多层及高层钢筋混凝土房屋抗震设计

1、第5章 多层及高层钢筋混凝土房屋抗震设计（框架结构）,5.1 概述,一.多高层建筑的结构形式 框架、抗震墙、框架抗震墙及框架简体等结构体系,二.抗震设计的内容,抗震概念设计：结构体系选择 ，结构布置，一般规定等。,抗震计算设计：内力，强度，变形等。,抗震的构造措施设计等。,5.2 抗震设计的一般要求（概念设计）,一.结构体系选择,多高层钢筋混凝土房屋的结构体系有：框架、抗震墙、框架抗震墙及框架简体等结构体系 。根据房屋的高度等可选择不同的体系（表5.1）。,二. 结构布置 1.结构布置的基本原则是： 结构平面应力求简单规则，结构的主要抗侧力构件应对称均匀布置，尽量使结构的刚心与质心重合，避免地

2、震时引起结构扭转及局部应力集中。,刚度中心,质量中心,结构的竖向布置，应使其质量沿高度方向均匀分布，避免结构刚度突变，并应尽可能降低建筑物的重心，以利结构的整体稳定性。,合理地设置变形缝。,加强楼屋盖的整体性。使结构受力均匀。,尽可能做到技术先进，经济合理。,2.框架结构布置 A,一般的柱网形式。,承重框架宜双向设置。楼电梯间不宜设在结构单元的两端及拐角处。,B 地震区的框架结构，应设计成延性框架， 遵守“强柱弱梁”、“强剪弱弯”、强节点、强锚固等设计原则。,3、抗震等级 体现在同样地震烈度下不同结构类型的钢筋砼房屋 不同的抗震要求。 如：次要的抗侧力结构单元的抗震要求可以低于主要的 抗侧力结

3、构单元。 抗震等级分为四级，结构的抗震等级越高，抗震措 施越高。,C 框架结构梁柱截面尺寸要求,框架结构设计的过程及内容： 结构布置及构件截面尺寸确定计算简图荷载计算刚度参数与自振周期计算水平（地震）作用计算弹性侧移验算内力计算（水平向、竖向）内力组合截面强度计算弹塑性变形验算构造措施等,5.3 框架内力与位移计算,一、水平地震作用的计算,（一）计算简图,横向框架；纵向框架,跨度，层高，荷载作用位置和大小,（一）、水平地震作用的计算,一般情况下可用底部剪力法 周期计算可采用顶点位移法 非结构墙体影响系数,各楼层地震作用标准值,顶层附加地震作用,二、水平地震作用下框架内力计算,（1)反弯点法 反

4、弯点法适用条件：层数较少，梁柱线刚度比大于3时。 反弯点位置：上部 0.5H ， 底层 0.7H,内力计算步骤： 层间剪力分配到柱计算柱弯矩 根据节点平衡计算梁弯矩。,(2)、D值法（改进反弯点法）考虑上下梁刚度的影响，对反弯点位置加以修正。计算步骤如下：、计算各层柱的侧移刚度D,a 修正系数， 由梁柱线刚度比定。,柱线刚度,取值,边柱,中柱,一般层,底层,、计算各柱分配剪力,、确定反弯点高度y y0 标准反弯点高度比，查附表5-1 P181 y1 上、下梁线刚度不同，对y0 的修正值 弯点上移， y1 为正值 弯点下移， y1 为负值,y2 上层层高与本层层高不同时，反 弯点高度修正值。由

5、和 查表。,、计算柱端弯矩 上端 下端,y3 下层层高与本层层高不同时，反弯点高度修正值。,、 梁端剪力,、 计算柱轴力N ， 为各层柱上梁端剪力之和,、计算梁端弯矩,三、框架结构设计例题 某综合服务楼，主体为8层钢筋混凝土框架结构，空心砖填充墙，局部9层，梁板柱均为现浇。柱网布置、建筑层高及横剖面简图见图 ，底层柱截面尺寸；中柱650mm650mm，边柱550550mm。柱混凝土13层 C40，49层 C30。楼板采用双向连续板。纵横向框架梁截面 400mm 650mm，梁混凝土 C30。设防烈度8度，设计基本地震加速度为0.20g，I类场地土，设计地震分组为二组，抗震等级为二级。要求进行横

6、向框架设计。,计算步骤：,重力荷载代表值计算,刚度计算：梁，柱，层,自振周期计算,地震作用计算,地震作用的分配,地震作用下的内力计算,竖向荷载下的内力计算,内力组合,强度、变形计算,计算简图,【解 （1）重力荷载计算 恒荷载取全部，活荷载取50，各层重力荷载集中于楼屋盖标高处，其代表值为；9层1800kN，8层11570kN，27层 9597kN，底层 9623kN。,（2）梁柱刚度计算（为计算框架的自振周期） 梁的线刚度如表514。,对于现浇砼框架梁：Ib=1.5I0 Ib=2.0I0,考虑板的影响,边框架,中框架,注意区分不同位置的框架柱刚度,影响因素：层位置；砼等级；截面尺寸；层高。,还

7、有：边框架；中框架；边柱；中柱等。,区分边框架与中框架，是考虑梁的刚度不同。区分边柱与中柱，是考虑梁的约束不同。,柱的侧移刚度D值如表515及表516。,将各层不同柱的刚度都计算出来。,将各层柱的总刚度汇总,（3）.自振周期计算 按顶点位移法计算，考虑填充墙对框架刚度的影响，取基本周期调整系数a0=0.6。计算公式为,将各层的重力荷载代表值看作水平荷载，计算其产生的框架顶点位移。,V,层间刚度,层间位移,累积位移,（4）横向地震作用计算 地震作用按 8度设计基本地震加速度 0.2g，类场地，设计地震分组按二组，则 Tg=0.3s，amax=0.16， 采用底部剪力法计算。由于T=0.7151.

8、4Tg=0.425，故应考虑顶点附加地震作用，取,顶点附加地震作用,各层地震作用分配：,注意：第9层考虑鞭梢作用。第8层考虑顶点附加地震作用。,（5）弹性层间变形验算,（6）地震作用下框架的内力分析 作为例题，此处取横向框架KJ4为例，KJ4柱端弯矩计算结果详见表520.,y为反弯点高度；,柱剪力分配,地震作用下框架梁端弯矩： 将柱端弯矩在梁端分配， 使梁端弯矩与柱端弯矩相等。,地震作用下的梁端 剪力及柱轴力 ：,梁端剪力之合为柱轴力,四、竖向荷载作用下框架内力计算,分层法和弯矩二次分配法 1) 分层法（弯矩分配法）,特点：,底层 其它层 柱线刚度 不变 0.9 传递系数 1/2 1/3 将各

9、层计算结果叠加。对于不平衡弯矩较大节点再分配 一次（不再传递）。 2) 弯矩二次分配法 过程：计算各节点固端弯矩（不平衡弯矩）分配 （第一次）和 传递同时进行再分配（第二次）。,3) 弯矩调幅,考虑塑性内力重分布，可将梁端弯矩调幅，减小梁 端弯矩 调整系数 现浇框架 0.80.9 装配整体式 0.70.8 调幅后的跨中弯矩计算 注意只有竖向荷载作用下的梁端弯矩可以调幅，水 平荷载作用下的梁端弯矩不能调幅。,例题续（7）竖向荷载作用下框架内力分析 内力分析采用弯矩分配法。在竖向荷载作用下梁端可以考虑塑性内力重分布，取弯矩调幅系数0.8，楼面竖向荷载分别按恒荷载及全部活荷载计算。,分配两次， 传递

10、一次。,竖向荷载下梁端剪力和柱轴力计算计算,五、内力组合,通过内力计算，获得了在不同荷载作用下产生的构 件内力标准值。根据可能出现的最不利情况进行构件的 内力组合所得设计内力值，进行截面设计. 一般有两种组合： （1）、 地震作用效应与重力荷载代表值效应的组合,（2）、 竖向荷载效应组合(非抗震组合) 包括全部恒载与活载的组合。,具体对于框架来说，对框架梁、框架柱的控制截面 进行内力组合。 i)、框架梁 （取不利组合）,梁端正弯矩,梁端负弯矩,跨中正弯矩,梁端剪力,用平衡求出 或,求出剪力为零的位置x,关于梁跨间弯矩的求法：,ii)、 框架柱内力不利组合,柱上下端为控制截面取不利组合,六、位移

11、计算,1) 多遇地震烈度下。 求出多遇烈度下得各层间剪力 层间位移 2) 罕遇地震作用下层间弹塑性位移计算 对于 大于0.5的框架，只要弹性位移满足要求， 可不进行弹塑性位移计算。,(略）,当 时，进行弹塑性位移计算。,验算步骤： 楼层屈服强度 的确定 薄弱层确定，一般在底层和 较小层。 薄弱层的层间弹塑性位移验算 楼层屈服强度的确定 a、 根据梁柱的实际配筋及材料的强度标准值，计算梁柱的实际极限抗弯承载力 梁: 柱:,楼层屈服强度(剪力)的确定示意,.计算梁柱极限抗弯能力 .计算柱截面有效受弯承载力 .计算柱的层间受剪承载力,b、 计算柱端截面有效受弯承载力（与屈服机制有关）。 根据破坏机制

12、,当 时，为强梁弱柱型 柱先屈服，梁后屈服 当 时，为强柱弱梁型，梁首先屈服。柱端截面有效受弯承载力由节点的弯矩平衡得出，且不大于柱的极限弯矩。,当 且一柱端先达到屈服，此时，另一端的受弯承载力按刚度求得。 上柱下端屈服,下柱上端屈服,c、 计算第i层第j根柱的受剪承载力,d、 第i层各柱总的屈服强度, 薄弱层的层间弹塑性位移计算 层间弹塑性位移验算,框架计算步骤,确定计算简图、几何参数计算、静力荷载统计。 地震作用计算：用底部剪力法计算水平地震作用及层间剪力 T a FEk Vi 内力计算：用D值法计算水平作用下的内力（并同时进行弹性层间位移验算）；用分层法或弯矩二次分配法计算重力荷载代表值

13、作用下的内力。 计算各项非地震荷载作用下的内力。 内力组合：包括地震作用组合及非地震作用组合。 截面及节点设计（配筋计算）：注意内力值的调整。 弹塑性位移验算：梁柱截面极限抗弯承载力 柱端有效受弯承载力 Vpji Vpi；a1i Vei xyi 薄弱层 hp Dup,5.4 钢筋混凝土框架结构构件设计,（一）、框架梁抗震设计 1、设计要求及计算要点： 梁形成塑性铰后仍有足够的受剪承载力(强剪弱弯） 设计剪力的取值。 梁筋屈服后，塑性铰区段应有较好的延性和耗能能力 延性设计问题。 解决好梁筋的锚固问题（强锚固）。 2、框架梁受剪承载力验算 梁剪力设计值,要充分估计梁端实际配筋屈服并产生超强时有可

14、能产生的最大剪力。, 梁左右端顺时针或逆时针组合设计弯矩。对一级框架两端均为负值时，取绝对值较小的一侧,一、二、三级框架：,q-重力荷载代表值,vb 梁端剪力增大系数，对于一、二、三级框架 分别取1.3、1.2、1.1。, 梁斜截面受剪承载力, 剪压比限值（梁最小截面尺寸要求）,3、 提高梁延性的措施,主要影响因素：截面尺寸、纵筋配筋率、剪压比、配箍率、钢筋及砼的强度。 截面： 纵筋配筋率：（通过受压区高度控制） 一级框架 ， 二、三级框架 梁端受拉筋配筋率, 梁端加密箍筋： 抗震等级 加密区长度 最大间距（取小） 最小直径 一 2hb,500 mm 6d, hb/4,100mm 10 二 1

15、.5hb,500 mm 8d, hb/4,100mm 8 三 1.5hb,500 mm 8d, hb/4,150mm 8 四 1.5hb,500 mm 8d, hb/4,150mm 6, 梁端受压纵筋与受拉纵筋的比率,一级框架,二、三级框架, 通长纵筋 ：,一、二级框架不小于 ， 且不小于受力纵筋面积 的1/4. 三四级框架不少于 。 4、梁筋锚固：防止锚固破坏, 梁筋锚固方式：直线型和弯折型, 反复 荷载下：,砼粘结强度退化率为0.75，抗震所需的锚固长度应在 原锚固长度 上有所增加。 一、二级 三级 四级 弯折筋的弯折段不能太小。,5、 控制塑性铰位置：,通过合理配筋方式使梁的预期塑性铰离

16、开柱边不小于梁 高也不小于500mm处。 方法：附加短纵筋，附加短腰筋，弯筋。 要求柱边截面 比塑性铰处受弯承载力提高25%以上。,（二）、框架柱抗震设计 设计原则及要点： 强柱弱梁，使柱尽量不出现塑性铰柱设计弯矩的取值及计算。 在弯曲破坏之前不发生剪切破坏，使柱有足够的抗剪能力柱设计剪力的取值及计算。 控制柱的轴压比不要太大轴压比的限值。 加强约束，配置必要的约束箍筋构造要求。,1、轴压比的概念,名义轴向压应力与砼抗压强度之比 轴压比是影响柱子破坏形态和延性的主要因素之一。 轴压比越大，柱子的延性越差。柱子的破坏形态也 随轴压比的增大，由大偏心破坏向小偏心破坏过渡。抗 震结构要求柱子有足够的

17、延性且为大偏心破坏，故控制 轴压比的限值。,组合轴压力设计值,轴压比 抗震等级 一 二 三 框架柱 0.7 0.8 0.9 框支柱 0.6 0.7 框-墙、板柱墙及筒体 0.75 0.85 0.95 2、 强柱弱梁-柱设计弯矩的取值 要求：塑性铰出现在梁上 (如何设计？）,作法：（*以下所述内容主要针对一、二、三级框架。） 节点上、下柱端的弯矩设计值,c对于一、二、三级框架分别为1.4、1.2、1.1。, 底层柱、角柱内力： 一、二、三级框架底层柱底截面的组合弯矩设计值应分别乘以1.5、1.25和1.15的增大系数，角柱内力按上述调整后进一步放大10%。 柱的轴力按组合值取。 柱的配筋计算，注

18、意承载力抗震调整系数。,作法： 柱剪力设计值,柱剪力增大系数， 一、二、三级框架分别取1.4、1.2、1.1。,3、强剪弱弯设计剪力取值 要求：在弯曲破坏之前不发生剪切破坏, 剪压比限值，柱截面尺寸不能太小,短柱 柱斜截面受剪承载力,4、 加强柱端约束：,在柱端一定范围内加密箍筋。 加密箍筋的作用：承担剪力；约束砼； 提高抗压强度；提高变形能力；防止纵向 压曲 加密箍筋注意事项 范围： 中取最大值，底 层，刚性地面上下各500mm。短柱、角柱全高加密。, 箍筋的最大间距,抗震等级 最大间距（取较小值） 最小直径 一级： 6d ， 100mm 10 二级： 8d， 100mm 8 三级： 8d，

19、 150mm 8 四级： 8d ， 150mm 8 箍筋最小体积配筋率 （见p117表5-13） 箍筋型式：普通箍、复合箍、螺旋箍, 肢距：加密区，一级200，二、三级250 或20倍d，四级300,每隔一个纵筋它在两个方向有箍筋约束。非加密区：箍筋量不少于加密区的50% （6）、柱纵向钢筋的配置：最小配筋率和最大配筋率要求。最小配筋率（见p116表5-11)： 如三级框架，中边柱0.7%。最大配筋率为5%， 注意防止粘结不足破坏。 当柱边尺寸大于400mm时，纵向钢筋间距不宜大于200mm。,（三）、框架节点抗震设计（*以下所述内容主要针对一、二级框架。）,节点设计准则： 节点承载力不应低于

20、连接构件 在多遇烈度下，节点处于弹性工作范围 罕遇烈度下，节点承载力的降低不能危及荷载的传递 不应使施工过分困难 1、节点核心区受剪承载力验算 剪力设计值 节点的受力情况：,作用于节点的剪力来源于边梁的开裂，由节点承担拉筋的锚固。 一、二级框架 边节点： 梁受拉筋的拉力 柱受剪力,柱的计算高度,中节点：,顶层节点： 三、四级框架不需计算。 jb节点剪力增大 系数一级为1.35，二级 为1.2。,9度及一级时，尚应满足 顶层： 中间层：, 剪压比限值,节点约束影响系数，节点四边有梁，梁宽不 小于该侧柱宽的1/2，且正交梁高度不小于框架梁高度的 3/4时，取 其他情况均取, 节点受剪承载力：由砼和箍筋共同承担。 当 时，取 节点核心区截面高度 节点有效面积内的受剪箍筋全部截面面积。 节点截面有效宽度,a、 当梁柱轴线重合，且梁宽不小于该侧柱宽的1/2时 b、 当梁柱轴线重合，但梁宽小于该侧柱宽1/2时，取下列较小者 c、 当梁柱轴线不重合时，（偏心距不应大于 ）此时取下列较小值,2、 节点构造 箍筋最大间距和最小直径 按表5-12 P117(同柱内箍筋要求), 配箍特征：一二三级不小于0.12、0.1、0.08 柱纵筋间距不宜大于200mm 箍筋应有135弯钩，弯钩末端直线长度不宜小于10d，箍筋无支长度不得大于350，否则应配置辅助拉条。 梁柱的纵向钢筋不得在节点中切断