第6章-钢筋混凝土框架构件设计

第六章钢筋混凝土框架设计和构造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)能维持承载实力而又具有较大的塑性变形的实力。截面起先屈服——My、y、fy、y截面破坏——Mu、u、fu、u

(2)截面和构件的塑性变形实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/y6.1.2

延性框架设计基本措施(1)钢筋混凝土框架延性的“塑性铰限制”理论基本要点:允许某些截面出现塑性铰，吸取、耗散地震能量；限制塑性铰出现部位——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实力和吸取耗散能量的实力；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钢筋混凝土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，具有塑性变形实力。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，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实力大于抗弯承载实力，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)影响钢筋混凝土梁延性的因素：值：↓，延性好。见图6-4(2)改善钢筋混凝土梁延性的措施：——减小x()见图6-5——梁端塑性铰区箍筋加密——塑性铰外移见图6-66.2.3框架梁的截面设计1.钢筋混凝土梁的正截面承载力：(1)梁的正截面承载力计算不考虑地震作用的组合时：γ0S≤R0M≤Mu）

考虑地震作用的组合时：SE≤RE/γRE

ME≤MuE/RE抗震设计中的正截面承载力干脆接受静载作用下的承载力计算公式，即：RE=R（MuE=Mu）

ME≤MuE/

RE=Mu/

RE（或

REME≤Mu）对单筋矩形截面，Mu=Asfy(h0-x/2)由平衡条件X=0：双筋矩形截面：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：

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，另满足：一级抗震等级：As/As≥0.5二、三级抗震等级：

As/As≥0.3

∴框架梁两端(支座截面)必需是双筋截面。(2)正截面构造要求计入纵向受压钢筋的梁端塑性铰区混凝土受压区高度：一级抗震等级：

x≤0.25h0二、三级抗震等级：

x≤0.35h0

注：一、二、三级框架梁塑性铰区以外的部位、四级框架梁、非抗震框架梁x≤ξbh0。抗震设计时，梁端纵向受拉钢筋的配筋率不宜大于2.5%。抗震设计时，纵向受拉钢筋的最小配筋率(%)(pp191表6-1)抗震等级一二三、四支座0.40，80ft/fy0.30，65ft/fy0.25，55ft/fy跨中0.30，65ft/fy0.25，55ft/fy0.20，45ft/fy非抗震设计框架的要求同一般钢筋混凝土结构——max(0.20，45ft/fy)。在抗震设计中，为保证梁端的延性，要求框架梁梁端的纵向受压及受拉钢筋的比例As/A's不小于0.5(一级)或0.3(二、三级)。梁端有箍筋加密区，箍筋间距较密，能充分发挥受压钢筋的作用；所以，在验算梁端截面混凝土受压区高度与有效高度之比值时，可以按双筋梁考虑。在计入受压钢筋的作用后，梁端截面的相对受压区高度x/h0值即可减小很多，即使梁的高度较小，例如取到跨度的1/18，一般也能满足要求。避开焊接损伤纵向钢筋：焊接，特殊是十字交叉形的焊接简洁使钢筋变脆，不利于抗震。因此，应避开将梁、柱纵筋与箍筋、拉筋、埋件等焊接，尤其是在抗震设计的场合，更应加以留意。2.梁的斜截面承载力计算(1)抗震设计中接受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：

Vb≤VuE/RE=（0.6Vc+Vs)/RE或：

REVb≤(0.6Vc+Vs)抗震设计的框架梁承载力计算一般框架梁：REVb≤0.42ftbh0+fyvAsvh0/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%以上的状况的框架梁：REVb≤1.05ftbh0/(+1)+fyvAsvh0/s0Vb≤0.7ftbh0+1.0fyvAsvh0/s非抗震设计的一般框架梁：(2)依据“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。Mlbua、Mrbua——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：Mbua=Asfyk(hb0－a)

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。(3)

梁斜截面有关构造规定截面尺寸和混凝土强度：考虑地震作用组合时，当跨高比l0/h≥2.5时，Vb≤(0.20cfcbh0)/RE

；

当跨高比l0/h<2.5时，Vb≤(0.15cfcbh0)/RE

。在强柱弱梁和强剪弱弯的状况下，不宜接受加大梁高度的作法；常常接受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（pp191表6-2)。当梁端纵向钢筋配筋率大于2％时，表中箍筋最小直径应增大2mm。

梁高(mm)Vb>0.7ftbbhb0Vb0.7ftbbhb0150<hb≤300150200300<hb≤500200300500<hb≤800250350hb>800300400在非加密区，箍筋间距按下表接受，并不少于加密区箍筋数量的50％。抗震等级加密区长度(取较大值)箍筋最大间距(取较小值)箍筋最小直径(取较大值)一2.0hb，500mmhb／4，6d，100mm10二1.5hb，500mmhb／4，8d，100mm8三1.5hb，500mmhb／4，8d，150mm8四1.5hb，500mmhb／4，8d，150mm6第一个箍筋应设置在距支座边缘50mm处。钢箍必需做成封闭箍，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——s→fy；y→fy；c→fc(2)剪切受压破坏：有确定延性——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，sv→fyv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2.

轴压比NN=NE/(bchcfc)(1)N越小，延性越好。(2)轴压比的限制值见下表(pp200表6-4)：见图6-8对称配筋柱，混凝土的相对受压区高度与轴压比有关。3.

剪压比V：V=VE/(

bchc0fc)(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/RE——≤24.柱端的箍筋配置箍筋的作用：见图6-9干脆担当剪力；约束混凝土；防止纵筋压曲。见图6-10配箍特征值V:λv越大对混凝土约束越强，混凝土极限压应变越大。6.3.3

柱的正截面承载力计算1.计算公式：NE≤NuE/

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倍一级框架结构及9度时的框架：Mc≥1.2Mbua

∑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；∑Mbua——同一节点左右梁端截面抗弯承载力之和。

Mc——对框架结构，二、三级抗震等级分别取为1.5、1.3；对其它结构中的框架，一、二、三、四级分别取1.4、1.2、1.1和1.1。顶层柱、柱轴压比小于0.15的柱不调整。

(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1.7、1.5和1.3。计算偏心距e0=M/N时，接受按“强柱弱梁”、“强底层柱”、角柱调整要求调整后的柱端弯矩Mc。(3)角柱弯矩调整一、二、三、四级框架角柱经上述调整后的弯矩、剪力设计值，应乘以不小于1.1的增大系数。抗震结构中柱截面最小配筋率（全截面%）

注：表中括号内数值适用于框架结构；柱截面每一侧纵向钢筋配筋率不应小于0.2％。

3.

柱正截面构造规定最小配筋率(见下表pp200表6-3)

、全柱最大配筋率(≤5%)。对称配筋。最小截面尺寸[300mm(400mm)，圆柱d≥350~400mm]。纵筋接头要求。纵筋间距(≤200mm)。截面尺寸大于400mm的柱，一、二、三级抗震设计时其纵向钢筋间距不宜大于200mm；抗震等级为四级和非抗震设计时，柱纵向钢筋间距不宜大于300mm；柱纵向钢筋净距均不应小于50mm。全部纵向钢筋的配筋率，非抗震设计时不宜大于5％、不应大于6％，抗震设计时不应大于5％。一级且剪跨比不大于2的柱，其单侧纵向受拉钢筋的配筋率不宜大于1.2％。边柱；角柱及剪力墙端柱考虑地震作用组合产生小偏心受拉时，柱内纵筋总截面面积应比计算值增加25％。6.3.4

柱的斜截面承载力1.

计算公式：VE≤VuE/

RE

VuE=0.6Vc+Vs即：Vc≤VuE/RE=（0.6Vc+Vs)/RE

轴力为压力：轴力为拉力：2.剪力调整：

（1）按柱“强剪弱弯”要求调整平衡条件：强剪弱弯要求：对框架结构，二、三级vc分别取1.5和1.3；对其它结构中的框架，一、二、三级、四级，vc分别为1.4、1.2、1.1和1.1。一级框架结构和9度时的框架：Mtc、Mbc——由内力组合得到的柱上、下端的最不利设计弯矩。Mtcua、Mbcua——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.

柱的斜截面构造要求(1)最小截面尺寸：无地震组合时：

Vc≤0.25cfcbchc0

有地震组合时：

>2的柱：Vc

≤(0.20cfcbchc0)

RE

≤2的柱：Vc

≤(0.15cfcbchc0)

RE

（2）角柱剪力调整一、二、三、四级框架角柱，经上述调整后的剪力设计值，应乘以不小于1.1的增大系数。(2)柱的箍筋箍筋形式：一般矩形箍、螺旋箍、复式箍等。箍筋加密区范围：底层柱的上端和其他各层柱的两端——取柱净高的1／6、柱截面长边尺寸hc(或圆柱直径)

或500mm三者中的较大值。剪跨比不大于2的柱；因填充墙等形成的短柱；一、二级抗震等级的角柱和框支柱；需提高变形实力的柱——取柱全高。在底层柱基础较深而又遇有刚性地坪时——刚性地坪地坪上下各500mm范围。

底层柱柱根以上1／3柱净高的范围；加密区箍筋数量(pp203表6-6)：抗震等级箍筋最大间距(取较小值)箍筋最小直径(取较大值)一6d，l00mm10二8d，l00mm8三8d，150mm(柱根l00mm)

8四8d，150mm(柱根l00mm)

6

(柱根8)加密区体积配箍率：且：一级：v≥0.8％；二级：v≥0.6％；三、四级：v≥0.4％。≥vfc／

fyvλv——最小体积配箍特征值，见pp202表6-5）加密区的箍筋肢距：一级不宜大于200mm；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箍筋或少箍筋，在剪压作用下混凝土出现斜裂缝，然后挤压裂开，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。(4)节点抗震设计一、二、三级框架的节点核心区应进行抗震验算；四级框架节点可不进行抗震验算。

。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，简洁出现粘结破坏(见下图)。节点设计剪力——由强节点要求，能反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倍一级框架结构和9度时的一级框架：

一级、二级、三级框架的其它状况：∑Mb——节点左右梁端组合弯矩设计值之和；∑Mbua——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——强节点系数。对框架结构，一级取1.5，二级取1.35，三级取1.2；对其它结构中的框架，一级取1.35，二级取1.2，三级取1.1；Hc——柱的计算高度，可接受节点上、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度时一级：

(2)在一、二、三级框架节点，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

≤(0.30