混凝土結構抗震設計課件

1、1 第四章鋼筋混凝土結構抗震設計2 本章內容提要 4.1 概述 4.2 震害及其分析 4.3 抗震設計的一般規(guī)定 4.4 框架和框架-抗震墻結構水平地震作用的計算 4.5 框架結構內力與位移計算 4.7 框架梁、柱、節(jié)點抗震設計及抗震構造措施3 1.我國對高層住宅 的劃分： 我國住宅建筑設計規(guī)范（GBJ96-86）中規(guī)定79層為小高層住宅，1030層為高層住宅。一、 多層與高層4.1 概述2. 我國其他有關規(guī)范中規(guī)定： 高層民用建筑設計防火規(guī)范（GBJ45-82）中規(guī)定10層及10層以上的住宅和建筑高度超過24m的其他民用建筑為高層建筑。 鋼筋砼高層建筑結構設計與施工規(guī)程（JBJ3-90）中規(guī)

2、定10層和10層以上的民用建筑為高層建筑。此規(guī)定僅限于鋼筋砼結構，其高度不超過200m。4 二、 多層及高層建筑結構體系1. 框架結構體系 （1）由線型桿件梁和柱組成的結構，稱為框架。整幢結構都由梁柱組成，稱為框架結構體系。 （2）特點： 建筑平面布置靈活，立面設計多變； 具有較大的空間，使用方便。 但剛度較差，用于層數(shù)較少的高層建筑。5 框架結構體系典型的平面圖框架房屋7 （3）框架在水平荷載作用下的變形特點： 框架側移由兩部分組成： 第一部分側移由由柱、梁的彎曲變形產生。柱和梁都有反彎點?？蚣芟虏康牧汉椭鶅攘Υ?，層間變形也大，愈到上部層間變形愈小，使整個框架結構的側移曲線呈剪切型，如圖（a

3、）。8 第二部分側移由柱的軸向變形產生。柱的拉伸和壓縮使結構產生側向位移。這種側移底部層間變形較小，愈到上部層間變形愈大，使整個結構的側移曲線呈現(xiàn)彎曲型，如圖（b）。由于框架結構中第一部分側移是主要的，所以疊加后的框架側移曲線仍呈剪切型特征，如圖（c）。9 2. 剪力墻結構體系 （1）利用墻體作為承受豎向荷載，抵抗水平荷載的結構，稱為剪力墻結構體系。（2）特點： 墻體間距一般38米，適用于較小開間的建筑。 整體性好，剛度大，側向變形小，承載力容易滿足。 平面布置限制大，小空間，結構自重大。 （3）變形：側移曲線為彎曲型（高寬比較大的剪力墻結構），如圖。10 (a)(b)(c)(d)(e)(f)

4、11 3. 框架-剪力墻結構體系 、框架-筒體結構體系 （1）在框架結構中設置部分剪力墻，就組成了框架-剪力墻結構。如果將剪力墻布置成筒體，又可稱為框架-筒體結構體系。 （2）特點： 建筑上能提供較大的空間。 剪力墻（筒體）側向剛度大，承擔大部分水平荷載。 框架主要承受豎向荷載，也承擔少部分水平荷載。 整個結構的剛度和承載力比框架結構體系大為提高。12 13 抗震墻框架-抗震墻14 （3） 變形：框架側移曲線呈剪切型變形，剪力墻側移曲線呈彎曲型，兩者共同工作后，側向位移曲線呈彎剪型，見下圖。15 4. 筒體結構 （1）筒體的基本形式 a. 實腹筒：用剪力墻圍成的筒體，稱為實腹筒。 b. 框筒：

5、由密排柱和深梁框架圍成的筒體，稱為框筒。 c. 桁架筒：筒體的壁是由豎桿和斜桿形成的桁架組成，稱為桁架筒。 16 （2）筒體的特點 筒體具有空間整體受力性能。在水平荷載作用下可看作固定于基礎上的箱形懸臂梁。 筒體比單片面結構具有更大的抗側剛度和承載力，并具有很好的抗扭剛度 。17 （3）筒體結構形式 筒中筒結構 用框筒或桁架筒做為外筒，實腹筒做為內筒，形成筒中筒結構。當采用鋼結構時，內筒也可由框筒做成 。 內外筒通過樓板聯(lián)系，共同工作，抵抗水平力。 框筒及筒中筒設計時，其布置原則是盡可能減少剪力滯后，充分發(fā)揮材料的作用。 18 19 多筒體系： 當采用多個筒體共同抵抗側向力時，就成為多筒結構

6、。 成束筒：兩個以上筒體排列在一起成束狀，稱為成束筒。如西爾斯大廈 。 多筒體結構：在一個平面內設置多個筒體，適應于復雜平面的布置要求 。 多重筒體結構 。20 21 5. 巨形框架結構 利用筒體作為柱子，在各筒體之間每隔數(shù)層用巨形梁相連，形成巨形框架，如圖。 在巨形框架的各層可以建造普通的多層框架或形成很大空間的中庭，滿足建筑的需要。 下頁圖是巨形框架的例子。22 (a)桁架型(b)斜格型(c)框筒型一、框架梁、柱的震害 梁柱變形能力不足，構件過早發(fā)生破壞。一般是梁輕柱重，柱頂重于柱底，尤其是角柱和邊柱更易發(fā)生破壞。1、柱頂 柱頂周圍有水平裂縫、斜裂縫或交叉裂縫。重者混凝土壓碎崩落，柱內箍筋

7、拉斷，縱筋壓曲成燈籠狀。 主要原因：節(jié)點處彎矩、剪力、軸力都較大，受力復雜，箍筋配置不足，錨固不好等。 破壞不易修復。4.2 震害及其分析2、柱底 與柱頂相似，由于箍筋較柱頂密，震害相對柱頂較輕。3、短柱 當柱高小于4倍柱截面高度（H/b3時）假定：節(jié)點轉角=0，即Kb=反彎點位置：一般層0.5H 處；底層2/3H i層k柱的線剛度：i層k柱的側移剛度 ： 78 第i層總剪力： i層k柱分配的剪力：適用于層數(shù)少的框架結構，因為此時柱截面尺寸小，易滿足Kb/Kc3的條件。 79 3. 用D值法計算框架內力近似考慮節(jié)點轉動對柱側移剛度和反彎點位置的影響。考慮節(jié)點轉動對柱側移剛度的影響系數(shù)假定：節(jié)點

8、轉角相同（1）計算各層柱的側移剛度D 考慮樓板對梁線剛度的影響，框架梁截面慣性距b增大系數(shù)中框架：2.0；邊框架1.581 （2）計算各根柱所分配的剪力 已知第i層層間地震剪力Vi 82 （3）確定柱子反彎點高度y83 （4）計算柱端彎矩Mc （5）計算梁端彎矩Mb （6）計算梁端剪力Vb（7）計算柱子軸力N 柱子軸力為各層梁端剪力的代數(shù)和。 85 二、 豎向荷載下框架內力的計算1.計算方法 （1）分層法 按本層梁和上下柱組成的計算單元，將整個框架分成若干個開口框架。然后按彎矩分配法計算各單元框架，最后再將柱端彎矩疊加，形成整體框架的彎矩圖。 （2）彎矩二次分配法 將各節(jié)點的不平衡彎矩，同時作

9、分配和傳遞。第一次按梁柱線剛度分配固端彎矩，將分配彎矩傳遞一次（傳遞系數(shù)為1/2），再作一次彎矩分配即可。86 2.分層法計算基本假定：（）本層梁荷載對其它層梁的內力影響可以忽略不計1梁EI大，節(jié)點轉角小，則引起的柱M小，傳遞的M越小。即：EA梁/EA柱32 節(jié)點有側移時，影響下層，故忽略豎向荷載下的側向變形。即外荷與結構均對稱（2）彈性約束假設為固定支座（柱的線剛度為0.9 ic） 即柱線剛度取 i=0.9 ic87 分層法計算步驟：（1）逐層取出開口框架計算簡圖 88 （2）計算出梁、柱的線剛度或相對線剛度。 對柱線剛度作出調整： 底層柱線剛度不變，傳遞系數(shù)為1/2； 其余層柱線剛度乘以系

10、數(shù)0.9，傳遞系數(shù)為1/3。 （3）用彎矩分配法計算各開口框架彎矩。 （4）把計算結果桉節(jié)點一一對應迭加，即得整個框架彎矩。 （5）如果節(jié)點不平衡彎矩值較大，可重新分配一次，但不再傳遞。 （6）計算跨中彎距：90 3. 梁端的彎矩調幅 由于鋼筋混凝土結構具有塑性內力重分布性能，在豎向荷載作用下可以考慮適當降低梁端彎矩，即進行彎矩調幅。調幅系數(shù)如下： （1）現(xiàn)澆框架結構：=0.8-0.9 （2）裝配整體式框架： =0.7-0.8 梁端彎矩調幅后，跨中彎矩應相應增加，并且調幅后的跨中彎矩不應小于簡支情況下跨中彎矩的50%。91 調幅后跨中彎矩為： 注意：只有豎向荷載作用下的梁端彎矩才可以調幅，水平

11、荷載作用下的梁端彎矩不能調幅。92 4. 關于活荷載的不利布置 當活荷載不很大時，可以按滿跨布置。 當活荷載比較大時，可將跨中彎矩乘以1.1-1.2的增大系數(shù)。以考慮活荷載不利布置對跨中彎矩的影響。93 三、 框架的內力組合1.控制截面 （1）梁：兩端截面及跨中截面。 （2）柱：原則上選擇每層柱的上、下端作為控制截面。 層數(shù)不多時，整根柱配筋相同。 層數(shù)較多時，分段配筋。 94 2.內力組合（組合內力設計值） （1）1.2恒+1.4活 （2）（ 1.2恒+0.5活）+1.3震 組合時采用表格計算。 恒恒載下的內力 活活載下的內力等+96 3.選取最不利內力用于配筋計算 （1）梁的最大內力 （考

12、慮地震左、右作用）。 組合兩端負彎矩（取大者）： 梁端正彎距：梁端剪力（取大者） ：97 組合跨中彎矩（取大者） ： 梁端截面取柱邊緣內力組合值用作配筋計算。 配筋計算：當層數(shù)不多時，各層梁可統(tǒng)一配筋。 當層數(shù)較多時，可按幾層為一段統(tǒng)一配筋。 98 （2）柱的最大內力 考慮結構兩個主軸方向分別組合。 進行柱子兩端內力組合，并考慮地震左、右作用。 考慮以下幾組組合： 最大彎矩、及相應的剪力和軸力 最大軸力、及相應的彎矩和剪力 最小軸力、及相應的彎矩和剪力 按柱凈高兩端內力組合值進行配筋計算：層數(shù)不多時，整根柱配筋相同。當層數(shù)較多時，分段配筋。99 四、 框架結構位移驗算1.多遇地震作用下層間彈性

13、位移驗算 （1）層間地震剪力：Vi （2）層間剛度： （3）層間彈性位移： （4）層間彈性位移驗算100 2.罕遇地震作用下層間彈塑性位移驗算 （1）樓層屈服強度系數(shù) y （2）計算罕遇地震作用下的層間地震剪力101 （3）層間屈服剪力Vyi的確定 計算梁、柱的極限抗彎承載力 102 計算柱端的有效屈服彎矩 可根據(jù)不同的屈服機制，確定柱端的有效屈服彎矩。103 計算第i層第j根柱的受剪承載力 計算第i層的樓層屈服剪力104 （4）計算樓層屈服強度系數(shù)（5）確定薄弱層 105 （6）計算薄弱層的層間彈塑性位移（7）薄弱層的彈塑性位移驗算106 4.6 框架-抗震墻結構內力和側移的計算（自學）10

14、7 4.7 框架結構梁、柱與節(jié)點的抗震設計及構造措施一、框架設計的基本原則 1.強柱弱梁 2、 強剪弱彎 108 3.強節(jié)點（強錨固）弱桿件 梁柱節(jié)點的承載力宜大于梁、柱構件的承載力。 “更強的節(jié)點” 4.強壓區(qū)弱拉區(qū)注意：“強”和“弱”的概念 109 二、框架梁截面設計 1.截面尺寸bbhb （1） bb200mm，且1/2bc（加強節(jié)點區(qū)） （2） hb/bb4(或hb/bb0.25)（薄腹梁容易發(fā)生剪切破壞） （3） ln/hb4 （深梁容易產生剪切破壞） （4） （剛度要求） （5） （便于縱向、橫向梁底縱筋通過） 110 2.材料 （1）砼強度等級 C30（一級抗震） C20（ 二、

15、三級抗震） （2）縱向受力鋼筋：HRB400 HRB500 箍筋：HPB300 HRB400111 3.梁正截面受彎承載力112 矩形截面或翼緣位于受拉邊的T形截面梁，其正截面受彎承載力應按下列公式驗算： 113 混凝土受壓區(qū)高度應符合下列要求： 一級 x 0.25 h0 二、三級 x 0.35 h0 同時 x 2a 114 （1）剪壓比限值 為了保證梁截面尺寸不至于太小.規(guī)范規(guī)定：對于跨高比大于2.5的框架梁，其剪力設計值應符合下式： 對于跨高比不大于2.5的框架梁，其剪力設計值應符合下式：4.梁斜截面受剪承載力115 （2）強剪弱彎 為了實現(xiàn)“強剪弱彎”，規(guī)范規(guī)定：對于抗震等級為一、二、三

16、級的框架梁端剪力設計值應按下式調整：116 （3）梁斜截面受剪承載力 對于一般框架梁，斜截面受剪承載力按下式計算： 對于集中荷載作用下的框架梁，按下式計算：117 5.提高梁延性的構造措施 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(qū)高度； 地震下，梁端會出現(xiàn)彎矩反號。 梁頂面和底面的通長鋼筋（考慮地震彎矩的不確定性） 一、二級不應少于214，且不應少于梁端頂面和底面縱向鋼筋中較大截面面積的1/4；三、四級不應少于212。 118 梁中貫通中柱節(jié)點的縱筋直徑d 一級框架：dhc /25 二級框架：dhc /20 梁端縱筋配筋率2.5，且相對受壓區(qū)高度一級不應大于0.25，二

17、、三級不應大于0.35。 119 梁端箍筋加密 .作用 （a）保證梁端塑性鉸區(qū)的抗剪強度。 （b）約束砼以便提高梁端塑性鉸區(qū)變形能力。 . 梁端箍筋加密要求 （a）加密區(qū)的長度、箍筋直徑、箍筋間距（見表）。 （b）加密區(qū)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）121 三、 框架柱截面設計1. 柱的設計原則 （1）強柱弱梁，使柱盡量不出現(xiàn)塑性鉸。 （2）在彎曲破壞之前不發(fā)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bchc （1）矩形柱bc或hc300mm，

18、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。 122 （3）剪跨比宜大于2.0；柱凈高Hn /hc 4（避免短柱）。 （4）偏心距。柱中線于梁中線之間的偏心距不宜大于柱截面寬度的1/4。123 3. 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。 124 （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(tài)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(xiàn)兩種破壞形態(tài)：受拉鋼筋首先屈服的大偏心受壓破壞受壓區(qū)混凝土先壓碎而受拉鋼筋未屈服

19、的小偏心受壓破壞。 軸壓比小于一定數(shù)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。125 （3）軸壓比的限值 規(guī)范中給出的軸壓比的限值，是依據(jù)理論分析和試驗研究確定的。軸壓比的限值見下表。結構類型抗震等級一級二級三級四級框架結構0.650.750.850.9框架-抗震墻、板柱-抗震墻及筒體0.750.850.900.95部分框支抗震墻0.60.7-柱軸壓比的限值126 4. 柱的內力設計值調整（強柱弱梁） （1）強柱弱梁，使框架實現(xiàn)梁鉸側移機構。要求除頂層和軸壓比小于0.15的柱之外，節(jié)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：127 （2）強剪弱彎?？?/p>

20、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：128 （3）一、二、三級框架結構的底層，柱下端截面組合彎矩設計值，應分別乘以增大系數(shù)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，按調整后的彎矩、剪力設計值，尚應乘以增大系數(shù)1.1。129 5. 柱的正截面受彎承載力計算 矩形截面受彎承載力計算130 6. 柱縱向鋼筋配置 （1）框架柱截面宜采用對稱配筋。截面尺寸大于400mm的柱，縱向鋼筋間距不宜大于200mm。 （2）最大配筋率限制：總配筋率不應大于5%；一級且剪跨比不大于2的柱，每側縱向鋼筋配筋率不宜大于

21、1.2%。 （3）最小配筋率限制：柱截面最小總配筋率應符合下表要求。類別抗震等級一級二級三級四級中柱和邊柱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括號內數(shù)用于框架結構132 7. 柱的斜截面受剪承載力計算 （1）剪壓比限值 對于一般柱，應符合 對于短柱，應符合：133 （2）柱斜截面受剪承載力134 8. 柱的箍筋配置 （1）柱端箍筋加密的作用 增加柱端截面抗剪強度。 約束混凝土，提高混凝土的抗壓強度及變形能力。 為縱向鋼筋提供側向支撐，防止縱筋壓曲。 135 （2）柱箍筋加密區(qū)的范圍 柱子兩端取截面高度（圓柱直徑）、柱凈高的1/6和

22、500mm三者的最大值。 底層柱的下端不小于柱凈高的1/3。 剛性地面上下各500mm。 剪跨比不大于2的柱和因非結構墻的約束形成的柱凈高于柱截面高度之比不大于4的柱、框支柱、一級、二級框架柱的角柱，取全高。136 （3）柱箍筋加密區(qū)的箍筋間距、直徑和肢數(shù) 一般情況下，箍筋的最大間距和最小直徑，應按表取用。 137 一級框架柱的箍筋直徑大于10mm且肢距不大于150mm時及二級框架柱的箍筋直徑不小于10mm且肢距不大于200mm時，除柱根外最大間距允許采用150mm；三級框架柱的截面尺寸不大于400mm時，箍筋最小直徑允許采用6mm；四級框架柱剪跨比不大于2時，箍筋直徑不應小于8mm。 框支柱和剪跨比不大于2的柱，箍筋間距不應大于100mm。 柱箍筋加密區(qū)的箍筋肢距，一級不宜大于200mm，二、三級不宜大于250mm和20d箍較大者，四級不宜大于300mm。至少每隔一根縱筋宜在兩個方向有箍筋或拉筋約束；當采用拉筋組合箍筋時，拉筋宜緊靠縱向鋼筋并勾住箍筋。138 （4）柱箍筋加密區(qū)的箍筋最小配箍率和最小配箍