框架结构抗震设计.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四章 框架结构设计,I、,非抗震框架结构设计回顾,II、,框架结构抗震设计,1,I、非抗震框架结构设计回顾,1、计算简图,2、竖向荷载作用下的近似计算,3、水平荷载作用下的近似计算,4、水平荷载作用下位移的近似计算,5、框架结构的内力组合,2,II 框架结构抗震设计,内容:,第一节 框架抗震设计方法-延性框架的概念第二节 框架梁抗震设计第三节 框架柱抗震设计第四节 梁、柱节点区抗震设计,3,目标:,通过本章学习，了解框架抗震设计方法、概念和要点。掌握框架梁、框架柱的剪力、弯矩大小的计算方法以及构造要求。掌握框架梁、柱节点的剪力、弯矩大小的计算方法以及构造要求。,4,第一节 框架抗震设计方法（延性框架的概念）,虽然梁、柱截面的一般配筋计算以及构造在一般的钢筋混凝土教材中已有讨论，但是在抗震设计时，对钢筋混凝土构件有特殊要求。本章重点讨论框架梁、柱以及节点的抗震设计方法，并适当补充一些非抗震情况下的设计要求。,5,一、延性结构,在罕遇地震作用下要求结构处于弹性状态是不必要，也是不经济的。通常是在中等烈度的地震作用下允许结构某些构件屈服，出现塑性铰，使结构刚度降低，塑性变形加大。当塑性铰达到一定数量后，结构会出现屈服现象，即承受的地震作用力不增加或增加很少，而结构变形迅速增加。,由延性结构的荷载位移曲线定义：延性结构即是能维持承载能力而又具有较大塑性变形能力的结构。,6,结构延性能力通常用顶点水平位移延性比来衡量。,延性比定义：,其中：结构屈服时的顶点位移；,能维持承载能力的最大顶点位移,7,延性结构在受到中等烈度的地震作用后，加以修复即可以重新使用，在罕遇地震下也不至于倒塌，符合抗震设计的“三水准”要求，因此在地震区都应该设计延性结构。进行合理设计，钢筋混凝土框架可以达到较大的延性，称为延性框架结构。,8,框架顶点水平位移是由各个杆件的变形形成的。当各杆件都处于弹性阶段时，结构变形是弹性的。当杆件屈服后，结构就出现塑性变形。框架中，塑性铰可能出现在梁上，也可能出现在柱上，因此，梁、柱构件都应由良好的延性。构件的延性以构件的变形或塑性铰转动能力来衡量，称为构件位移延性比 或截面曲率延性比,9,二、延性结构的要求和分析,1要保证框架结构有一定的延性，梁、柱构件需要具有足够的延性，钢筋混凝土构件的剪切破坏是脆性的，或者延性很小。因此，构件不能过早剪坏；,2框架结构中，塑性铰出现在梁上比较有利。,梁端的塑性铰可以很多而结构不致形成机构，每一个塑性铰都可以吸收和耗散一部分地震能量，故对每一个塑性铰要求可以放低，比较容易实现。此外，梁是受弯构件，具有较好的延性。,10,3塑性铰出现在柱中的时候，很容易形成破坏机构。,如果在同一层柱上、下都出现了塑性铰，该层结构变形将迅速增大，成为不稳定结构而倒塌，在抗震结构中应绝对避免出现这种被称为软弱层的情况。同时，柱是压弯构件，受到很大的轴力作用，导致柱的延性较小，而且作为结构的主要承载部分，柱子破坏将引起严重后果，不易修复甚至引起结构倒塌。因此，柱子中出现塑性铰是不利的。,11,4延性框架，不仅要保证梁、柱构件必须具有延性外，还必须保证各构件的连接部分节点区不出现脆性剪切破坏，同时还要保证支座连接和锚固不发生破坏。,12,三、框架抗震措施要点,1强柱弱梁,要控制梁、柱的相对强度，使塑性铰首先在梁端出现，尽量避免和减少柱子中的塑性铰；,2强剪弱弯,对于梁、柱构件，要保证构件出现塑性铰而不过早剪坏，因此，要使构件抗剪承载力大于塑性铰抗弯承载力，为此要提高构件的抗剪承载力；,13,3强节点、强锚固、弱构件,要保证节点区和钢筋锚固不过早破坏，不在梁、柱塑性铰充分发挥作用前破坏。,注意：上述抗震措施要点，不仅适用于延性框架，也适用于其它钢筋混凝土延性结构。,下面几节将主要介绍在延性框架中实现这些要点的措施。,14,第二节 框架梁抗震设计,强柱弱梁结构中，主要由梁构件的延性来提供框架结构的延性。因此，要求设计具有良好延性的框架梁。,一、梁的破坏形态与延性,钢筋混凝土梁有两种破坏可能：弯曲破坏与剪切破坏,弯曲破坏时，由于纵筋配筋率的影响，可能出现三种破坏形态：,15,1少筋破坏：,受拉钢筋配置过少，钢筋屈服后立即被拉断而发生断裂破坏，脆性破坏；,2超筋破坏：,受拉钢筋配置过多，钢筋没屈服前混凝土就被压碎而丧失承载能力，脆性破坏；,3适筋破坏：,受拉钢筋配置合理，钢筋屈服后，由于钢筋流幅形成塑性铰，中和轴上升，直到压区混凝土被压碎而破坏，延性破坏。,剪切破坏是脆性的，或者延性很小。,要防止梁在屈服以前出现剪切破坏，即要求强剪弱弯。,16,二、梁的抗弯配筋（,正截面承载力计算,）,梁的抗弯配筋数量将影响梁的塑性变形能力。,试验表明：在受压区配置钢筋或者加大混凝土受压区宽度（,T,形梁）都能使梁的塑性变形阶段加长，改善延性。,影响梁延性的因素可以归纳为一点：相对受压区高度 ，其中为截面名义压区高度 ，为截面有效高度。,17,当 （界限相对受压区高度）时，出现超筋破坏现象。,在适筋梁范围内，越小，构件延性越好。,由矩形截面受弯极限状态平衡条件可以得到：,其中：受拉、受压钢筋配筋率；、钢筋设计强度及混凝土抗压设计强度。,18,地震作用下，框架梁的塑性铰出现在端部。为保证塑性铰的延性，梁端截面的名义压区高度应当加以限制，延性要求越高，限制越严。而且，端部截面必须配置受压钢筋形成双筋截面，具体要求如下（理解见高规6.3.2条4款）：,19,可表示为,一级抗震：,二、三级抗震：,其中：受拉、受压钢筋面积,而在跨中截面和非抗震设计时，只要求不出现超筋破坏情况，即,20,由抗弯承载力确定截面配筋，按下式计算：,（1）无地震作用组合时：,（2）,有地震作用组合时：,21,式中 由内力组合得到；为承载力抗震调整系数，见下表：,22,梁截面抗弯配筋数量不能过少，也不能过多，配筋率见下述（规程6.3.2条2、3款）：,23,构造要求：,24,例抗震框架梁的配筋计算（抗震等级二级）,条件,：某三跨十层框架，边跨跨长（中-中）为5.7,m，,柱宽500,mm，,梁宽,b=250mm，,梁高,h=600mm，a,s,=35mm，,混凝土,C30，,纵筋,HRB335，,箍筋,HPB235。,作用于梁上的重力荷载值为52,kN/m。,在重力荷载和地震作用组合下边跨一层梁上的弯矩值是：,边支座柱边的弯矩,M,ma,=210kN-m，-M,ma,=-420kN-m,中支座柱边的弯矩,M,ma,=175kN-m，-M,ma,=-360kN-m,跨中,M,max,=180kN-m;,边跨梁中的最大剪力,V,ma,=230kN,要求：根据计算和构造要求配置钢筋。,25,解答：1、基本数据（1）材料强度（2）几何尺寸,（3）承载力抗震调整系数（受弯0.75,受剪0.85）,2、受弯承载力计算,（1）跨中截面,M=180kN-m,（2）,边支座柱边截面,抵抗正弯矩,M,max,=210kN-m,抵抗负弯矩-,M,max,=-420kN-m,（3）,中支座柱边,26,三、梁的抗剪配筋（,斜截面承载力计算,）,无地震作用组合的剪力，按下式验算（以均布荷载为例）：,在反复荷载作用下，钢筋混凝土斜截面抗剪承载力有所降低，因此，抗震设计中，按下式验算：,27,为了保证在出现塑性铰时梁不被剪坏，即实现强剪弱弯，一、二、三级抗震设计时，梁端部塑性铰区的设计剪力要根据梁的抗弯承载能力的大小决定,满足“强剪弱弯”的抗震设计目标。设计剪力按即下式计算：,对于9度抗震设计的结构和一级抗震的框架结构尚应符合：,28,其中：,、框架梁左、右端的抗弯承载力，按梁的实际配筋计算。当一端取上部纵筋为受拉钢筋时，另一端应取下部纵筋为受拉钢筋，计算时取钢筋标准强度；,内力组合得到的框架梁左、右端的设计弯矩，如果两端都不可能出现正弯矩，则令一端弯矩为0；,29,竖向荷载作用下按简支梁计算得到的剪力；,梁剪力增大系数，一、二、三级分别取1.3、1.2和1.1。,式中的系数（1.1）是考虑到某些不可预见因素可能使梁端弯矩增大而设的增大系数。例如：纵筋的实际强度往往大于规范给定的标准强度，它会使抗弯承载能力提高，从而导致剪力增大。,30,箍筋配置要求,塑性铰区范围外：梁的设计剪力取内力组合得到的计算剪力，按设计剪力进行配置箍筋。,塑性铰区范围内：抗剪要求计算的箍筋往往比梁中部箍筋多，间距密，一般称为箍筋加密区。试验表明，箍筋加密区长度不得小于2,h（,一级抗震）或1.5,h（,二、三、四级抗震），同时也不得小于500,mm。,同时，此范围内，不仅有竖向裂缝，也有斜裂缝。在地震作用下，构件反复受弯，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，这是十分不利的。,31,加密区配置箍筋应注意：,1不能用弯起钢筋抗剪；,2钢箍数量不能太少，钢箍的最小直径和最大间距都有一定要求；,3钢箍必须做成封闭箍，并加135度弯钩；,4保证施工质量，钢箍与纵筋应贴紧，混 凝土应密实；,5做好纵筋的锚固。,32,在加密区，钢箍配置最小要求列于下表；,非抗震结构中，框架梁沿全长配箍率不得小于,33,四、梁最小截面尺寸,如果梁截面尺寸太小，则截面上剪应力将很高，此时，仅用增加配箍得方法不能有效地限制斜裂缝过早出现及混凝土碎裂。因此，要用下式校核截面最小尺寸，不满足时应加大尺寸或提高混凝土等级：,无地震组合时：,34,有地震组合时：,当梁跨高比大于2.5时，,当梁跨高比不大于2.5时，,其中：设计剪力，一、二、三级抗,震时按前面的计算公式计算,35,例受剪承载力计算（条件同前例）,（1）重力荷载引起的剪力值,重力荷载引起的梁内最大剪力,重力荷载和地震荷载作用组合下跨中的最大剪力,V=230kN,（2）,剪力设计值的确定,为保证“强剪弱弯”的实现，应采用调整后的剪力设计值，即：,36,高规式（6.2.5-1），对二级抗震等级，调整系数为1.2。,（3）截面尺寸验算,（4）的确定,（5）构造要求,（6）非加密区箍筋,37,第三节,框架柱抗震设计,由于地震具有不确定性，不可能绝对防止在柱中出现塑性铰。为了有安全储备，要设计延性柱。,国内、外历次大地震中，由钢筋混凝土柱失效造成的震害是很多的，房屋是否能够破坏而不倒，很大程度上与柱的延性好坏有关。,近年来，国内外对钢筋混凝土柱的抗震性能作了大量试验研究，提出了延性柱的设计方法及一些抗震措施。,柱承受柱、弯、剪的共同作用，为保证延性，首先要防止脆性的剪切破坏，还要避免几乎没有延性的小偏压破坏。,38,一、剪跨比、轴压比和破坏形态,剪跨比：,影响钢筋混凝土柱破坏形态的主要因素是剪跨比。剪跨比是反映柱截面承受弯矩和剪力相对大小的一个参数，表示为：,柱端部截面的弯矩与剪力；柱截面高度。,39,剪跨比 时，称为长柱，一般会出现弯曲破坏；,剪跨比 时，称为短柱，一般会出现剪切破坏。当提高混凝土强度或者配有足够的钢箍时，可能出现具有一定延性的剪压破坏；,剪跨比 时，称为极短柱，一般发生脆性的剪切斜拉破坏，抗震性能不好，设计时应尽量避免。,40,框架柱中反弯点大都接近中点，为了设计方便，往往用柱的长细比近似表示剪跨比的大小，设 为柱净高，则：,当 时，为长柱；,当 时，为短柱；,当 时，为极短柱。,41,轴压比：,轴压比是影响钢筋混凝土柱破坏形态和延性的另一个重要参数，定义为：,其中：,柱考虑地震作用组合轴力设计值；混凝土棱柱体抗压强度设计值；柱截面宽度和高度,。,42,压弯构件中，轴压比加大，意味着截面名义压屈高度增大。当压屈高度加大时，压弯构件会从大偏压破坏状态向小偏压破坏状态过渡，小偏压破坏延性很小或者没有延性。短柱中，轴压比较大时，会从剪压破坏变成脆性的剪拉破坏。教材64页图4.20中荷载位移曲线可见，轴压比越大，塑性变形段越短，承载能力下降越快，延性减小。,43,二、柱截面抗弯承载力计算及 最小配筋率,柱按压弯构件计算抗弯承载力，配置抗弯纵筋。抗震设计时承载力计算公式与非抗震设计时相同，仅需考虑承载力抗震调整系数，按,计算。,对称配筋的矩形截面柱中，计算公式如下：,无地震作用组合时：,44,有地震作用组合时：,其中：,45,偏压构件考虑挠曲影响的轴向力偏心距增大系数，按混凝土结构设计规范规定计算。,分别为柱端弯矩及轴力设计值。,无地震作用组合时：取最不利内力组合值,有地震组合时：取内力组合值，需要在内力组合值及“强柱弱梁”要求的弯矩值（即调整值）中选用较大者。,46,对于一、二、三级框架柱，要实现“强柱弱梁”，即要求在同一节点出，上、下柱截面设计弯矩大于左右梁端截面抗弯承载力，因此，柱的设计弯矩为：,9度抗震设计的结构和一级框架结构尚应符合：,47,柱端弯矩增大系数，一、二、三级分别取,1.4,、,1.2,和,1.1,。,注意：,1.顶层柱以及轴压比小于0.15的柱，可以不按上式计算柱设计弯矩，直接用内力组合值；,2.四级抗震可以不考虑强柱弱梁的要求；,3.一些薄弱部位要用调整内力设计值的方法增加配筋，一、二、三级抗震框架底层柱下端弯矩设计值应分别乘以1.5、1.25和1.15增大系数；一、二、三级抗震框架角柱内力（弯矩、剪力、轴力）设计值还应乘上不小于1.1的增大系数，并按双向偏心受压计算配筋。,48,柱截面抗弯钢筋需要量，除了压弯构件承载力计算外，还有最小含钢率的要求，见下表：,49,从表中可以看出：抗震时柱每侧边纵筋最小配筋率不小于0.2。非抗震时柱每侧边纵筋最小配筋率为0.2。对于角柱，由于其受力不利，易于破坏，除了按双向偏心验算外，纵筋最小配筋率比中柱更高。,强柱弱梁设计的要点：应从各方面保证增大柱子的安全度，使梁成为较弱的构件。,例如：,1不能盲目增大梁中的纵向配筋；,2对于梁、柱断面尺寸、混凝土等级的选取以及柱网尺寸的选用都要仔细；,3延性框架中，采用扁而宽的梁截面较为有利，这样可以加大梁截面的抗剪能力，易于实现强柱弱梁,。,50,三、抗剪计算及配箍,多高层建筑中，柱的剪力较大，无论抗震或者不抗震，框架柱都应做抗剪计算，按计算结构配置箍筋。地震作用下，柱抗剪承载力降低。抗剪计算公式：,51,52,截面尺寸条件,为了抗剪安全，柱的截面也不能太小，因此，用下式保证柱截面面积：,53,54,55,同样，在一、二、三级抗震设计时，也要保证强剪弱弯，柱塑性铰区设计剪力应该等于或者大于柱抗弯承载能力，因此，柱设计剪力取：,56,长柱：按照强剪弱弯要求计算得到的箍筋只需配置在柱端塑性铰区，即加密箍筋区，其余部分的钢箍按内力组合得到的计算剪力计算得到。,短柱：出现剪切破坏的可能性大，对抗震十分不利，因此，按强剪弱弯要求计算得到的箍筋数量应在全高中配置。,57,四、轴压比限制及配箍,轴压比加大会减小延性，因此，抗震设计时，希望延性框架中柱子的轴压比较小。措施包括加大柱截面及提高混凝土等级。但是高层建筑中，底下几层柱子往往都有很大轴力，要把轴压比限制在较低水平是有困难的。国内外研究表明：配置箍筋是提高柱子延性的很有效的措施，其根本原因在于箍筋约束了混凝土的横向变形，从而提高了混凝土的极限变形能力，提高了延性。,58,一般而言，箍筋越多，间距越密，对混凝土约束就越大。箍筋的多少可以用体积配箍率来表示：,其中：,钢箍单肢面积；钢箍总长；钢箍包围的混凝土核芯面积 的两个边长；箍筋间距；,59,当体积配箍率相等的情况下，箍筋形式不同，对混凝土核芯的约束作用也不同。,普通矩形箍的效果较差，复式箍核螺旋箍的效果较好。,圆形箍受力均匀，对混凝土有均匀的侧压力。,矩形箍只能在四个转角区域对混凝土产生有效的侧压力，在直线段，钢箍可能外鼓，约束作用不大。,复式箍使箍筋的无支长度减小，在每一个箍筋相交点处都有纵筋，纵筋和箍筋构成网格式骨架，大大增加箍筋的约束效果。,60,螺旋箍加工复杂，非特殊需要，一般很少采用。在高轴压比下，复式箍是较好的箍筋形式。,复式箍中，要求纵筋的间距，即箍筋的无支长度不宜大于200,mm（,一级）、250,mm（,二、三级）和20倍箍筋直径的较大值、300,mm（,四级），为了浇灌混凝土方便，间距也不宜小于50,mm。,复式箍中如采用拉条，则必须钩住主筋，柱箍筋弯钩也必须做135度。,随着轴压比的增大，增加箍筋的效果将降低。因此，一方面可以在大轴压比下多用些钢箍，另一方面也要限制抗震结构中柱的轴压比。下面的表分别给出了最大轴压比限制以及不同轴压比下要求的柱箍筋加密区最小体积配箍率。,61,62,63,64,65,66,五、钢箍配置构造要求,抗震设计时，柱内箍筋除了满足抗剪承载力要求和在一定轴压比下体积配箍率的要求外，还要满足不超过最大允许间距和最小直径的要求。,箍筋加密区范围：,67,68,69,非加密区箍筋（6.4.8条第3款）：,70,第四节,梁、柱节点区抗震设计,延性框架设计时，除了保证梁、柱构件具有足够的承载力和延性外，还要保证梁、柱节点区的抗剪承载力，使节点不过早破坏，以上是十分重要的。,震害调查发现：梁、柱节点区的破坏，大都是由于节点区无箍筋或少箍筋，在剪压作用下混凝土出现斜裂缝甚至挤压破碎，造成纵向钢筋压屈成灯笼状。,措施：保证节点区混凝土的强度及密实性，在节点核芯区配置足够的箍筋。施工时必须让梁、柱节点区部位的混凝土等级与柱混凝土的等级相同或者略低（相差不超过5,MPa）。,71,一、节点验算范围,72,二、节点验算（见高规附录,C）,三、节点的构造要求,73,四、梁、柱箍筋锚固及搭接,非抗震设计时，框架中纵向钢筋的搭接及纵向钢筋在柱脚和节点处的锚固都需要仔细设计，并保证施工质量，因为它们往往是被忽视而导致事故的部位,抗震设计时应更加重视连接部位：,1地震是短时间内的反复作用，钢筋和混凝土的粘结力容易退化；,2梁端和柱端都是塑性铰可能出现的部位，梁的塑性铰区有竖向裂缝，也有斜裂缝，如果纵向钢筋锚固、搭接不好，裂缝宽度便会加大而使混凝土更易碎裂。,抗震设计时，锚固长度要求比非抗震设计时加大。,74,75,76,1纵筋搭接要求,当钢筋材料长度不够而进行搭接时，宜优先采用焊接或者机械连接接头。,一级抗震或者钢筋直径大于32,mm，,必须采用焊接或者机械连接接头；,二级抗震或者钢筋直径大于32,mm，,最好采用焊接或者机械连接接头；,三级抗震，底层柱采用焊接或者机械连接接头；,焊接或机械连接接头不仅能保证连接可靠，而且可以减少连接处钢筋的拥挤，节省管材用量。,注意：不要在同一截面上作所有钢筋的接头，应该分成多批，错开500600,mm,再进行下一批钢筋的搭接。,77,2节点区钢筋锚固,78,79,80,81,82,83,