钢筋混凝土框架结构抗震设计分析.pdf

第 4 2卷 筇 6期 2 01 4 年1 2月 现代 冶金 M o d e r n M e t a l l u r g y Vo1 42 No 6 DeC 201 4 钢筋混凝土框架结构抗震设计分析 刘树军 【 连云港沃利帕森工程技术有限公司南京分公司， 江苏 南京2 1 0 0 1 9 ) 摘 要：介绍 了钢筋混凝 土框 架结构抗 震设计 时应 满足规 范要 求的一 些细则，分析 了结构从平 面布置到 立 面设计时需要考虑的问题及注意事项： 关键词：钢筋混凝 土框 架结构抗 震；刚度 比；位移 比；剪重比；不规 则；抗震概念设计 中图分类号： T U 3 7 5 引 言 钢筋 混 凝 土 框 架结 构是 指 由梁 和 柱 以 刚 接 或 铰接相 连 而构成 的一 种承 重结 构 ，即 由混凝 土粱 、 板 、柱 组成 的框架 ，共 同抵抗 正 常使用 过程 巾 现 的水平 荷载 和竖 向荷 载 的一种结 构体 系 。钢 筋混 凝 土框 架结 构的 建筑 材料来 源广 ，形 成 的结 构体 系整 体 刚度高 ，理论 与实 践检 验抗震 性能 良好 。结构 主 材均 为 不燃 烧 休 ， 耐火 性 能好 且 建造 的_T业 化 程 度高 。 所 以 ，从2 0 世纪 9 0 年 代至 今， 在 中国居住 建 筑及 一般工 业 建筑 巾 ，钢筋 混凝 土框架 结 构得 到 了 极 为广泛 的应 用 ，推进 了 中国基础 建设 的一 体化 、 成 型化发 展 。 1 钢筋混凝土框 架结构 的特点 混凝 土框 架结 构是 以混凝 土 梁 、板 、柱 为主要 承 载构 件 的一 种结 构形 式 ，正 常使用 状 况下 的楼 层 恒荷 载 、 活 荷载 是通 过板传 递至 梁， 梁 传递 至柱 ， 柱 传 递至 基础 的模 式进行 力学 传递 。 (1 )刚 度好 。抗震 性 能 优 良 。钢 筋 混凝 土 框 架结 构 由梁 、板 、柱等 构件组 成 的空 间体 系 巾 ，结 构 构件 形成 的空 问抗侧 移 刚度一 般较 大 。如 能在 规 范 的 设计 与 施工 前 提 下 ，即设计 时 按 “ 强柱 弱 梁 ， 强 剪 弱 弯 ，强节 点弱 构 件” 的基本 抗 震 设计 原理 ， 施工时严格按照混凝土抗震规范要求的基本构造 措 施予 以加 强 ，结 构大 多能达 到在 一般 或强 震破 坏 面前“ 大震 不 倒 ，中震 可修 ，小震 不坏 ” 的抗 震功 能 收稿日 期 ： 2 0 1 4 - 0 9 1 7 作者简介 ： 刘树军，男 ， 工程师。电话：1 8 0 1 3 3 1 2 6 8 3 婴 求 。 ( 2)杜 网 置灵 活 ，功能 单 元 分配 自南 。钢 筋 混凝 土框 架结 构 I 大 J 为 梁 、柱 的截 面模 量较大 ，承 载 能力 强 ，杜 网却旨 相对 比较 灵活 。工业 建筑 或一 般 居住建 筑要 求 的功能单 元 多 ，使用 空 问分配 也较 为严 格 ，而框 架结构 的墙 体 为一 般 的轻 质砌 体墙 ， 不承 重 。因为这 一特 点 ，框 架结 构 能够 灵活地 配 合 建 筑 墙体 平 面和置 ，分 割更 多 的 功能 区间 ，以达 到 建 设 预期 的使 用要求 。 ( 3)工 【 化程 度高 ， 综 合经 济效 高 。钢 筋 混 凝 土框架 结构 的 主材 为混凝 土 与钢筋 ，建筑 材料 来 源 充足 、分 布 广泛 ，且工业 化 生产 的混凝 土 与钢 筋 不存 在 地域 差异 、材料 种类 单一 ，因此 整体 的建 筑 成 本相对 较 低 、资金 回报快 、投 资的综 合经 济效 益 高 。 2 抗震设计注意事项及构造要求 2 1 注意 事 项 (1 )混 凝 土 框架 结 构 建设 场 地 的选 取 必须 符 合现 行 混 凝 土结 构 抗震 规 范 GB 5 0 0 l 1 2 O 1 0 的要 求 ， 选 择 对抗 震一 般 或有利 地 段作 为 建设 厂址 ，对 不 利 和危 险地 段应 提 出避 开要 求 ；当无法 避开 时 ，应 对 场 地 土进 行 合理评 估，并 按 照 建筑 工程 抗震 设 防 分类 标 准 确 定 结构 分类 和设 防等级 后，采取 有 效 的地基 处 理或 其它抗 震 构造措 施 ，以保证 整个 结 构 的稳 定性 及安 伞性 。 ( 2)混凝 土框 架结 构 的平 面梁 、板 布置 ，立 第 6期 刘 树 军 ： 钢 筋 混凝 土 框 架 结 构 抗 震设 汁 分 析 7 7 面 柱 、 支撑 机置 ，应 满足 抗震 概念 设计 的基 本要求 ， 保证 结 构 的平 面 、立 面规 则性 不规 则的建筑 布 置 应按 规 范要 求采 取加 强措施 特别 不规 则 的结 构 置 应进 行专 门研 究 和论证 ，并 采取 特别 加强措 施 对 严重 不规 则 的结构 布置 则不 应采用 (3)混 凝 土框 架 结 构必 须具 有 明确 的计 算 机 模 拟计算 简 图 和合理 的地震 作用 传递 路径 ，所 有 的 结 构 杆件 应 具 备必 要 的抗 震 承载 力 、 良好 的变形 能 力 和消耗 地震 能量 的能 力 。应 避免 因部分 梁 、柱 构 件 破 坏 而 导 致 整 个 框 架 结 构 丧 失 抗 震 能力 或 对 重 力荷 载 的承载 能 力 ；对 可能 f f I 见的薄 弱楼层 或 薄 弱 杆 件应 采取 措施 提高 其抗 震能 力，鱼 I I 单独 提高 构 件 的抗 震 等级 ，增 大薄 弱楼 层 地震 力放 大 系数 ，增 加 结构 冗余 约 束等 ，这 也是 框架 结构 抗震 设 汁时 防 连续 倒 塌 的一个 基本 理念 。 (4)混 凝 土框 架 结构 宜 设 多道 抗 震 防线 ，结 构 杆 件 的平 、立 面 布 置 宦 使 刚 度 和 承 载 力合 理 分 布 ， 避 免 形成 薄弱部 位 或 产生 过大 的应 力集 中 ， 框 架结构 的填充 墙在 必要 位置宜 没置 圈梁 、构 造杜 以增强 整个 结 构 的塑性 变形 能 力，填 充墙 与框 架柱 之 问还要 设 置 拉结 钢筋 ，且 填充 墙与 柱之 问优 先考 虑柔 性 连接 ，以防 止刚度 不 同 的结 构 构件 在地震 时 由于 变形 协 调 不 一致 而 局 部 破 坏， 从而 导致 整 个 结 构 体系 的破 坏 。 2 2 钢 筋 混凝 土框 架结构 的抗 震设 计 2 2 1荷载及 荷载 组合 ( 1)永 久荷 载 ：永 久 荷 载包 括 围护 墙 、框 架 梁 、楼 板 、框架 柱等 结构 杆件 自重 ，以及 面层 和装 饰 物 重 、长期 储 物重 以及框 架结 构上 的一些 附 属机 械设 备或 其 它的非 结构 构件 自重 荷载 等 。 ( 2)可 变荷 载 ：可 变 荷 载有 雪 荷载 、屋 面积 灰 荷 载 、屋 面活荷 载 或按建 筑功 能分 区不 同而 产生 的功 能性 活荷 载组 成 ， 如藏 书库 ， 档案 库等 活荷 载 。 ( 3)荷 载组 合 ：荷 载 组合 一 般 应遵 从 建 筑 结 构 荷 载设 计 规范 GB 5 0 0 9 2 0 1 2 的规定 ，针对 钢 筋 混凝 土框 架 结构 的 自身特点 ， 并结 合 建筑 抗震 设 计 规 范 G B 5 0 0 1 1 2 0 1 O ， 给 出 以下 钢 筋混 凝 土 框 架 结 构 中结构 构 件截 面抗震 验算 的组 合原 则 ： S =1 ， G SG E + 1 ， E h S E h k + 1 ， E v S E v k 十 、 w 1 ， wS w k ， S _5 R 7 R E 式 中 s 为地 震 作 用 效应 时和 其 它 荷载 效 应 的基 本 组 合设 计 值 ；R 为 由材 料几 何尺 寸及 配 筋信 息 等 构 成 的结构 构 件承 载力设 计值 ；丫 G 为重 力荷 载分 项 系数 ；7 E h ,Y 分 别为水 平 、竖 向地震 作 用分项 系数 ； S 6 E 为重 力 荷 载代 表 值 的效 应 ；S E h k 、S E e k 分 别 为水 平 、 竖 向地震 作 州标 准 值的 效应 ； S w k 为 J X 【 荷载 标 准 值 的效 应 ； R E 为 承载 力抗 震调 整 系数 ； 、 l， 为风 荷 载 组 合值系数 。 2 2 2 铜 筋 混 凝 土 框 架 结 构控 制 要 求 2 2 2 1 钢筋 混凝 土框 架结 构却 置 的规 则性对 结构 抗 震性 能 的影 响 从设 汁方案 之初 就必 须考 虑结 构 的平面 、立面 和竖 向剖 面柿置 的规 则性 对结 构抗震 性 能 的影 响 ， 结 构方 案 和楼层 平面 的 昔要 优先 考虑 形体 规则 ， 刚度均 匀 ，竖 向抗 侧立 构件 截面 尺寸 和及强 度 应从 框 架底 层至 顶逐 渐减 小 ，避 免结构 的侧 向刚度 和承 载 力突变 。总结GB5 0 0l 1 2 O l 0 提 的各项 盟求 ，结 合 钢筋 混凝 土框 架结 构 自身抗 震特 点 ，结构 设 汁时 一 般应 注意 以下 几点 ： (1)周 期 比 钢 筋 混凝 土 框架 结 构 没计 时 ， 框 架结 构扭 转 为主 的第 一 自振 周期T ， 与 平动 为 主 的 第 一 n振T ， 的 比值应 满 足以下 要求 ： T l T O 8 5 ( B 级 高度 高层 建筑 ) 或 T ， T 。 5 0 9 ( A 级 高度 高崖 建筑 ) 。 (2)位 移 比。混 凝 土框 架结 构 在 水 平地 震 力 的影响 下 根 据结 构 的抗侧 移 刚度不 同 ，将 楼层 假 想 为单 质点产 生 位移 。楼 层产 生最 大 弹性水 平位 移 u 与 该 层 两 端 弹性 水 平 位 移 平 均 值 u 的 比值 ( 或楼 层 最 大层 问位 移 与该 层 两 端层 间位 移 平 均 值 之 比) 宜 满 足 以下 条 件 ：u 。 U a m a x - 0 8 5 式 中 n 2 ， R 为楼 层竖 向刚度 ，如 不能满 足 上 式要 求 ，表 明楼层 竖 向刚 度产生 不规 则或 竖 向抗侧 力杆 件 不连续 ，并形 成结 构 薄弱层 ，宜调 整结 构 竖 向 布置 。当确 因建筑 布置 的需 要不 可避 免 时 ，应 按 规范 要求 将地震 力乘 以放大 系数 后 计算 ，且需 采取 相应 的构造 措施 予 以加 强 。 ( 4)剪重 比 。框架 结 构 的抗 震 计算 时 ，结 构 的 任 意 楼层 的 水 平 地 震 剪 力 应 符 合 GB 5 0 0 1 1 2 0 1 0 中5 2 5 条 的要 求 。 2 2 2 2 钢 筋混 凝 土 框 架结 构 在P K P M程 序 抗 震计 算 时 参数 的选 取及 注意 事项 设 计 钢筋 混 凝 土框 架 结构 ，在P K P M程 序 计算 时一般 不输 入填 充 墙 ，只是 把填 充墙 的 自重等 效 于 7 8 现代冶金 第 4 1卷 一 般恒荷 载 输入 梁 ，以计筲框 架 梁 的配 筋 。在 地 震 作 用 时，不 考虑填 充 墙 刚度 对结 构 的影 响 时，程 序 计 箅 m来 的地震 周期 比实 际发生 的周 期要 长 ，这 不 符 合结构 实 际 受 力情彤 。 因此 ，规 范引 人 周期 折 减 系 数u，并结 合 钢 筋混 凝 土框 架结 构 ， 考虑非 承 重墙 体刚 度影 响时 的周期 折减 系数 u 取 值0 6O 7 。 钢筋 混凝 土框架 结 构在地 震作 用 时 ，一般需 在 结构 两个 主轴 方 向分别 汁算 水平 地震 作用 。有 斜交 抗侧 力构 件且 丰 开 交 角度 大 于土1 5。 时 需按 实际 角度 数 值输 人 以保证 程 序能分 别计 算各 抗侧 构 件方 向的水平 地震 作用 钢 筋 混 凝 土 框 架 结 构 在 地 震 作 川 时应 保 证 足 够 的计 箅 阵型 ，一 般取 结构 楼层 数 的 倍 。 结 构 计算 时的 阵型 质量 参与 系数 O 9 ， 即证 明结 构参 与 的阵 型数 基本 符合 实际 的地震 作川 ， 阵 型质量 参 与 系数 0 9 时 ， 需 适 增加计 算 阵型 数直 至满 足计 算 要 求 。 但 阵型个 数 的选取 不宜 过多 ， 避免 导致 汁算 畸形 。 钢筋 混凝 土框 架结 构 的楼 板 置 时 ，楼板 的有 效 宽度 不宜 小于 该层 楼 面宽 度 的5 0 ，楼 板开 洞 总 面 积不 宜 超过楼 面 面积 的3 0 ，在扣 除 凹人或 开洞 后 ，楼板在 任一 方 向的最 小净 宽度 不宜 小 于5 m，且 开洞后 每一 边 的楼板 净宽 度不应 小 于2 m。 在 满 足以 上条 件 的情 形 时 ， 绝 大多 数 的框 架结 构 楼板 可 采 用 刚性 楼 板假 定，楼板 之 间 的高 度 也 日 IJ 是框 架柱 的 计 算长 度 。 由于楼 板 的存在 ， 中梁 形成 的梁 断面 刚度 实 际为 “ T” 形 ，设 计 规范 中规 定楼 面 中梁 刚度 根 据 翼缘 情 况 取增 大 系数 1 32 0 ，正 因为楼 板 和次 梁 的存 在 ，梁截 面受扭 转约 束 ，实 际扭 转 刚度要 比单 一 的梁 断 面要 大 。P K P M程 序计 算 时 ，采 取将 梁扭 矩 折减 的方 法 。考 虑梁抗 扭刚度 因楼板 或次 梁存在 而导致 的增 加 ，梁扭 矩折 减 系数 一 般应 根据 梁周 围 楼 板和 次梁 的枷 置按 实际情 况取 值 。 2 3 钢筋 混凝 土框 架结 构的 梁 、板 、柱 、填 充 墙抗震 设计 构造 要 求 (1 )框 架 梁 主 粱 截 面 高 度 可 按 计 算 跨 度 的 1 l 0 1 1 8 确 定 ，梁 净 跨 与 截 面 高 度 之 比不 宜 小 于 4； ( 2)框架 梁 的截 面宽 度 不宜 小 于梁 截 面 高度 的1 4 ， 也不 宜 小于2 0 0 mm； ( 3) 框架 梁 的挠 度应 根据计 算跨 度l 。 的大小取 1 o 2 0 0 ( 1 o 7 m) ， l 0 2 5 0 ( 7 m l o 9 m) ，当结 构 对 梁 挠 度 使 用 要 求 较 高 时 ，可 依 次 从 严 调 整 为 I o 25 0 ， I o 3 0 0， 1 o 4 00： (4)框 架 梁 抗震 设 计时 汁人 受 压钢 筋 作 用 的 梁 端 截 面 混 凝 土 受压 区高 度 与有 效 高 度 之 比值 ， 一 级 不 应大 于O 2 5 ，二 、 级 不应大 于0 3 5 ； ( 5) 混 土椎架 结构 的楼 层板 厚h 一 般按 ： 简 支 板 h 1 3 5 I o ； 连续 板h l 4 0 I o , 跨度 大 于4 m或板 卜荷 载较 大 时可 适 当加厚 ， ( 1 o 为板 的计算 跨度 ) ； (6)矩 形 截 面 的混凝 土框 架柱 在 结 构抗 震 等 级 为 四级时 断 面不宜 小 于3 0 0 mm， 一 、二 、 级时 不 宜 小 于4 0 0 mm。网柱 彤 框架柱 在抗 震等 级 四级时 直 径 不宵 小 于3 5 0 mm， 一 、 二 、 l_级 时不官 小于4 5 0 mm 且 柱 的剪跨 比宜 大于 2柱 截 面 的高 宽 比不 宜大 干 3； ( 7) 混凝 土框 架结 构的填 充墙 宜优 先采 用轻 质墙 体 材料 。采州砌 体墙 时 ，应采取 措施 减 少对 主 休结 构 的不 利影 响 ，并 设置 拉结 筋 、水 平 系梁 、圈 梁 、构造 柱等 。填 充墙 在平 面和竖 向布 置时 ，宜 均 匀 对称 ，避 免形 成结构 薄 弱层 或短柱 。 2 4 钢 筋混 凝 土框架 结构 的基 础设计 钢 筋 混 凝 土 框 架 结 构 的 基 础 设 计 应 综 合 考 虑 框 架 杜底 载荷 大小差 异 、建筑物 对地基 沉 降 的敏感 性 及 场地 土 的力学 特征 ，可 以采 用柱下 独立 基 础 、 杜下 条形 基础 或桩 基础 ，也可 采用 能有效 控制 沉 降 差 、大 幅提 高地 基稳 定性 的梁板 式或 平板 式筏 形基 础 。 3 结束语 钢 筋 混 凝 土框 架 结 构 没计 时 应 分 析 地 震 发 生 时的破 坏 机制 ，合理 评 估结 构消耗 地震 能 的途径 ， 严 谨 分 析 结 构 布 置 的 抗 震 性 能 ， 并 遵 循 GB 5 0 0 l 】 2 0 1 0 要 求 的抗震 概念 设计要 求 ， 防止 结构 在地 震 时 由局 部构 件破 坏而 产生 连续性 的倒 塌 ，为 民生 安全 和减 少社 会财 富 损坏提 供最 大 的保 障 。 参 考文 献 ： 【 1 】 GB5 0 0 1 1 - 2 0 1 0 建筑抗震设计 规范f s 】 北京 ：中华人 民共和 国 住房 和城 乡建设部 ， 2 0 1 0 【 2 】 J G J 3 2 0 1 0 高层建筑混凝土结构技术规程【 s 】 中华人民共和国 住房和城乡建设部， 2 0 1 0 【 3 】 G B 5 0 0 0 9 - 2 0 1 2 建筑结构荷载规范【 s 】 中华人民共和国住房和 城乡建设部， 2 0 1 2 【 4 1 王文栋 混凝土结构构造手册( 第三版) 【 M】 北京：中国建筑工业 出版社， 2 0 0 3