工程结构抗震课件：第6章 多层及高层钢筋混凝土房屋抗震设计(以框架结构为主)

1、第6章 多层及高层钢筋混凝土房屋抗震设计(以框架结构为主) 工程抗震6.1 多高层建筑的主要震害 1）过大的地震作用； 2）结构不对称导致建筑物的扭转变形破坏； 3）竖向刚度突变的楼层； 4）框架柱、梁、节点破坏； 5）填充墙的地震破坏； 6）剪切墙（剪力墙）破坏主要是X型裂缝的剪切破坏等。破坏例(柱破坏是致命的)破坏例(节点破坏)6.2 多高层结构体系6.2.1、多高层建筑的主要结构形式 框架、抗震墙、框架-抗震墙，框架-筒体结构等。 1）框架结构：梁柱组成的杆系结构，多层建筑中应用很广，特点是刚度小、变形大，布置灵活。 2）抗震墙：侧向刚度大，布置不太灵活（空间分割受到影响）。 3）筒体结

2、构：闭口截面（筒状），刚度大、布置也相对比较灵活（电梯井等）。超高层、商业、办公楼等 规范在大量的设计经验以及经济性、地震灾害调查等基础上，对不同的结构形式规定了地震区的最大适用高度、最大宽高比。立面要求（数据以规范为准）1）建筑物侧向刚度下大上小、逐渐变化。2）楼层侧向刚度不宜小于相邻楼层侧向刚度的70%，或其上相邻平均值的80%对立面尺寸都有明确的规定。6.2.2 现浇钢筋混凝土房屋的抗震设计等级规范根据房屋设防类别、烈度、结构形式和高度，把房屋抗震设计分为四个等级。不同抗震等级有相应的计算方法和构造措施。6.2.3 抗震设计的一般要求（框架结构） 1) 承重框架双向设置。2) 楼梯、电梯

3、不应引起偏心。3) 高度方向刚度不宜突变。4) 避免鞭梢效应。5) 遵守“强柱弱梁”、“强剪弱弯”、强节点、强锚固的原则。6) 柱截面不宜过小，控制侧向变形和轴压比。7) 梁与柱轴线尽量重合。8) 合理选用梁的截面尺寸。9) 用轻质的填充墙材料等。（对于框-剪结构）1）剪力墙(抗震墙)布置均匀、对称。2）剪力墙沿结构纵横向布置，相互连接T、L、十形等，提高刚度。3）剪力墙与柱中心线尽量重合。4）剪力墙尽量布置在端部，但不宜布置在外墙。5）剪力墙开洞时尽量上下对齐。6）剪力墙在高度方向贯通，刚度不发生突变。7）剪力墙数量满足结构的侧向刚度为宜，不宜太多等等。6.3、框架结构抗震设计步骤与计算与结

4、构抗震设计相关的内容1）结构动力特性计算（自振周期、振型）2）地震作用（荷载）、结构位移和内力计算（效应）3）结构内力组合计算4）截面设计（按组合的结果进行截面设计，安全验算自动得到了保证）5）按规范规定满足相关构造的要求 6.3.1 水平地震作用下的楼层结构计算1）地震荷载方向：横向和纵向（建筑物主轴）2）计算单位：独立的振动体（抗震缝作为分隔单位）3）地震作用位置：集中在楼层4）作用在楼层的地震荷载：振型分解反应谱方法、底部剪力法、时程分析法。底部剪力法是一种适用于手算的简化方法，根据自振频率、假定的倒三角形振型计算地震作用。计算过程示意图 6.3.2 水平地震作用下结构构件内力计算在楼层

5、水平地震作用下的结构内力和位移，一般采用电算方法，也可以近似算法，框架结构采用手算时，一般采用D值法计算。计算步骤：1）计算各层柱的侧移刚度Kc为柱的线刚度，h为楼层高度，为节点转动影响系数，根据梁柱线刚度计算。2）计算各柱分配的剪力VijVij 第i层第j根柱所分配的地震剪力Vi 第i层楼层剪力Dij 第i层第j根柱的侧移刚度Dij 第i层所有柱侧移刚度之后3）计算反弯点高度 y=(y0+y1+y2+y3)hy0 标准反弯点高度比（查表）y1 当上下层梁线刚度不同时，对y0的修正（根据相对线刚度大小不同分两种情形）y2 当上层层高与本层层高不同时，对y0的修正y3 当下层层高与本层层高不同时

6、，对y0的修正（4）计算柱端的弯矩（5）梁端的弯矩（6）计算梁端的剪力（7）计算柱的轴力：根据平衡条件计算得到 6.3.3 竖向荷载作用下框架内力计算分层法和弯矩二次分配法。分层法：（1）该层梁与上下柱组成计算单元，每层只承受该层竖向荷载，不考虑其他层荷载。（2）考虑柱的远端为弹性约束，对柱子的线刚度折减0.9（底层除外）。（3）弯矩传递系数1/2改为1/3。（4）用弯矩分配法计算框架弯矩，叠加起来得到整个框架的弯矩。节点不平衡弯矩可再分配一次，但是不再传递。（5）柱的最终弯矩由上、下层单元框架弯矩的叠加。弯矩二次分配法：各节点的不平衡弯矩同时作分配和传递，第一次按梁柱线刚度分配固端弯矩，将分

7、配弯矩传递一次（传递系数1/2），再作一次弯矩分配。计算过程为：1）计算固端弯矩2）分配3）传递4）分配弯矩调幅：1）减小节点的弯矩，利于配筋2）有利于强柱弱梁设计，让梁端首先进入塑性范围3）支点调幅以后，梁跨中的弯矩增加。4）只对竖向荷载作用下的内力进行调幅。6.3.4 内力组合设计时根据可能出现的最不利情况确定内力设计值，然后进行截面配筋设计。（1）梁的组合内力：支座负弯矩： -M=-RE(1.2MGE+1.3MEK) -M=-0(1.2MGk+1.4MQK)支座正弯矩： M=RE(1.3MEk-1.0MGE)跨间正弯矩： M=RE(1.2MGE+1.3MEK) M=0(1.2MGk+1.

8、4MQK)梁端剪力为： V=RE(1.2VGE+1.3VEK)vb V=0(1.2VGk+1.4VQK)Ek地震效应标准值GE重力效应Qk活载效应标准值vb剪力增大系数0结构重要性系数（2）柱的组合内力：单向偏心受压 Mx=RE(1.2MGEx+1.3MEx) N=RE(1.2NGE+1.3NEx) Mx=0(1.2MGkx+1.4MQKx) N=0(1.2NGk+1.4NQK)双向偏心受压（x方向地震力时） Mx=RE(1.2MGEx+1.3MEx) My=RE(1.2MGEy) N=RE(1.2NGE+1.4NEx)（详细参照规范）设计采用的控制截面不是截面轴线处，而是构件端部6.3.2

9、框架结构位移验算框架为柔性结构，变形问题突出，需要验算变形。框架结构的位移验算包括：1）多遇地震时弹性层间位移2）罕遇地震下层间弹塑性位移1）多遇地震时弹性层间位移 ueeh e=1/550; h层高2）罕遇地震下层间弹塑性位移(薄弱层) 不超过12层，且刚度无突变的框架简化计算得到 upph p=1/50（某些情况下可以提高） up=p uep弹塑性位移增大系数，与楼层屈服强度系数y有关。 y(i)=Vy(i)/Ve(i)Ve(i) 罕遇地震作用时第i层的弹性地震剪力（地震影响系数取max，罕遇地震）Vy(i)第i层根据结构设计计算得到的楼层抗剪承载能力。楼层抗剪承载能力1）为楼层各柱屈服承

10、载力的相加2）每一根柱子的抗剪承载能力有上下两端的抗弯承载能力确定3）节点的极限承载能力与节点破坏形式有关6.3.3 钢筋混凝土框架结构构件截面设计基本要求：1）强柱、强节点、强锚固弱梁2）足够的剪切强度（不发生弯剪破坏）3）良好的延性（核心混凝土，套箍作用）结构安全验算（构造要求）包括如下几个部分：（1）梁剪切强度验算剪力设计值 V=vb(Mlb+Mrb) /ln+VGb9度和一级框架还应符合 V=1.1(Mlbua+Mrbua) /ln+VGbln净跨；vb为梁端剪力增大系数，一级1.3，二级1.2，三级1.1VGb在重力荷载代表值(9度时高层建筑包括竖向地震荷载标准值)作用下按简支梁计算

11、得到的梁端截面剪力设计值。Mlb、Mrb 梁端弯矩顺时针或反时针组合的设计值，一级框架两端都是负值时，一端取零。Mlbua、Mrbua根据配筋、材料强度标准值计算得到的弯矩承载能力设计值。（2）梁剪压比限值截面平均剪应力与混凝土轴心抗压强度设计值得比V/fcbh0为了限制梁塑性铰区的截面剪应力对延性影响（截面不能太小）。剪力设计值满足下式条件： 跨高比大于2.5 跨高比不大于2.5（3）梁斜截面受剪承载力在反复荷载作用下，混凝土的抗剪能力明显降低。规范规定框架梁斜截面剪切承载力按下式验算(所有的公式要确认)Asv：箍筋面积fyv ：箍筋抗拉设计值主要是受集中荷载作用时（为计算截面的剪跨比）（4

12、）提高梁延性的构造措施梁截面延性的主要因素：截面尺寸、纵向钢筋配筋率、剪压比、配箍率、材料的强度等级等。1）截面尺寸：不宜太小、跨高比不能太小2）纵向钢筋配筋率：限制受压区的高度（限制配筋率）3）梁纵筋配置：配置受压区的纵筋（地震荷载为反复荷载；减小受压区高度）。如何配置受压区的纵筋，规范根据根据抗震等级作了比较具体的规定。4）箍筋加密：箍筋对混凝土具有套箍作用，在塑性铰位置一般加密箍筋间距。（5）框架柱截面设计基本原则1）强柱弱梁，柱尽量不出现塑性铰2）不发生剪切破坏3）控制轴压比不要太大4）加强横向约束（套箍作用）1）强柱弱梁的原则确定柱弯矩设计值上下柱端的极限抗弯承载力之和大于梁端极限抗

13、弯承载力之和。 设计弯矩Mc=cMb (c:弯矩增大系数，与等级有关)设计时应特别加强底层柱子的强度，不应过早出现塑性2）强剪弱弯原则确定柱子设计剪力设计剪力按下式调整（考虑增大系数）9度和一级框架还要满足3）限制剪压比原则确定截面尺寸的要求设计剪力按下式调整（考虑增大系数）剪跨比大于2剪跨比不大于24）斜截面承受剪力承载力（考虑反复荷载影响）5）控制轴压比和柱内纵向钢筋配。配筋率也不宜过大，规范同时也规定了最大配筋率。详细参见规范。出现拉力时0.650.750.600.750.850.700.850.956）柱端箍筋配置加密 柱端为塑性铰发生的位置，箍筋可以起到混凝土的套箍作用、防止纵筋屈服

14、作用、提高剪切作用等。 加密区间、构造要求、与轴压比关系等根据规范要求执行（对抗震性能非常重要）。（6）框架节点抗震设计节点破坏对结构抗震性能有影响严重。节点破坏形式：剪切破坏、锚固失效设计原则：强节点、弱构件设计的基本要求1）节点的强度高于其他连接构件的承载力2）多遇地震时，节点在弹性范围内工作3）罕遇地震时，节点有足够竖向荷载承载能力4）梁柱钢筋在节点的锚固可靠5）考虑施工性1）剪力设计值（三、四级框架一般不需要计算）c：强节点系数，一级1.35，二级1.2Mb节点左右梁端反时针或顺时针方向组合弯矩设计值之和Mbua节点左右梁端反时针或顺时针方向根据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梁弯曲产生的剪力减去柱的剪力2）剪压比限值为了防止斜压破坏，控制剪压比