框架：,一级、二级框架的其它情况：,Mb 节点左右梁端组合弯矩设计值之和； Mbu节点左右梁端按实际钢筋面积和材料强度标准值 计算的受弯承载力所对应的弯矩设计值之和； jb 为强节点系数，一级取1.35，二级取1.2； Hc 柱的计算高度，可采用节点上、下柱反弯点之 间的距离。,6.4.3 节点区抗剪验算,(1)节点区的抗剪承载力公式由试验得到：,9度时要求：,(2)在一、二级框架节点，由上式计算节点区所需的箍筋面积及间距，同时满足构造要求。,(3)在三、四级框架中，节点区不需进行抗剪验算，按构造要求配置箍筋。,节点区配置的箍筋至少要与柱中箍筋加密区的箍筋数量相等,6.4.4 节点区构造要求,(1)截面尺寸和混凝土强度,节点区平均剪应力限制： Vj (0.30jcfcbjhj) RE,在节点区的混凝土强度等级应与柱的混凝土强度等级相同。当节点区混凝土与梁板混凝土一起浇注时，必须注意节点区混凝土强度等级与柱混凝土强度等级相差不应超过5MPa。,(2)箍筋Smax、dmin 要求：不小于柱加密区,(3)一、二