结构抗震第4章第10讲

结 构 抗 震刘君阳2016年3月课程性质：必修课课程学时：24学时授课班级：2013级土木工程 第 10 讲4.1 概述4.2 抗震设计的一般要求4.3 框架内力与位移计算第四章 多层及高层钢筋混凝土房屋抗震设计4.4 钢筋混凝土框架结构构件设计4.5 抗震结构的基本抗震构造措施4.6 框架-抗震墙结构抗震构造措施4.7 多层框架结构抗震设计 4.4 钢筋混凝土框架结构构件设计1框架梁截面设计2框架柱截面设计3框架节点抗震设计框架结构抗震设计的正确指导思想：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；强柱弱梁2.梁柱在弯曲破坏前，避免发生其它形式破坏（剪切、粘结破坏等）；强剪弱弯3.在梁、柱破坏之前，节点应有足够的强度即变形能力；强节点弱构件4.妥善解决梁、柱钢筋锚固问题；5.重视非结构构件设计。强锚固1框架梁截面设计框架结构的合理屈服机制是在梁上出现塑性铰。对框架梁端抗震设计的基本要求：（1）梁形成塑性铰后仍有足够的受剪承载力（2）梁筋屈服后，塑性铰区段应有较好的延性和耗能能力（3）妥善地解决梁筋锚固问题强剪弱弯强锚固设计步骤：（1）框架梁抗剪承载力验算（2）提高梁延性措施（1）框架梁抗剪承载力验算梁剪力设计值 为了使梁端有足够的抗剪承载力，实现“强剪弱弯”的设计思想，应充分估计框架梁端实际配筋达到屈服并产生超强时有可能产生的最大剪力。抗震规范规定：对于抗震等级为一、二、三级的框架梁端剪力设计值，应按下式进行调整：梁的净跨；梁在重力荷载代表值作用下，按简支梁分析的梁端截面剪力设计值；梁的剪力增大系数，一级为1.3,二级为1.2,三级为1.1。梁端截面组合的剪力设计值；一级框架结构和9度的一级框架梁，可不按上式进行调整，但应符合：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；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；剪压比限值 剪压比是截面上平均剪应力与混凝土轴心抗压强度设计值的比值，以 表示，用以说明截面上承受名义剪应力的大小。梁塑性铰区的截面剪应力大小对梁的延性、耗能及保持梁的刚度和承载力有明显影响。当剪压比大于0.30时，即使增加配箍，也容易发生斜压破坏。为了保证梁截面不至于过小，使其不产生过高的主压应力，规范规定：跨高比大于2.5时：跨高比等于或小于2.5时：跨高比大于2.5时：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,0.85。梁斜截面受剪承载力 混凝土结构设计规范规定，对于矩形、T形和I字形截面的一般框架梁，斜截面受剪承载力应按下式验算：箍筋抗拉强度设计值；同一截面箍筋各肢的全部截面面积；承载力调整系数；一般取0.85，对一、二级框架短梁，取1.0。对集中荷载作用下的框架梁，其斜截面受剪承载力应按下式验算：承载力调整系数，取0.85；梁的剪跨比，取31.5。（2）提高梁延性措施梁截面尺寸 试验和理论分析表明，影响梁截面延性的主要因素有梁的截面尺寸、纵向钢筋配筋率、剪压比、配箍率、钢筋和混凝土的强度等级等。梁宽不宜小于200mm，过小截面损失比例较大；梁宽不宜小于柱宽的1/2，对节点核芯区提供约束以提高受剪承载力；梁高宽比不宜大于4，狭而高的梁不利于混凝土的约束，也会在梁 刚度降低后引起侧向失稳；梁跨高小于4时，属于短梁，反复弯剪作用下，斜裂缝沿梁全长发展从而使梁的延性及承载力急剧降低。梁纵筋配筋率截面相对受压区高度一级框架梁不应大于0.25；二、三级框架梁不应大于0.35；梁端纵向受拉钢筋的配筋率不应大于2.5%梁纵筋配置受压钢筋面积与受拉钢筋面积保持一定比例原因：其一，一定的受压钢筋可以减小混凝土受压区高度，其二，地震作用下，梁端可能出现正弯矩，如梁底面钢筋过少，梁下 破坏严重，也会影响量的承载力和变形能力。受压钢筋面积与受拉钢筋面积比值要求：一级不应小于0.5；二、三级不应小于0.3。梁顶面和地面通长钢筋配置要求：一、二级不应小于2 14；三、四级不应小于2 12。梁端箍筋加密 梁端箍筋加密区的长度、箍筋的最大间距和最小直径抗震等级抗震等级加密区长度加密区长度（采用较大值）（采用较大值）（mm）箍筋最大间距箍筋最大间距（采用最小值）（采用最小值）（mm）箍筋最小直径箍筋最小直径（mm）一2hb，500hb/4，6d，10010二1.5hb，500hb/4，8d，1008三1.5hb，500hb/4，8d，1508四1.5hb，500hb/4，8d，1508 在梁端预期的塑性铰区段加密箍筋，可以起到约束混凝土，提高混凝土变形能力的作用，从而可获得提高梁截面转动能力，增加其延性的效果。2框架柱截面设计柱的设计应遵循以下设计原则：强柱弱梁，使柱尽量不出现塑性铰；在弯曲破坏之前不发生剪切破坏，使柱有足够的抗剪能力；控制柱的轴压比不要太大；加强约束，配置必要的约束箍筋。设计步骤：（1）强柱弱梁（2）强剪弱弯（3）控制柱轴压比（4）柱内纵向钢筋配置（5）加强柱端约束（1）强柱弱梁强柱弱梁：的概念要求在强烈地震作用下，结构发生较大侧移进入非 弹性阶段时，为使框架保持足够的竖向承载能力而免于倒 塌，要求实现梁铰侧移机构，即塑性铰应首先在梁上形成，尽可能避免在破坏后在危害更大的柱上出现塑性铰。设计要求：就承载力而言，要求同一节点上、下柱端截面极限抗弯承 载力之和应大于同一平面内节点左、右梁端截面的极限抗 弯承载力之和。规范规定：一、二、三级框架的梁柱节点处，除框架顶层和柱轴压比 小于0.15外，柱端弯矩设计值应符合下式的要求：-柱端弯矩增大系数，对框架结构，一、二、三、四级可分别取 1.7、1.5、1.3、1.2；其他结构类型中的框架，一级为1.4，二 级为1.2，三、四级为1.1。9度和一级框架结构尚应符合：-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；抗震规范规定：为适当加强底层柱的抗弯能力，一、二、三、四级框架结构的底层，柱下端截面组合的弯矩设计值，应分别乘以增大系数1.7、1.5、1.3和1.2。（2）强剪弱弯柱剪力设计值 抗震规范规定：对于抗震等级为一、二、三级的框架柱端剪力设计值，应按下式进行调整：柱的净高；分别为柱上、下端逆时针或顺时针方向正截面组合的弯矩设计 值；应符合强柱弱梁和底层柱底的调整要求。柱端弯矩增大系数，对框架结构，一、二、三、四级可分别取 1.7、1.5、1.3、1.2；其他结构类型中的框架，一级为1.4，二 级为1.2，三、四级为1.1。9度和一级框架结构尚应符合：分别为柱上、下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。抗震规范规定：按两个主轴方向分别考虑地震作用时，一、二级框架结构的角柱按调整后的剪力设计值宜乘以增大系数1.30。剪压比限值 规范规定：对于剪跨比大于2的矩形截面框架柱，其截面尺寸与剪力设计值应符合下式的要求：对于剪跨比不大于2的框架短柱其截面尺寸与剪力设计值应符合下式的要求：柱斜截面受剪承载力框架柱斜截面破坏形式：斜拉破坏斜压破坏剪压破坏配筋率满足要求截面尺寸满足要求通过配筋计算来防止对策：混凝土结构设计规范规定，框架柱斜截面受剪承载力按下式计算：考虑地震作用组合的轴压比设计值；承载力抗震影响系数；框架柱的计算剪跨比；-剪跨比，取上、下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。（3）控制柱轴压比轴压比：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：综合考虑不同抗震等级的延性要求，对于考虑地震作用组合的各种柱轴压比限值见下表：柱轴压比限值结构类型抗震等级一二三四框架结构0.650.750.850.90框架-抗震墙、板柱-抗震墙、框架-核心筒、筒中筒0.750.850.900.95部分框支抗震墙0.60.70（4）柱内纵向钢筋配置柱的纵向配筋应符合下列要求：宜对称布置；截面尺寸大于400mm的柱，纵向钢筋间距不宜大于200mm；纵向钢筋的最小配筋率应按下表采用：采用HRB335、HRB400级钢筋的柱，总配筋率不应大于5%；一级且剪跨比大于2的柱，每侧纵向钢筋配筋率不宜大于1.2%；柱纵向钢筋最小总配筋率类别抗震等级一二三四中柱和边柱0.9（1.0）0.7（0.8）0.6（0.7）0.5（0.6）角柱、框支柱1.10.90.80.7（5）加强柱端约束承担柱子剪力；约束混凝土，提高混凝土的抗压强度及变形能力；为纵向钢筋提供侧向支撑，防止纵筋压曲。加强柱端约束的作用：柱端箍筋加密区范围，应按下列规定采用：取截面高度、柱净高的1/6和500mm三者的最大值；底层柱的下端不小于柱净高的1/3；刚性地面上下各500mm。剪跨比不大于2的柱、因设置填充墙等形成的柱净高与柱截面高度 之比不大于4的柱、框支柱、一级和二级框架的角柱，取全高。一般情况下，柱端箍筋加密区的箍筋间距和直径：柱箍筋加密区的箍筋最大间距和最小直径抗震等级箍筋最大间距（采用较小值，mm）箍筋最小直径（mm）一6d，10010二8d，1008三8d，150（柱根100）8四8d，150（柱根100）6（柱根8）柱端箍筋加密区约束箍筋的体积配筋率应符合下式要求：一级不应小于0.8%；二级不应小于0.6%；三、四级不应小于0.4%；最小配箍特征值；柱端加密区箍筋最小配箍特征值抗震等级箍筋形式柱轴压比0.30.40.50.60.70.80.91.01.05一普通箍、复合箍0.100.110.130.150.170.200.23螺旋箍、复合或连续复合矩形螺旋箍0.080.090.110.130.150.180.21二普通箍、复合箍0.080.090.110.130.150.170.190.220.24螺旋箍、复合或连续复合矩形螺旋箍0.060.070.090.110.130.150.170.200.22三、四普通箍、复合箍0.060.070.090.110.130.150.170.200.22螺旋箍、复合或连续复合矩形螺旋箍0.050.060.070.090.110.130.150.180.20柱箍筋非加密区：箍筋体积配筋率：不宜小于加密区的50%；箍筋间距：一、二级框架柱不应大于10倍纵向钢筋直径，三、四级框架柱不应大于15倍纵向钢筋直径。3框架节点抗震设计根据“强节点弱构件”的设计概念，框架节点的设计准则是：节点的承载力不应低于其连接构件(梁、柱)的承载力；多遇地震时，节点应在弹性范围内工作；罕遇地震时，节点承载力的降低不得危及竖向荷载的传递；梁柱纵筋在节点区应有可靠的锚固；节点配筋不应使施工过分困难。钢筋混凝土框架节点破坏的主要形式是节点核芯区剪切破坏和钢筋锚固破坏，严重的会引起整个框架倒塌，修复也比较困难。因而，在框架结构抗震设计中对节点应予以足够的重视。（1）一般框架节点核芯区抗剪承载力验算剪力设计值节点核芯区：框架梁与框架柱相交的部位。节点核芯区受力情况见下图：节点核芯区组合的剪力设计值应满足下式要求：9度和一级框架尚应符合下式要求：-梁截面有效高度，节点两侧梁截面高度不等时可取平均值；-节点剪力增大系数，一级取1.35,二级取1.2。-柱的计算高度，可采用节点上下柱反弯点之间的距离；-梁受压钢筋合力点至受压边缘的距离；-梁的截面高度，节点两侧梁截面高度不等时可取平均值；-节点左右梁端顺时针或反时针方向截面组合的弯矩设计值之和；-节点左右梁端纵向受拉钢筋实际配筋面积（考虑受压筋）和材料 强度标准值计算的受弯承载力所对应的弯矩值之和。剪压比限值 为了防止节点核芯区混凝土斜压破坏，同样要控制剪压比不得过大，一般应满足：正交梁的约束影响系数，楼板为现浇，梁柱中线重合，四侧各梁截面宽度不小于该侧柱截面宽度的12，且正 交方向梁高度不小于框架梁高度的34时，可采用1.5，9度的一级宜采用1.25，其他情况均采用1.0；承载力抗震调整系数，可采用0.85；节点核芯区的截面高度，可采用验算方向的柱截面高度；节点核芯区的截面有效验算宽度。节点受剪承载力现浇框架节点核芯区截面受剪承载力按下式计算：9度和一级框架尚应符合下式要求：-混凝土抗拉强度设计值；-对应于重力荷载代表值的上柱轴向压力；-箍筋间距；-箍筋抗拉强度设计值；-核心区验算宽度bj范围内同一截面验算方向各肢箍筋的总截面面积;-节点核芯区的截面高度；节点截面有效宽度a.当梁柱轴线重合，且梁宽不小于该侧柱宽的1/2时:b.当梁柱轴线重合，但梁宽小于该侧柱宽1/2时，取下列较小者:c.当梁柱轴线不重合（偏心距不大于 ）时，此时取下列较小值:此时柱箍筋应沿全高加密。框架节点构造要求箍筋最大间距和最小直径：宜按表采用，框架节点核芯区配箍特征值：一、二、三级分别不宜小于0.12、0.10、0.08，轴压比小于0.4时，可查表采用。利用柱纵向钢筋进行约束，柱的纵筋间距不宜大于200mm。封闭箍筋应有1350弯钩，弯钩末端直线延长段不宜小于10倍箍 筋直径并锚入核芯区混凝土内。箍筋的无支承长度不得大于350mm，否则应配置辅助拉条。梁柱中的纵向受力钢筋，不宜在节点中切断或搭接。顶层节点附加斜筋。为保证节点核芯区的抗剪承载力，使框架梁、柱纵筋有可靠的锚固条件，对节点核芯区混凝土进行有效的约束是必要的。（2）梁柱纵筋在节点区的锚固梁筋锚固方式：直线锚固（中柱）和弯折锚固（边柱）弯折锚固分为水平锚固段和弯折锚固段两部分规范规定：框架梁纵向钢筋在边柱节点的锚固长度应按下式计算：-纵向抗拉钢筋非抗震设计的最小锚固长度；-附加锚固长度，一级取10d，二级取5d；三、四级可不考虑。柱筋锚固中柱框架梁上的上部钢筋应贯穿中柱节点。为防止纵筋的过大滑移，梁内贯通中柱的每根纵筋直径，一、二级 均不宜大于该方向柱截面高度的1/20。框架梁的钢筋伸入中柱节点的锚固长度也不应小于 。且伸过柱中 点线不应小于5d。当钢筋直径较大时，可在梁筋端部沿450弯起6d以改善锚固。框架顶层边柱：柱正弯矩钢筋 若所需锚固长度小于梁高，仍应伸到柱顶切断；若所需锚固长度大于梁高，则应伸到水平柱顶后水平弯折并满足 锚固长度要求。