高层建筑结构课件

多層及高層鋼筋混凝土房屋構件設計*框架梁、柱的震害

梁柱變形能力不足，構件過早發生破壞。一般是梁輕柱重，柱頂重於柱底，尤其是角柱和邊柱更易發生破壞。1、柱頂

柱頂周圍有水準裂縫、斜裂縫或交叉裂縫。重者混凝土壓碎崩落，柱內箍筋拉斷，縱筋壓曲成燈籠狀。

主要原因：節點處彎矩、剪力、軸力都較大，受力複雜，箍筋配置不足，錨固不好等。

破壞不易修復。*2、柱底

與柱頂相似，由於箍筋較柱頂密，震害相對柱頂較輕。*3、短柱

當柱高小於4倍柱截面高度（H/b<4)時形成短柱。短柱剛度大，易產生剪切破壞。*4、角柱

由於雙向受彎、受剪,加上扭轉作用，震害比內柱重。5、梁柱節點

節點核心區產生對角方向的斜裂縫或交叉斜裂縫，混凝土剪碎剝落。節點內箍筋很少或無箍筋時，柱縱向鋼筋壓曲外鼓。

節點破壞的主要原因是節點的受剪承載力不足，約束箍筋太少，梁筋錨固長度不夠以及施工品質差所引起。6、框架梁

震害多發生於梁端。在地震作用下梁端縱向鋼筋屈服，出現上下貫通的垂直裂縫和交叉裂縫。破壞的主要原因是梁端屈服後產生的剪力較大，超過了梁的受剪承載力，梁內箍筋配置較稀，以及反復荷載作用下混凝土抗剪強度降低等。

節點破壞將導致梁柱失去相互之間的聯繫。*填充牆的震害

砌體填充牆剛度大而承載力低，首先承受地震作用而遭破壞。一般7度即出現裂縫，8度和8度以上地震作用下，裂縫明顯增加，甚至部分倒塌，一般是上輕下重，空心砌體牆重於實心砌體牆，砌快牆重於磚牆。

框架-剪力牆結構上部較嚴重，框架結構下部震害嚴重。*

填充牆破壞的主要原因是：牆體受剪承載力低，變形能力小，牆體與框架缺乏有效的拉結，在往復變形時牆體易發生剪切破壞和散落。*抗震牆的震害

在強震作用下，抗震牆的震害主要表現在牆肢之間連梁的剪切破壞。主要是由於連梁跨度小，高度大形成深梁，在反復荷載作用下形成X型剪切裂縫，為剪切型脆性破壞，尤其是在房屋1/3高度處的連梁破壞更為明顯。*防震縫的震害

防震縫寬度過小，地震時結構相互碰撞造成震害。

總結以上震害調查結果，除注意場地和地基因素外，從結構上主要應注意：1）結構的剛度在平面上和沿豎向的分佈要規則、均勻；2）結構構件要有足夠的承載力和延性；3）重視構造，加強對混凝土的約束，防止剪切、錨固等脆性破壞；4）保證施工品質。*1）框架塑性效應較多地發生在梁端，底層柱的塑性效應較晚形成；4、框架結構抗震設計的正確指導思想2）梁柱在彎曲破壞前，避免發生其他形式破壞，如剪切破壞、粘結破壞等；3）在梁、柱破壞之前，節點應有足夠的強度即變形能力；4）重視非結構構件設計。強柱弱梁，強剪弱彎，強節點、強錨固*兩種破壞形式二、“強柱弱梁”框架的抗震設計弱柱型弱梁型

為了使塑性鉸首先在梁中出現，同一節點柱的抗彎能力要大於梁的抗彎能力。*§5.4.2框架結構構件的抗震設計§5.4.2.1框架梁截面設計§5.4.2.2框架柱截面設計§5.4.2.3框架節點設計*1.截面尺寸bb×hb（1）bb≥200mm，且≥1/2bc（加強節點區）（2）hb/bb≤4(或hb/bb≥0.25)（薄腹梁容易發生剪切破壞）（3）ln/hb≥4（深梁容易產生剪切破壞）（4）（剛度要求）（5）（便於縱向、橫向梁底縱筋通過）（6）採用寬扁梁時，bb≤2bc，bb≤hc+hb，hb≥16d§5.4.2.1框架梁截面設計*2.材料

（1）砼強度等級≥C30（一級抗震）

≥C20（二、三級抗震）（2）縱向受力鋼筋：HRB335（II）級

HRB400（III）級箍筋：HPB235（I）級

HRB335（II）級§5.4.2.1框架梁截面設計*（1）矩形截面或翼緣位於受拉邊的T形截面梁，其正截面受彎承載力應按下列公式驗算：§5.4.2.1框架梁截面設計*混凝土受壓區高度應符合下列要求：一級x≤0.25h0

二、三級x≤0.35h0

同時x≥2a’

§5.4.2.1框架梁截面設計*（2）翼緣位於受壓區的T形截面梁，當符合下列條件時，按寬度為bf’的矩形截面計算。

當不符合上式條件時，按下式計算：§5.4.2.1框架梁截面設計*4.梁斜截面受剪承載力（1）強剪弱彎為了實現“強剪弱彎”，規範規定：對於抗震等級為一、二、三級的框架梁端剪力設計值應按下式調整：*（2）剪壓比限值

為了保證梁截面尺寸不至於太小，規範規定：對於跨高比大於2.5的框架梁，其剪力設計值應符合下式：

對於跨高比不大於2.5的框架梁，其剪力設計值應符合下式：

梁斜截面受剪承載力*（3）梁斜截面受剪承載力

對於一般框架梁，斜截面受剪承載力按下式計算：

對於集中荷載作用下的框架梁，按下式計算：

梁斜截面受剪承載力*（4）提高梁延性的構造措施

①梁端截面的受壓筋與受拉筋面積比：

有一定的受壓鋼筋可以減小受壓區高度；地震下，梁端會出現彎矩反號。

②梁頂面和底面的通長鋼筋（考慮地震彎矩的不確定性）一、二級不應少於2φ14，且不應少於梁端頂面和底面縱向鋼筋中較大截面面積的1/4；三、四級不應少於2φ12。

梁斜截面受剪承載力*③梁中貫通中柱節點的縱筋直徑d

一級框架：d≤hc/25

二級框架：d≤hc/20

④梁端縱筋配筋率≤2.5％，且相對受壓區高度一級不應大於0.25，二、三級不應大於0.35。

梁斜截面受剪承載力*⑤梁端箍筋加密ⅰ.作用（a）保證梁端塑性鉸區的抗剪強度。（b）約束砼以便提高梁端塑性鉸區變形能力。ⅱ.梁端箍筋加密要求（a）加密區的長度、箍筋直徑、箍筋間距（見表5-9）。（b）加密區的箍筋肢距≤200mm和20d箍中大者（一級）

≤250mm和20d箍中大者（二、三級）

≤300mm（四級）

梁斜截面受剪承載力*§5.4.2.2框架柱截面設計1.柱的設計原則（1）強柱弱梁，使柱儘量不出現塑性鉸。（2）在彎曲破壞之前不發生剪切破壞。（3）控制柱的軸壓比不要太大，防止小偏心受壓破壞。（4）加強約束，配置必要的約束箍筋。2.柱截面尺寸bc×hc

（1）矩形柱bc或hc≥300mm，長邊/短邊≤3，一般取正方形。（2）圓形或多邊形截面的內接圓直徑≥350mm。*（3）剪跨比宜大於2.0。（4）柱淨高Hn/hc>4（避免短柱）。（5）偏心距。柱中線於梁中線之間的偏心距不宜大於柱截面寬度的1/4。（偏心距過大將導致節點區受剪面積不足）§5.4.2.2框架柱截面設計*3.柱的內力設計值調整（強柱弱梁）（1）強柱弱梁，使框架實現梁鉸側移機構。要求除頂層和軸壓比小於0.15的柱之外，節點處梁柱彎矩設計值應按下式調整：

9度和一級框架尚應符合：§5.4.2.2框架柱截面設計*（2）強剪弱彎。框架柱和框支柱端部組合剪力設計值應按下式調整：

9度和一級框架結構尚應符合：§5.4.2.2框架柱截面設計*（3）一、二、三級框架結構的底層，柱下端截面組合彎矩設計值，應分別乘以增大係數1.5，1.25，1.15。底層是指無地下室的基礎以上或地下室以上的首層。（4）一、二級框架結構的角柱，按調整後的彎矩、剪力設計值，尚應乘以增大係數1.1。§5.4.2.2框架柱截面設計4.柱的正截面受彎承載力計算（1）矩形截面受彎承載力按下式計算*

受壓區高度x由下式確定：§5.4.2.2框架柱截面設計*（2）柱的實際正截面受彎承載力按下式計算§5.4.2.2框架柱截面設計*5.柱的斜截面受剪承載力計算

（1）剪壓比限值對於一般柱，應符合

對於短柱，應符合：§5.4.2.2框架柱截面設計*（2）柱斜截面受剪承載力§5.4.2.2框架柱截面設計*6.控制柱的軸壓比（1）軸壓比的定義柱的組合軸壓力設計值N與柱的全截面面積bchc和混凝土抗壓強度設計值fc乘積之比值，稱為軸壓比。

§5.4.2.2框架柱截面設計*（2）控制柱的軸壓比的意義柱的軸壓比是影響柱子延性和破壞形態的主要因素之一。試驗表明，柱的位移延性隨軸壓比增大而急劇下降。軸壓比不同，柱將呈現兩種破壞形態：受拉鋼筋首先屈服的大偏心受壓破壞和受壓區混凝土先壓碎而受拉鋼筋未屈服的小偏心受壓破壞。軸壓比小於一定數值，為大偏心受壓破壞，是延性破壞；反之則為小偏心受壓破壞，是脆性破壞。§5.4.2.2框架柱截面設計*（3）軸壓比的限值規範中給出的軸壓比的限值，是依據理論分析和試驗研究確定的。軸壓比的限值見表5-10。結構類型抗震等級一級二級三級框架結構0.70.80.9框架-抗震牆、板柱-抗震牆及筒體0.750.850.95部分框支抗震牆0.60.7-表5-10柱軸壓比的限值§5.4.2.2框架柱截面設計*7.柱縱向鋼筋配置（1）框架柱截面宜採用對稱配筋。截面尺寸大於400mm的柱，縱向鋼筋間距不宜大於200mm。（2）最大配筋率限制：總配筋率不應大於5%；一級且剪跨比不大於2的柱，每側縱向鋼筋配筋率不宜大於1.2%。（3）最小配筋率限制：柱截面最小總配筋率應符合表5-11要求。類別抗震等級一級二級三級四級中柱和邊柱1.00.80.70.6角柱、框支柱1.21.00.90.8§5.4.2.2框架柱截面設計*8.柱的箍筋配置（1）柱端箍筋加密的作用

①增加柱端截面抗剪強度。

②約束混凝土，提高混凝土的抗壓強度及變形能力。

③為縱向鋼筋提供側向支撐，防止縱筋壓曲。

§5.4.2.2框架柱截面設計*（2）柱箍筋加密區的範圍

①柱子兩端取截面高度（圓柱直徑）、柱淨高的1/6和500mm三者的最大值。

②底層柱，當有剛性地面時，除柱端外尚應取剛性地面上下各500mm。

③剪跨比不大於2的柱和因非結構牆的約束形成的柱淨高於柱截面高度之比不大於4的柱，取全高。

④框支柱，取全高。

⑤一級、二級框架柱的角柱，取全高。§5.4.2.2框架柱截面設計*（3）柱箍筋加密區的箍筋間距、直徑和肢數

①一般情況下，箍筋的最大間距和最小直徑，應按表5-12取用。

②二級框架柱的箍筋直徑不小於10mm且肢距不大於200mm時，除柱根外最大間距允許採用150mm；三級框架柱的截面尺寸不大於400mm時，箍筋最小直徑允許採用6mm；四級框架柱剪跨比不大於2時，箍筋直徑不應小於8mm。

③框支柱和剪跨比不大於2的柱，箍筋間距不應大於100mm。

④柱箍筋加密區的箍筋肢距，一級不宜大於200mm，二、三級不宜大於250mm和20d箍較大者，四級不宜大於300mm。至少每隔一根縱筋宜在兩個方向有箍筋或拉筋約束；當採用拉筋組合箍筋時，拉筋宜緊靠縱向鋼筋並勾住箍筋。§5.4.2.2框架柱截面設計*（4）柱箍筋加密區的箍筋最小配箍率和最小配箍特徵值

①約束箍筋的用量隨軸壓比的增大而增加，這樣才能起到對混凝土的約束作用。因此，《抗震規範》依據柱軸壓比的不同，規定了柱箍筋加密區的箍筋體積配箍率應符合下式要求：

②為了避免配箍率過小還規定了最小配顧率：一級為0.8%，二級為0.6%，三、四級為0.4%。§5.4.2.2框架柱截面設計*式（5.50）中記號的意義：§5.4.2.2框架柱截面設計*（5）柱的各類箍筋參考圖§5.4.2.2框架柱截面設計*§5.4.2.2框架柱截面設計*§5.4.2.3框架節點抗震設計1.框架節點抗震設計原則（1）強節點弱杆件。使節點的承載力不低於與其相連的構件（梁、柱）的承載力。（2）多遇地震時，節點應在彈性範圍內工作。（3）罕遇地震時，節點的承載力的降低不得危及豎向荷載的傳遞。（4）梁、柱縱筋在節點區應有可靠的錨固。（5）節點配筋不應使施工過分困難。*2.框架節點核心區剪力設計值調整

（1）節點核心區剪力計算公式§5.4.2.3框架節點抗震設計*§5.4.2.3框架節點抗震設計*§5.4.2.3框架節點抗震設計*§5.4.2.3框架節點抗震設計*（3）剪壓比限值

（4）節點核心區截面承載力驗算（一、二級）

抗震等級為三、四級時，不需計算，節點箍筋按構造設置。§5.4.2.3框架節點抗震設計*上式中各記號的意義：§5.4.2.3框架節點抗震設計*§5.4.2.3框架節點抗震設計*（5）框架節點構造措施

①框架梁柱節點核心區箍筋的最大間距和最小直徑同框架柱端箍筋加密區的要求。

②一、二、三級框架節點核心區配箍特徵值分別不宜小於0.12、0.10和0.08，且體積配箍率分別不宜小於0.6%、0.5%和0.4%。

③柱剪跨比不大於2的框架節點核心區配筋特徵值不宜小於核心區上下柱端的較大配筋特徵值。§5.4.2.3框架節點抗震設計*（6）梁柱縱筋在節點區的錨固

①梁柱縱筋的最小錨固長度：

②梁柱縱筋在節點區的錨固類型（見下圖）§5.4.2.3框架節點抗震設計*邊柱節點和中柱節點鋼筋錨固：§5.4.2.3框架節點抗震設計*頂部邊柱節點鋼筋錨固§5.4.2.3框架節點抗震設計*框架配筋圖*5.5框架結構的抗震設計步驟1.工程概況或設計資料2.結構選型（1）承重結構 縱向框架結構橫向框架結構縱、橫向框架結構（2）結構平面佈置（現澆、裝配）*3.構件截面估算3.1板的厚度（1）按施工條件控制的最小厚度類別施工方法不埋線管埋鐵皮管埋塑膠管屋蓋現澆60mm80mm90mm樓蓋民用建築現澆7080100工業建築現澆80100120陽臺、雨篷的根部現澆100

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5.5框架結構的抗震設計步驟*（2）按工程經驗選擇類別梁距板厚屋蓋2.0m左右60~80mm樓蓋2.0m左右80~100mm整塊樓蓋3.3~4.0m左右120~180mm陽臺、雨篷懸桃1.2~2.0m左右根部120~200mm5.5框架結構的抗震設計步驟*（3）按變形條件選擇

（4）注意所選擇的板厚，不得小於按施工要求及按變形控制的板厚。類別簡支板h/l連續板h/l懸臂板h/l單向板1/351/40根部1/12雙向板1/451/50

5.5框架結構的抗震設計步驟*3.2梁的截面尺寸（1）考慮施工條件

①次梁高度至少應比主梁高度小50mm。

②框架縱向梁高度應比橫樑高度小50mm。

③梁載面尺寸一般以50mm為模數，當大於1m時以100mm為模數。5.5框架結構的抗震設計步驟*（2）截面尺寸選擇類型類別高跨比h/l高寬比h/b

整體現澆T形梁（樓蓋、屋蓋）多跨連續主梁1/8~1/14

2~3多跨連續次梁1/12~1/18懸臂梁1/6~1/8矩形截面獨立梁

1/12~1/15

框架梁整澆T形梁1/8~1/125.5框架結構的抗震設計步驟*（3）對於抗震結構，梁截面寬度不小於200mm，高寬比不宜大於4，淨跨與高度之比不宜小於4。（4）初步選擇截面後，可按全部荷載的0.6-0.8作用在框架梁上，按簡支梁進行抗彎、抗剪強度核算。5.5框架結構的抗震設計步驟*3.3柱的截面尺寸（1）框架柱截面可按軸心受壓估算。

①近似地取靜荷載（10-15）kN/m2，填充牆較少時取小值。

②軸力N=負荷面積×層數×單位面積上的荷載。即：N=1.2恒+1.4活

③柱子的截面Ac由下式計算（Ac=b×h

）：5.5框架結構的抗震設計步驟*（2）對於抗震結構，應驗算柱軸壓比是否滿足下表的要求：結構類型抗震等級一級二級三級框架結構0.70.80.9框架-抗震牆、板柱-抗震牆及筒體0.750.850.95部分框支抗震牆0.60.7-異形柱0.60.70.85.5框架結構的抗震設計步驟*3.4柱下基礎的截面高度鋼筋砼錐形獨立基礎高度h可先按構造要求估算：（1）柱子下端縱向鋼筋錨固要求：h0≥laE

（2）基礎底板邊緣厚度h1≥200mm且h/4。錐形獨立基礎的坡度≤1/2.5。（3）混凝土保護層：有墊層時35mm，無墊層時70mm。5.5框架結構的抗震設計步驟*4.現澆樓面結構設計4.1現澆樓面（屋面）板設計一般樓面板可採用塑性計算方法。屋面板採用彈性計算方法。4.2多跨連續次梁設計樓面次梁可採用塑性計算方法。屋面次梁採用彈性計算方法。注意：主梁在分析框架內力時計算其內力。5.5框架結構的抗震設計步驟*5.梁柱剛度及計算簡圖5.1框架梁的抗彎剛度EIb

混凝土的彈性模量：E

中框架梁：Ib=2I0(I0為主梁矩形截面的慣性矩)

邊框架梁：Ib=1.5I0

5.2框架柱的抗彎剛度EIc

混凝土的彈性模量：E

柱截面的慣性矩為：Ic5.5框架結構的抗震設計步驟*5.3框架柱的側移剛度Dij

6.豎向荷載下的內力計算6.1計算簡圖（縱向、橫向）計算豎向荷載，並標注在計算簡圖上。活荷載、恒載分開計算，只計算標準值。5.5框架結構的抗震設計步驟*6.2按分層法計算內力活荷載、恒載分別計算。6.3疊合成整體框架彎矩圖。6.4計算梁端剪力，及剪力圖6.5柱子軸力，及軸力圖5.5框架結構的抗震設計步驟*7.水準地震作用下的內力計算7.1計算單元（縱向、橫向）每個抗震縫區段取為一個計算單元。7.2選擇計算方法一般規則的多層框架結構採用底部剪力法。以下按底部剪力法說明計算步驟。7.3計算各層重力荷載代表值Gi

Gi=自重的標準值+活荷載的組合值（具體計算如下）5.5框架結構的抗震設計步驟*各層重力荷載代表值計算時考慮以下因素：（1）每層劃分：上、下層各一半；（2）外牆重：牆、窗分別考慮；（3）內牆重：不考慮扣除門洞；（4）樓梯間：近似按10kN/m2(包括恒+活)；（5）活荷載組合值：屋面不考慮；樓面取0.5活。5.5框架結構的抗震設計步驟*7.4等效重力荷載代表值Geq

結構總重力荷載代表值：

結構等效總重力荷載代表值：

5.5框架結構的抗震設計步驟*7.5計算結構自振週期（基本週期）結構的基本週期可採用能量法或頂點位移法計算。兩種方法都要考慮填充牆的影響。7.6確定地震參數（1）確定結構抗震等級根據設防烈度、結構類型和結構高度，確定結構抗震等級。（2）確定特徵週期Tg

根據建築場地類別和地震分組，查表得特徵週期Tg。

5.5框架結構的抗震設計步驟*（3）取結構阻尼係數ζ=0.05（4）確定水準地震影響係數δ

根據設防烈度，查表得：αmax

按照反應譜確定水準地震影響係數：α1

5.5框架結構的抗震設計步驟*7.7計算底部總剪力

7.8是否考慮頂部附加地震作用

5.5框架結構的抗震設計步驟*7.9計算各層質點上的水準地震作用

7.10層間地震剪力5.5框架結構的抗震設計步驟*7.11計算梁、柱內力（1）按柱子剛度Dij分配得到各根柱的地震剪力。（2）計算柱端彎矩。（3）計算梁端彎矩、剪力。（4）計算柱子軸力。5.5框架結構的抗震設計步驟*8.多遇地震作用下層間彈性位移驗算（1）第i層層間地震剪力：

（2）第i層層間剛度：

（3）第i層層間彈性位移：

（4）層間彈性位移驗算：5.5框架結構的抗震設計步驟*9.框架內力組合9.1內力組合方式（1）1.2恒+1.4活（2）1.35恒+0.98活（3）1.2（恒+0.5活）+1.3震9.2框架梁截面內力組合（1）控制截面每跨梁的兩端及跨中三個截面。5.5框架結構的抗震設計步驟*（2）組合目標最大