钢筋混凝土框架结构抗震设计

钢筋混凝土框架结构抗震设计第一页，共31页。一、结构层间屈服强度有明显的薄弱楼层12.1震害及其分析12345678910111213(mm)层13567911134080120

在强烈地震作用下，结构的薄弱楼层率先屈服、发展弹塑性变形，并形成弹塑性变形集中的现象，不能发挥整体的抗震能力。1976年唐山大地震中，位于天津塘沽区的天津碱厂十三层蒸吸塔框架，该结构楼层屈服强度分布不均匀，造成6层和11层的弹塑性变形集中，导致6层以上全部倒塌。

右图为该结构输入天津波的弹塑性分析结果。第二页，共31页。二、框架梁、柱的震害

梁柱变形能力不足，构件过早发生破坏。一般是梁轻柱重，柱顶重于柱底，尤其是角柱和边柱更易发生破坏。1、柱顶

柱顶周围有水平裂缝、斜裂缝或交叉裂缝。重者混凝土压碎崩落，柱内箍筋拉断，纵筋压曲成灯笼状。

主要原因：节点处弯矩、剪力、轴力都较大，受力复杂，箍筋配置不足，锚固不好等。

破坏不易修复。第三页，共31页。2、柱底

与柱顶相似，由于箍筋较柱顶密，震害相对柱顶较轻。第四页，共31页。3、短柱

当柱高小于4倍柱截面高度（H/b<4)时形成短柱。短柱刚度大，易产生剪切破坏。第五页，共31页。4、角柱

由于双向受弯、受剪,加上扭转作用，震害比内柱重。5、梁柱节点

节点核心区产生对角方向的斜裂缝或交叉斜裂缝，混凝土剪碎剥落。节点内箍筋很少或无箍筋时，柱纵向钢筋压曲外鼓。

节点破坏的主要原因是节点的受剪承载力不足，约束箍筋太少，梁筋锚固长度不够以及施工质量差所引起。6、框架梁

震害多发生于梁端。在地震作用下梁端纵向钢筋屈服，出现上下贯通的垂直裂缝和交叉裂缝。破坏的主要原因是梁端屈服后产生的剪力较大，超过了梁的受剪承载力，梁内箍筋配置较稀，以及反复荷载作用下混凝土抗剪强度降低等。

节点破坏将导致梁柱失去相互之间的联系。第六页，共31页。三、填充墙的震害

砌体填充墙刚度大而承载力低，首先承受地震作用而遭破坏。一般7度即出现裂缝，8度和8度以上地震作用下，裂缝明显增加，甚至部分倒塌，一般是上轻下重，空心砌体墙重于实心砌体墙，砌快墙重于砖墙。

框架-剪力墙结构上部较严重，框架结构下部震害严重。第七页，共31页。

填充墙破坏的主要原因是：墙体受剪承载力低，变形能力小，墙体与框架缺乏有效的拉结，在往复变形时墙体易发生剪切破坏和散落。第八页，共31页。四、防震缝的震害

防震缝宽度过小，地震时结构相互碰撞造成震害。

总结以上震害调查结果，除注意场地和地基因素外，从结构上主要应注意：1）结构的刚度在平面上和沿竖向的分布要规则、均匀；2）结构构件要有足够的承载力和延性；3）重视构造，加强对混凝土的约束，防止剪切、锚固等脆性破坏；4）保证施工质量。第九页，共31页。12.2结构选型一、房屋的适用最大高度《抗震规范》规定：乙、丙和丁类建筑的框架结构和框架-抗震墙结构适用的最大高度应不超过下表的规定。甲类建筑适用的最大高度应专门研究。50100120130框架-抗震墙结构25455560框架结构9876结构类型烈度现浇钢筋混凝土房屋适用的最大高度（m)注：1.房屋高度指室外地面到主要屋面板板顶的高度（不包括局部突出屋顶部分）；

2.超过表内高度的房屋，应进行专门研究和论证，采取有效的加强措施；

3.平面和竖向均不规则的结构或建造在Ⅳ场地的构，使用的最大高度应适当降低（一般降低20%左右）。第十页，共31页。二、结构的抗震等级地震作用下，钢筋混凝土结构的地震反应有下列特点：1、地震作用越大，房屋的抗震要求越高；2、结构的抗震能力主要取决于主要抗侧力构件的性能；3、房屋越高，地震反应越大，抗震要求越高。

地震作用与烈度、场地等有关，从经济角度考虑，对不同烈度、场地的结构的抗震要求可以有明显的差别。

主、次抗侧力构件的抗震要求应有差别。

抗震等级是确定结构构件抗震计算和抗震措施的标准。根据设防烈度、房屋高度、建筑类别、结构类型及构件在结构中的重要程度确定，共分四个等级，一级最高。第十一页，共31页。

下表为丙类建筑抗震等级的划分：一一一

抗震墙一一二二三三四

框架≤50>60≤60>60≤60>60≤60

高度（m)

一剧场,体育馆等大跨度公共建筑一一二二三三四

框架≤25>30≤30>30≤30>30≤30

高度（m)框架-抗震墙结构框架结构结构类型烈度6879三二一三二现浇钢筋混凝土房屋的抗震等级注：1.建筑场地为Ⅰ类时，除6度外可按表内降低一度所对应的抗震等级采取抗震构造措施，但相应的计算要求不应降低；

2.接近或等于高度分界时，应允许结合房屋不规则程度及场地、地基条件确定抗震等级。甲、乙、丁类建筑应按抗震设防标准中的抗震措施所要求的设防烈度按上表确定抗震等级。第十二页，共31页。12.3结构布置原则一、钢筋混凝土结构的抗震设计特点使用阶段或在常遇地震作用时，结构在弹性范围工作；在基本烈度地震作用时,结构在弹塑性范围工作;在罕遇烈度地震作用时,结构亦在弹塑性范围工作;程度不同第十三页，共31页。二、钢筋混凝土结构的概念设计1.设置多道抗震防线；2.合理控制结构的弹塑区部位；1）结构有较好的塑性内力重分布能力；2）结构有较宽的约束屈服范围及极限变形；3）局部破坏不致导致整个结构失效及具有易于修复的可能性。3.加强结构的整体性和构件间的连接；4.抗侧力构件的刚度、强度、延性应有适当的对应关系；5.上部结构应与地基条件适应。第十四页，共31页。三、建筑结构布置宜规则（平面、立面）四、合理设计结构破坏机制

为了充分发挥整个结构的抗震能力，较合理的地震破坏机制应为节点基本不破坏，梁比柱的屈服能早发生、多发生；同一层中，各柱两端屈服历程越长越好；底层柱底的塑性铰宜最晚发生。梁柱端的塑性铰出现得尽可能分散。1、双向设置钢筋混凝土框架结构2、“强柱弱梁”3、“强节点弱构件”第十五页，共31页。五、结构构件的延性（在极限破坏前不发生明显的脆性破坏）

主要抗侧力的钢筋混凝土构件的极限破坏应以构件弯曲时主筋受拉屈服破坏为主，应避免变形性能差的混凝土首先压溃或剪切破坏，以及钢筋锚固失效和粘接破坏。

延性破坏和脆性破坏两者的变形性能差别很大，与其相关的因素有：抗剪和抗弯承载力之比、剪跨比、剪压比、轴压比、主筋率、配筋率、箍筋形式、混凝土和钢筋材料、钢筋连接和锚固方式等。规范中许多规定都属于这方面的要求。

“强剪弱弯”第十六页，共31页。

当建筑平面过长、结构单元的结构体系不同、高度和刚度相差过大以及各结构单元的地基条件有较大差异时，应考虑设防震缝。其最小宽度应符合下面要求：高层建筑宜选用合理的建筑结构方案，不设防震缝。1、防震缝（1）钢筋混凝土框架房屋的防震缝宽度，当高度不超过15m时可采用70mm，超过15m时，6、7、8、9度相应每增加高度5m、4m、3m、2m，宜加宽20mm。六、防震缝与抗撞墙（2）框架-抗震墙结构房屋的防震缝宽度可采用框架规定数值的50%，且不宜小于70mm。（3）防震缝两侧结构类型不同时，按不利体系考虑，并按低的房屋高度计算缝宽。th框架框架-抗震墙第十七页，共31页。8、9度设防的钢筋混凝土框架房屋防震缝两侧的结构，当结构高度、刚度或层高相差较大时，可在防震缝两侧房屋的尽端设垂直于防震缝的抗撞墙。2、抗撞墙层高不同高度、刚度相差较大

每一侧的数量不应少于两道。宜分别对称布置，墙肢的长度可不大于一个柱距。

内力应按考虑和不考虑抗撞墙两种情况进行分析，按不利情况取值。

抗撞墙的端柱和框架边柱箍筋应沿房屋全高加密。第十八页，共31页。1）平面或楼层有局部薄弱环节，不能发挥整体抗震能力。一、震坏房屋在设计上存在的问题2）梁柱变形能力不足，构件过早破坏；3）梁柱节点箍筋不足，节点受震破坏，梁柱失去了相互之间的联系；4）砌体添充墙破坏；5）其他。12.4钢筋混凝土框架的抗震设计第十九页，共31页。1）框架塑性效应较多地发生在梁端，底层柱的塑性效应较晚形成；二、框架结构抗震设计的正确指导思想2）梁柱在弯曲破坏前，避免发生其它形式破坏，如剪切破坏、粘结破坏等；3）在梁、柱破坏之前，节点应有足够的强度即变形能力；4）重视非结构构件设计。强柱弱梁，强剪弱弯，更强的节点第二十页，共31页。两种破坏形式三、“强柱弱梁”框架的抗震设计弱柱型弱梁型

为了使塑性铰首先在梁中出现，同一节点柱的抗弯能力要大于梁的抗弯能力。第二十一页，共31页。

抗震规范规定：一、二、三级框架的梁柱节点处，除顶层和柱轴压比小于0.15者外，柱端组合弯矩设计值应符合下列公式要求9度和一级框架结构尚应符合：---节点上下柱端截面顺时针或逆时针方向组合的弯矩设计值之和;---节点左右梁端截面逆时针或顺时针方向组合的弯矩设计值之和；---节点左右梁端截面逆时针或顺时针方向根据实配钢筋面积（考虑受压筋）和材料强度标准值计算的抗弯承载力所对应的弯矩值之和；---柱端弯矩增大系数，一级为1.4,二级为1.2,三级为1.1。

为了不使框架底层柱过早出现塑性铰，规范规定：一、二、三级框架底层柱底截面组合的弯矩设计值应分别乘以增大系数1.5、1.25、1.15。第二十二页，共31页。1.梁、柱的抗剪强度要高于它的抗弯强度（强剪弱弯）9度和一级框架结构尚应符合：四、梁、柱延性破坏之前不发生其它脆性破坏的抗震设计

为了避免梁在弯曲破坏前发生剪切破坏，应按‘强剪弱弯’的原则调整框架梁端部截面组合的剪力设计值：一、二、三级框架梁---梁在重力荷载代表值（9度时高层建筑还应包括竖向地震作用标准值）作用下，按简支梁分析的梁端截面剪力设计值；--分别为梁左、右端逆时针或顺时针方向正截面组合的弯矩设计值;---梁的剪力增大系数，一级为1.3,二级为1.2,三级为1.1。---梁的净跨；---分别为梁左、右端逆时针或顺时针方向根据实配钢筋面积(考虑受压筋)和材料强度标准值计算的抗弯承载力所对应的弯矩值；第二十三页，共31页。跨高比大于2.5时：

剪压比：截面内平均剪应力与混凝土抗压强度设计值之比，即2.梁、柱截面的剪压比不宜过大

剪压比过大,混凝土会过早发生斜压破坏,箍筋不能充分发挥作用,它对构件的变形能力也有显著影响。因此应控制。跨高比等于或小于2.5时：---梁端部截面组合的剪力设计值；---梁的截面有效高度；---混凝土轴心抗压强度设计值；---梁的截面宽度；---承载力抗震调整系数。第二十四页，共31页。

剪跨比宜大于2，剪跨比按下式计算：3.梁、柱的剪跨比要有所限制---剪跨比，取两端计算结果的较大值；---端截面组合剪力计算值；---端截面组合弯矩计算值；---截面有效高度。

反弯点位于中部时，可按构件净长与2倍截面高度之比计算。第二十五页，共31页。N为组合轴压力设计值；b、h为柱的短长边；fc为混凝土抗压强度设计值。轴压比：柱组合的轴压力设计值与柱的全截面面积和混凝土抗压强度设计值乘积之比,即：4、柱的轴压比不宜过大

它是控制偏心受拉边钢筋先到抗拉强度，还是受压区混凝土先达到其极限压应变的主要指标。柱的变形能力随轴压比增大而急剧降低。规范规定：

柱轴压比不应超过下表，但Ⅳ类场地上的较高高层建筑柱轴压比限值应适当减小。0.900.950.800.850.700.75框架框架-剪力墙三二一结构类型抗震等级柱轴压比限制第二十六页，共31页。

为此，框架梁的纵向配筋应符合下列要求：

为了提高梁的正截面塑性铰转动延性，梁的纵向配筋率不宜过高。5、纵向钢筋的配筋率应该合适

（a)梁端纵向受拉钢筋的配筋率不应大于2.5%；梁端截面最大配筋率应使梁端截面的受压区相对高度（即截面受压区高度与有效高度比）应满足：一级不应大于0.25,二、三级不应大于0.35;

（b)梁端或任何可能屈服截面处，下部与上部配筋量的比值，一级不应小于0.5,二三级不应小于0.3。

（c)沿梁全长顶面和底面的配筋，一二级不应少于且分别不应少于梁两端顶面和底面纵向配筋中较大截面面积的1/4，三四级不应少于。第二十七页，共31页。

柱的纵向配筋应符合下列要求：对于柱：

（a)宜对称布置；

（b)截面尺寸大于400mm的柱，纵向钢筋间距不宜大于200mm;

（c)纵向