《高层建筑结构与抗震》辅导材料七

1《高层建筑结构与抗震》辅导材料七框架设计与构造主要内容：提高框架结构延性的措施；框架梁的抗震设计——正截面及斜截面受弯承载力计算;框架柱的抗震设计——正截面及斜截面受弯承载力计算；梁柱节点的抗震设计。第一节框架结构的延性当结构反应进入非线性阶段后，强度不再是控制设计的唯一指标，变形能力变得与强度同等重要。因为一般结构并不具备足以抵抗强烈地震的强度储备，而是利用结构的弹塑性性能吸收地震能量，以达到抗御强震的目的。因此，深刻理解并熟练掌握提高框架结构延性的各项措施，尤其是强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件的设计原则是非常重要的。一、结构的延性指标截面的塑性变形能力常常用延性比来衡量，即yu，其中y表示截面屈服时的曲率，u表示截面极限曲率。结构的延性通常用顶点位移延性比表示，即yu。其中Δy为结构进入塑性状态时的顶点位移。是结构抗震性能的一个重要指标。对于延性比大的结构，在地震作用下结构进入弹塑性状态时，能吸收、耗散大量的地震能量，此时结构虽然变形较大，但不会出现超出抗震要求的建筑物严重破坏或倒塌。相反，若结构延性较差，在地震作用下容易发生脆性破坏，甚至倒塌。二、结构延性的作用（1）防止脆性破坏；（2）承受某些偶然因素的作用；（3）实现塑性内力重分布；（4）有利于结构抗震。三、提高结构延性的措施⒈“强柱弱梁”设计原则—控制塑性铰的位置在地震作用下，框架结构中塑性铰出现的位置或顺序不同，将使框架结构产生不同的破坏形式。但是不允许在梁的跨中出铰。梁的跨中出铰将导致局部破坏。强梁弱柱型结构的塑性铰首先出现在柱中，破坏时只跟最薄弱层柱的强度和延性性能有关，而与其他各层梁柱的承载能力和耗能能力均没有发挥作用。而强柱弱梁型结构的塑性铰首先出现在梁中，当部分梁端甚至全部梁端均出现塑性铰时，结构仍能继续承受外荷载，而只有当柱子底部也出现塑性铰时，结构才达到破坏。由于柱中出现塑性铰，不易修复而且容易引起结构倒塌；塑性铰出现在梁端，却可以使结构在破坏前有较大的变形，吸收和耗散较多的地震能量，具有较好的抗震性能，而且梁的延性远大于柱的延性。所以，较合理的框架破坏机制应是梁比柱的塑性屈服尽可能早发生和多发生，底层柱柱根的塑性铰较晚形成，各层柱子的屈服顺序应错开，不要集中在某一层。这种破坏机制的框架，就是强柱弱梁型框架。震害调查也证实强梁弱柱引起的结构震害比较严重。⒉梁柱的延性设计框架结构抗震设计的关键是梁柱塑性铰设计。为此，应遵循：（1）“强剪弱弯”设计原则—控制构件的破坏形态在进行框架梁、柱设计时，应使构件的受剪承载力大于其受弯承载力，使构件发生延性较好的弯曲破2坏，避免发生延性较差的剪切破坏，而且保证构件在塑性铰出现之后也不过早剪坏，这就是“强剪弱弯”的设计原则，它实际上是控制构件的破坏形态。（2）梁、柱剪跨比限制剪跨比反映了构件截面承受的弯矩与剪力的相对大小。它是影响梁、柱极限变形能力的主要因素之一，对构件的破坏形态有很重要的影响。因此，为保证柱子发生延性破坏，抗震设计时要求柱净高与截面长边尺寸之比宜大于4，若不满足，应在柱全高范围内加密箍筋。类似地，对框架梁而言，则要求其净跨ln与截面高度hb之比不宜小于4。当梁的跨度较小而梁的设计内力较大时，宜首先考虑加大梁宽，这样虽然会增加梁的纵筋用量，但对提高梁的延性却是十分有利的。⑶梁、柱剪压比限制设计中应限制剪压比（0bhfVc）即梁截面的平均剪应力，使箍筋数量不至于太多，同时，也可有效地防止斜裂缝过早出现，减轻混凝土碎裂程度。这实质上也是对构件最小截面尺寸的要求。⑷柱轴压比限制及其他措施轴压比μN指柱有地震作用组合的柱轴压力设计值N与柱的全截面面积Ac和混凝土轴心抗压强度设计值fc乘积的比值，cccccNhbfNAfN（bc、hc分别为柱截面的宽度和高度）。试验研究表明，轴压比的大小，与柱的破坏形态和变形能力是密切相关的。所以，抗震设计中应限制柱的轴压比不能太大，宜满足表10—1的规定。其实质就是希望框架柱在地震作用下，仍能实现大偏心受压下的弯曲破坏，使柱具有延性性质。柱轴压比限值表10-1抗震等级一二三轴压比限值0.70.80.9⑸箍筋震害表明，梁端、柱端震害严重，是框架梁、柱的薄弱部位。所以按照强剪弱弯原则设计的箍筋主要配置在梁端、柱端塑性铰区，称为箍筋加密区。在塑性铰区配置足够的箍筋，可约束核心混凝土，显著提高塑性铰区混凝土的极限应变值，提高抗压强度，防止斜裂缝的开展，从而可充分发挥塑性铰的变形和耗能能力，提高梁、柱的延性；而且钢箍作为纵向钢筋的侧向支承，阻止纵筋压屈，使纵筋充分发挥抗压强度。所以，在框架梁端、柱端塑性铰区，箍筋必须加密。⑹纵筋配筋率试验表明：钢筋混凝土单筋梁的变形能力，随截面混凝土受压区相对高度x/h0的减小而增大，而x/h0随着配筋率的增大、钢筋屈服强度的提高和混凝土强度等级的降低而增大，延性性能降低。为此，规范对一、二、三级抗震等级框架梁的x/h0和ρmax作出了规定。同时，框架梁还应满足最小配筋率的要求。⒊“强节点弱构件”设计原则由于节点区的受力状况非常复杂，所以在结构设计时只有保证各节点不出现脆性剪切破坏，才能使梁、柱充分发挥其承载能力和变形能力。即在梁、柱塑性铰顺序出现完成之前，节点区不能过早破坏。第二节框架梁的抗震设计着重介绍在高层钢筋混凝土框架中，各构件截面设计及构件配筋构造的特殊要求，特别是在地震作用下抗震结构截面计算、构造设计方法及延性要求等。深刻理解并掌握各项验算或措施的原因及具体内容。比如抗震设计时框架梁的截面承载力为何除以承载力抗震调整系数RE；“强剪弱弯”的设计原则是如何体3现到框架梁的斜截面承载力设计中的。一、正截面受弯承载力计算抗震设计时框架梁的截面承载力应除以承载力抗震调整系数RE，即RERS。式中：S—荷载效应组合的设计值；R—结构构件的抗震承载力设计值；RE一承载力抗震调整系数。对强柱弱梁型框架，地震作用下将首先在框架梁的端部出现塑性铰。由于梁的变形能力主要取决于梁端的塑性铰转动能力，从而需对梁端混凝土相对受压区高度及配筋率加以限制，以保证框架梁有足够的曲率延性。此外，梁端底面和顶面纵向钢筋的比值，同样对梁的变形能力有较大影响。因此，《建筑抗震设计规范》规定：⒈有地震作用组合的梁端箍筋加密区：一级抗震等级025.0hx二、三级抗震等级035.0hx梁跨中：0hxb⒉框架梁纵向受拉钢筋配筋率应满足%5.2minAs抗震设计框架梁纵向受拉钢筋的最小配筋百分率min（%）表10-3抗震等级支座跨中一二三、四0.4和80ft/fy二者较大值0.3和65ft/fy二者较大值0.25和55ft/fy二者较大值0.3和65ft/fy二者较大值0.25和55ft/fy二者较大值0.2和45ft/fy二者较大值⒊框架梁的两端箍筋加密区范围内，底面和顶面纵向受力钢筋的截面面积比值，应符合下列要求：一级抗震等级5.0'ssAA二、三级抗震等级3.0'ssAA非抗震设计时，只要求不出现超筋破坏现象，即0hxb二、斜截面受剪承载力计算⒈剪力设计值Vb的取值框架梁端的剪力设计值Vb应根据框架梁的梁端弯矩和重力荷载，由静力平衡条件确定（右图）。但为了减少梁端塑性铰区发生脆性剪切破坏的可能性，体现延性框架“强剪弱弯”的设计原则，要求框架梁端的受剪承载力高于其受弯承载力。而梁端受剪承载力的提高，首先是在剪力设计值的确定中考虑了梁端弯矩的增大。考虑上述因素后，框架梁端箍筋加密区的梁截面剪力设计值Vb应按下列公式计算：一级抗震等级：GbnrbualbuabVlMMV1.1或GbnrblbbVlMMV3.1二级抗震等级GbnrblbbVlMMV2.1三级抗震等级GbnrblbbVlMMV1.1四级抗震等级取地震作用组合下的剪力值。上述公式中，框架梁两端弯矩值之和(rbualbuaMM)或(rblbMM)均应分别按顺时针和逆时针两个方4向进行计算，并取各自较大值。应该指出，上述公式只适用于梁端箍筋加密区的梁截面剪力设计值Vb的计算，而在塑性铰区范围以外，梁的设计剪力取内力组合得到的计算剪力。⒉斜截面受剪承载力⑴无地震作用组合的剪力，按下式验算：对于均布荷载0025.17.0hSAfbhfVsvyvtb对于集中荷载作用下的框架梁（包括有多种荷载、且其中集中荷载对节点边缘产生的剪力值占总剪力值的75%以上的情况），则按下式计算：00175.1hSAfbhfVsvyvtb⑵在反复荷载作用下，规范根据试验给出了考虑地震作用的框架梁斜截面受剪承载力的计算公式：均布荷载)25.142.0(100hSAfbhfVsvyvtREb集中荷载)105.1(100hSAfbhfVsvyvtREb应该指出的是：第一，一级、二级、三级和四级抗震等级的框架梁沿梁全长箍筋的面积配筋率sv分别不应小于yvtff/30.0、yvtff/28.0、yvtff/26.0和yvtff/26.0。第二，在塑性铰区，不仅有竖向裂缝，也有斜裂缝。在地震作用下，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，这是十分危险的。因此加密区配筋设计时还应遵循如下构造措施：①箍筋加密区长度不得小于2倍梁高（一级抗震）或1.5倍梁高（二～四级抗震），且不应小于500mm；②不能用弯起钢筋抗剪；③加密区箍筋除按受剪承载力计算外，尚应满足表10-4的要求；④第一个箍筋应设置在距离节点边缘50mm或以内；⑤非加密区的箍筋最大间距不宜大于加密区箍筋间距的2倍；否则破坏可能转移到加密区之外。⑥在箍筋加密区范围内，箍筋肢距一级抗震等级不宜大于200mm及20倍箍筋直径较大值；二、三级不宜大于250mm及20倍箍筋直径较大值；四级不宜大于300mm。梁端加密区箍筋构造要求表10-4抗震等级箍筋最大间距(取最小值)箍筋最小直径一二三四mmdhb100,6,4mmdhb100,8,4mmdhb150,8,4mmdhb150,8,4φ10φ8φ8φ6注：表中bh为梁高；d为纵筋直径⒊截面限制条件5对于非抗震设计和四级抗震等级的框架梁的受剪截面应符合：025.0bhfVccb对于一、二、三级抗震等级的框架梁的受剪截面应符合要求：)20.0(10bhfVccREb当上式不满足时，可加宽梁的截面或提高混凝土强度等级。第三节框架柱的抗震设计深刻理解并掌握各项验算或措施的原因及具体内容。比如“强柱弱梁”的设计原则是如何体现到框架柱的抗震设计中的；为何角柱的纵筋最小配筋率比中柱大。理解各项验算或措施的原因有利于掌握其具体内容。一、正截面承载力计算抗震设计时框架应符合“强柱弱梁”的设计原则，有目的增大柱端弯矩设计值，以延缓柱的屈服。为此，框架柱节点上、下端截面考虑抗震等级的内力设计值应按下列规定采用：⒈⑴节点上、下柱端的弯矩设计值9度设防烈度的各类框架和一级抗震等级的框架结构buacMM2.1且不应小于按下式求得的cM值。一级抗震等级：bcMM4.1二级抗震等级：bcMM2.1三级抗震等级：bcMM1.1四级抗震等级，柱端弯矩设计值取地震作用组合下的弯矩设计值。当反弯点不在柱的层高范围内时，对一、二、三级抗震等级柱端弯矩组合设计值应乘以1.4、1.2、1.1系数；框架顶层和轴压比小于0.15的柱以及四级抗震等级时，考虑地震作用组合的柱端弯矩设计值可直接取地震作用组合下的弯矩设计值。⑵节点上、下柱端的轴向压力设计值，取地震作用组合下各自的轴向力设计值。⒉地震时，框架结构底层柱的下端若过早出现塑性铰，将会影响整个结构的变形能力，因此，《建筑抗震设计规范》规定一、二、三级框架此部位的地震作用组合的弯矩设计值应分别乘以增大系数1.50、1.25和1.15，以加强底层柱下端的实际受压承载力。⒊对一、二、三级抗震等级的框架结构，考虑到角柱由地震作用引起的内力较大，且受力复杂，所以设计中应按双向偏心受压构件计算，其内力设计值取调整后的弯矩、剪