《高层建筑结构与抗震》辅导材料七

1、高层建筑结构与抗震辅导材料七框架设计与构造主要内容：提高框架结构延性的措施；框架梁的抗震设计一一正截面及斜截面受弯承载力计算；框架柱的抗震设计一一正截面及斜截面受弯承载力计算；梁柱节点的抗震设计。第一节框架结构的延性当结构反应进入非线性阶段后，强度不再是控制设计的唯一指标，变形能力变得与强度同等重要。因为一般结构并不具备足以抵抗强烈地震的强度储备，而是利用结构的弹塑性性能吸收地震能量，以达到抗御强震的目的。因此，深刻理解并熟练掌握提高框架结构延性的各项措施，尤其是强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件的设计原则是非常重要的。一、结构的延性指标截面的塑性变形能力常常用延性比来衡量，即u?uy,其中?y

2、表示截面屈服时的曲率，？u表示截面极限曲率。结构的延性通常用顶点位移延性比表示，即P?=?u?yo其中为结构进入塑性状态时的顶点位移。P?是结构抗震性能的一个重要指标。对于延性比大的结构，在地震作用下结构进入弹塑性状态时，能吸收、耗散大量的地震能量，此时结构虽然变形较大，但不会出现超出抗震要求的建筑物严重破坏或倒塌。相反，若结构延性较差，在地震作用下容易发生脆性破坏，甚至倒塌。二、结构延性的作用（1）防止脆性破坏；（2）承受某些偶然因素的作用；（3）实现塑性内力重分布；（4）有利于结构抗震。三、提高结构延性的措施L强柱弱梁”设计原则一控制塑性钱的位置在地震作用F,框架结构中塑性较出现的位置或顺

3、序不同，将使框架结构产生不同的破坏形式。但是不允许在梁的跨中出钱。梁的跨中出钱将导致局部破坏。强梁弱柱型结构的塑性较首先出现在柱中，破坏时只跟最薄弱层柱的强度和延性性能有关，而与其他各层梁柱的承载能力和耗能能力均没有发挥作用。而强柱弱梁型结构的塑性钱首先出现在梁中，当部分梁端甚至全部梁端均出现塑性较时，结构仍能继续承受外荷载，而只有当柱子底部也出现塑性较时，结构才达到破坏。由于柱中出现塑性钱，不易修复而且容易引起结构倒塌；塑性钱出现在梁端，却可以使结构在破坏前有较大的变形，吸收和耗散较多的地震能量，具有较好的抗震性能，而且梁的延性远大于柱的延性。所以，较合理的框架破坏机制应是梁比柱的塑性屈服尽

4、可能早发生和多发生，底层柱柱根的塑性较较晚形成，各层柱子的屈服顺序应错开，不要集中在某一层。这种破坏机制的框架，就是强柱弱梁型框架。震害调查也证实强梁弱柱引起的结构震害比较严重。2梁柱的延性设计框架结构抗震设计的关键是梁柱塑性钱设计。为此，应遵循：（1）强剪弱弯”设计原则一控制构件的破坏形态在进行框架梁、柱设计时，应使构件的受剪承载力大于其受弯承载力，使构件发生延性较好的弯曲破1坏，避免发生延性较差的剪切破坏，而且保证构件在塑性钱出现之后也不过早剪坏，这就是强剪弱弯”的设计原则，它实际上是控制构件的破坏形态。（2）梁、柱剪跨比限制剪跨比反映了构件截面承受的弯矩与剪力的相对大小。它是影响梁、柱极

5、限变形能力的主要因素之一，对构件的破坏形态有很重要的影响。因此，为保证柱子发生延性破坏，抗震设计时要求柱净高与截面长边尺寸之比宜大于4,若不满足，应在柱全高范围内加密箍筋。类似地，对框架梁而言，则要求其净跨In与截面高度hb之比不宜小于4。当梁的跨度较小而梁的设计内力较大时，宜首先考虑加大梁宽，这样虽然会增加梁的纵筋用量，但对提高梁的延性却是十分有利的。梁、柱剪压比限制设计中应限制剪压比（VfcbhO）即梁截面的平均剪应力，使箍筋数量不至于太多，同时，也可有效地防止斜裂缝过早出现，减轻混凝土碎裂程度。这实质上也是对构件最小截面尺寸的要求。柱轴压比限制及其他措施轴压比uN指柱有地震作用组合的柱轴

6、压力设计值N与柱的全截面面积Ac和混凝土轴心抗压强度设计值fc乘积的比值，PN=NfcAc=Nfcbchc（be、he分别为柱截面的宽度和高度）。试验研究表明，轴压比的大小，与柱的破坏形态和变形能力是密切相关的。所以，抗震设计中应限制柱的轴压比不能太大，宜满足表10-1的规定。其实质就是希望框架柱在地震作用下，仍能实现大偏心受压下的弯曲破坏，使柱具有延性性质。柱轴压比限值表10-1抗住等级二="轴用比限位0.70用°,9箍筋震害表明，梁端、柱端震害严重，是框架梁、柱的薄弱部位。所以按照强剪弱弯原则设计的箍筋主要配置在梁端、柱端塑性校区，称为箍筋加密区。在塑性校区配置足够的箍

7、筋，可约束核心混凝土，显著提高塑性校区混凝土的极限应变值，提高抗压强度，防止斜裂缝的开展，从而可充分发挥塑性钱的变形和耗能能力，提高梁、柱的延性；而且钢箍作为纵向钢筋的侧向支承，阻止纵筋压屈，使纵筋充分发挥抗压强度。所以，在框架梁端、柱端塑性校区，箍筋必须加510纵筋配筋率试验表明：钢筋混凝土单筋梁的变形能力，随截面混凝土受压区相对高度x/hO的减小而增大，而x/hO随着配筋率的增大、钢筋屈服强度的提高和混凝土强度等级的降低而增大，延性性能降低。为此，规范对一、二、三级抗震等级框架梁的x/hO和pmax作出了规定。同时，框架梁还应满足最小配筋率的要求。3,强节点弱构件”设计原则由于节点区的受力

8、状况非常复杂，所以在结构设计时只有保证各节点不出现脆性剪切破坏，才能使梁、柱充分发挥其承载能力和变形能力。即在梁、柱塑性较顺序出现完成之前，节点区不能过早破坏。第二节框架梁的抗震设计着重介绍在高层钢筋混凝土框架中，各构件截面设计及构件配筋构造的特殊要求，特别是在地震作用下抗震结构截面计算、构造设计方法及延性要求等。深刻理解并掌握各项验算或措施的原因及具体内容。比如抗震设计时框架梁的截面承载力为何除以承载力抗震调整系数丫RE强剪弱弯”的设计原则是如何体现到框架梁的斜截面承载力设计中的。一、正截面受弯承载力计算抗震设计时框架梁的截面承载力应除以承载力抗震调整系数YRE即SWRRE式中：S荷载效应组

9、合的设计值；R结构构件的抗震承载力设计值；YRL承载力抗震调整系数。对强柱弱梁型框架，地震作用下将首先在框架梁的端部出现塑性较。由于梁的变形能力主要取决于梁端的塑性较转动能力，从而需对梁端混凝土相对受压区高度及配筋率加以限制，以保证框架梁有足够的曲率延性。此外，梁端底面和顶面纵向钢筋的比值，同样对梁的变形能力有较大影响。因此，建筑抗震设计规范规定：1.有地震作用组合的梁端箍筋加密区：一级抗震等级x0.25h（二、三级抗震等级x<0.35h0梁跨中：XUbhO框架梁纵向受拉钢筋配筋率应满足PminvpAs<2.5%抗震设计框架梁纵向受拉钢筋的最小配筋百分率一遮跨中二、四m3讯/K存说

10、扎口0和WhK疑MlP(%)表10-33,框架梁的两端箍筋加密区范围内，底面和顶面纵向受力钢筋的截面面积比值，应符合下列要求：一级抗震等级As，As>0.5r,三级抗震等级非抗震设计时，只要求不出现超筋破坏现象，即二、斜截As，AsA0.3面受剪承载力计算1.剪力设计值XWEbhO框架梁端的剪力设计值Vb应根据框架梁的梁端丫卜的取信弯矩和重力荷载，由静力平衡条件确定(右图)。但为了减少梁端塑性钱区发生脆性剪切破坏的可能性，体现延性框架强剪弱弯”的设计原则，要求框架梁端的受剪承载力高于其受弯承载力。而梁端受剪承载力的提高，首先是在剪力设计值的确定中考虑了梁端弯矩的增大。考虑上述因素后，框架

11、梁端箍筋加密区的梁截面剪力设计值Vb应按下列公式计算：IrlrMbua+MbuaMb+Mb一级抗震等级：Vb=l.1+VGb或Vb=1.3|i711JITi必/rY,MLJ4_怜!么i必.I右1+VGbInInMb+Mb二级抗震等级Vb=l.2+VGbInIrMb+Mb三级抗震等级Vb=l.1+VGbIn四级抗震等级取地震作用组合下的剪力值。上述公式中，框架梁两端弯矩值之和(Mbua+Mbua)或(Mb+Mb)均应分别按顺时针和逆时针两个方Ir向进行计算，并取各自较大值。应该指出，上述公式只适用于梁端箍筋加密区的梁截面剪力设计值Vb的计算，而在塑性校区范围以外，梁的设计剪力取内力组合得到的计算

12、剪力。2斜截面受剪承载力无地震作用组合的剪力，按下式验算：对于均布荷载Vb<0.7ftbh0+l.25fyvAsvhOS对于集中荷载作用下的框架梁(包括有多种荷载、且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),则按下式计算：Vb<Al.75ftbh0+fyvsvh0入+1S在反复荷载作用下，规范根据试验给出了考虑地震作用的框架梁斜截面受剪承载力的计算公式：均布荷载Vb<l丫RE1(0.42ftbh0+l.25fyvAsvhO)S集中荷载Vb<应该指出的是：YRE(A1.05ftbh0+fyvsvh0)入+1S第一，一级、二级、三级和四级抗震等级的框

13、架梁沿梁全长箍筋的面积配筋率PS分别不应小于0.30ft/fyv>0.28ft/fyv>0.26ft/fyv和0.26ft/fyvo第二，在塑性校区，不仅有竖向裂缝，也有斜裂缝。在地震作用下，反复受弯，会产生交叉斜裂缝，竖向裂缝可能贯通，混凝土骨料的咬合作用会渐渐丧失，而主要依靠箍筋和纵筋的销键作用传递剪力，这是十分危险的。因此加密区配筋设计时还应遵循如下构造措施：箍筋加密区长度不得小于2倍梁高(一级抗震)或L5倍梁高(二四级抗震)，且不应小于500mm;不能用弯起钢筋抗剪；加密区箍筋除按受剪承载力计算外，尚应满足表10-4的要求；第一个箍筋应设置在距离节点边缘50mm或以内；非加

14、密区的箍筋最大间距不宜大于加密区箍筋间距的2倍；否则破坏可能转移到加密区之外。在箍筋加密区范围内，箍筋肢距一级抗震等级不宜大于200mm及20倍箍筋直径较大值；二、三级不宜大于250mm及20倍箍筋直径较大值；四级不宜大于300mm。梁端加密区箍筋构造要求表10-4:筋扯人他臊（戟益小的）稿筋殿小E斥hif43JOQ/jfrt中10J3茁几/4&口5（加阿申6注：表中hb为梁高；d为纵筋直径3截面限制条件对于非抗震设计和四级抗震等级的框架梁的受剪截面应符合：Vb<0.25PcfcbhO对于一、二、三级抗震等级的框架梁的受剪截面应符合要求：Vb当上式不满足时，可加宽梁的截面或提高混

15、凝土强度等级。1丫re（0.20p第三节框架柱的抗震设计深刻理解并掌握各项验算或措施的原因及具体内容。比如是如何体现到框架柱的抗震设计中的；为强柱弱梁”的设计原则何角柱的纵筋最小配筋率比中柱大。理解各项验算或措施的原因有利于掌握其具体内容。一、正截面承载力计算抗震设计时框架应符合强柱弱梁”的设计原则，有目的增大柱端弯矩设计值，以延缓柱的屈服。为此，框架柱节点上、下端截面考虑抗震等级的内力设计值应按下列规定采用：1节点上、下柱端的弯矩设计值9度设防烈度的各类框架和一级抗震等级的框架结构刀M01.2刀如且不应小于按下式求得的刀Me值。c一级抗震等级：二级抗震等级：三级抗震等级：刀MEMEM>

16、L4刀Mb>L2刀Mb>L1刀Mbcc四级抗震等级，柱端弯矩设计值取地震作用组合下的弯矩设计值。当反弯点不在柱的层高范围内时，对一、二、三级抗震等级柱端弯矩组合设计值应乘以1.4、1.2、1.1系数；框架顶层和轴压比小于0.15的柱以及四级抗震等级时，考虑地震作用组合的柱端弯矩设计值可直接取地震作用组合下的弯矩设计值。节点上、下柱端的轴向压力设计值，取地震作用组合下各自的轴向力设计值。2.地震时，框架结构底层柱的下端若过早出现塑性较，将会影响整个结构的变形能力，因此，建筑抗震设计规范规定一、二、三级框架此部位的地震作用组合的弯矩设计值应分别乘以增大系数1.50、1.25和1.15,

17、以加强底层柱下端的实际受压承载力。3.对一、二、三级抗震等级的框架结构，考虑到角柱由地震作用引起的内力较大，且受力复杂，所以设计中应按双向偏心受压构件计算，其内力设计值取调整后的弯矩、剪力设计值乘以不小于L30的增大系数；柱端弯矩、轴力设计值求出后，柱子可按压弯构件计算其抗弯承载力，配置纵向受力钢筋。抗震设计中，柱正截面承载力计算与非抗震设计时基本相同，只是需考虑承载力抗震调整系数丫同时，每一侧的配筋百分率不应小于0.2o框架柱全部纵向受力钢筋最小配筋百分率（）表10-5|抗徙设计一夕廉I纽I三级I四级5REo同时纵向受力钢筋尚应满足规范最小配筋率的要求。由于角柱受力复杂，易于破坏，所以其纵筋

18、最小配筋率比中柱大。二、斜截面受剪承载力计算1剪力设计值Vc的取值框架柱考虑抗震等级的剪力设计值Vc应根据上、下柱端的弯矩按静力平衡条件计算。但为了实现强剪弱弯”的设计原则，确保框架柱的受剪承载力大于其受弯承载力，对一、二、三级抗震等级框架柱的剪力设计值，均考虑了增大系数。即：Mctua+McbuaMct+Mcb一级抗震等级：Vc=1.2或Vc=l.4HnHnMct+Mcb二级抗震等级：Vc=1.2HnMct+Mcb三级抗震等级：Vc=l.1Hn对于上面式子中框架柱两端弯矩值之和，应分别按顺时针和逆时针两个方向计算，并取用其较大值。2斜截面受剪承载力非抗震设计时Vc<Al.75ftbh0

19、+fyvsvh0+0.07N入+ls由于反复加载使混凝土的受剪承载力降低，造成构件的受剪承载力降低10%30%o因此规范规定一、二、三级抗震等级框架柱的斜截面受剪承载力的计算公式为：Vc<1丫REA1.05ftbhO+fyvsvhO+O.056N)入+1S注意：在长柱中，按强剪弱弯要求计算的箍筋数量只配在柱端箍筋加密区，其余部分的箍筋数量由内力组合得到的剪力计算得到；而在短柱中，按强剪弱弯要求计算的箍筋数量应全高配置。3截面限制条件框架柱的受剪截面应满足下列要求，这是从防止柱剪切破坏方面限制柱截面的最小尺寸。非抗震设计时Vc<0.25PcfcbhOVc<1(0.20pcfcb

20、hO)抗震设计时剪跨比入>2寸丫RE1剪跨比入W时Vc<丫RE(0.15PcfcbhO)4.箍筋配置的构造要求柱端箍筋震害表明，柱端是框架的薄弱部位，由于框架柱端破坏而引起房屋倒塌的事件时有发生，而加密箍筋撷架中杆、边柱1,(10.a0.70.61.2LG0.90.B是最有效的措施之一，所以箍筋应在下列范围内加密：柱两端在高度等于矩形截面长边尺寸或圆柱截面直径、柱净高之1/6、500mm三者中的最大值范围内；底层柱，柱根不小于柱净高的1/3;当有刚性地面时，除柱端外尚应取刚性地面上、下各500mm范围内；剪跨比不大于2的柱、因设置填充墙等形成的柱净高与柱截面高度之比不大于4的柱和一

21、、二级框架的角柱，取全高。箍筋加密区的箍筋数量除满足受剪承载力外，也要满足一定轴压比下体积配箍率pVpV入vfc/,洪中入是柱最小配箍特征值，宜按表10-6采用）的要求，同时还应满足最大允许间距和最小直径的要求（表柱箍筋加密区10-7）o的箍筋最小配箍特征值表10-6r日日前叭止林轴1卜叮11-1n5卿fl07OHU斗E0i.(»?Dili<.nO.Biiii1150.117ii.i.0.2?1tlwUJLri15(ir411IKI口1*-hiiM(HMOilM,|iIH,I17(»ly10.22IL：JIftfii.盥备宙左赳也冷甘叱1氓展由小NHJht)H711.

22、1w*11fit仆席0.21'iU.22rr-uflw.vrrn*WXL眉00J0H«111II15O'1?,ojn1IJ2艇方勺一二茨电蛰奴ffw供邮匠拆qjuIt0.ti7SI.fiMOIL(IUo«?UJO注：普通箍指单个矩形箍和单个圆形箍；复合箍指由矩形、圆形、多边形箍或拉筋组成的箍筋；复合螺旋箍指由螺旋箍与矩形、圆形、多边形箍或拉筋组成的箍筋；连续复合矩形螺旋箍指全部螺旋箍箍筋为同一根钢筋加工而成的箍筋。柱端加密区箍筋构造要求表10-7拉*2卒梆褊祸诫尢加册.汕国小们mmiKii筋站小1窗卜（mm»fuJjOOK</JOOKJJ50

23、f杆1梁100)10a6uiiyKJ注：d为柱纵筋最小直径；柱根指框架底层柱的嵌固部位。抗震设计时，考虑到柱子在层高范围内剪力不变及可能的扭转影响，为避免柱子非加密区的受剪能力突然降低很多，造成柱子中段破坏。所以规范规定，非加密区的箍筋不宜少于加密区箍筋的50%,且箍筋间距，一、二级框架柱不应大于10倍纵筋直径d,三、四级框架柱不应大于15d。第四节梁柱节点的抗震设计梁柱节点是保证框架结构整体性的关键，只有防止节点过早地出现剪切和压缩的脆性破坏，框架梁、柱的延性设计才有意义。因此，对框架节点应遵循强节点的设计原则进行抗震设计，以保证它具有足够的受剪承载力。因此，需深刻理解并掌握梁柱节点的各项验算或措施的原因及具体内容。震害分析表明，不同烈度地震作用下，节点的破坏程度不同，因而对其应有不同的承载力和延性要求。为此，规范规定：一、二级抗震等级的框架必须进行节点核心区受剪承载力计算；三、四级抗震等级的框架节点核心区，可不进行计算，但应符合构造措施要求。一、节点剪力设计值VjIrMbua+MbuahbO-as，Vj=1.15?(1-)'Hc-hbhbO-as上式即为9度和一级抗震等级时，底层和中间层柱节点的剪力