《高層建筑結(jié)構(gòu)設計》課件 第5、6章 高層建筑結(jié)構(gòu)有限元計算、高層框架結(jié)構(gòu)設計

高層建筑結(jié)構(gòu)1高層建筑結(jié)構(gòu)第五章高層建筑結(jié)構(gòu)有限元計算原則5.1有限單元法基本概念和計算假定5.2材料特性與荷載工況選取5.3三維有限元模型建立5.4結(jié)構(gòu)總體反應分析

熊海貝

教授，一級注冊結(jié)構(gòu)工程師同濟大學土木工程學院結(jié)構(gòu)防災減災工程系

xionghaibei@

高層建筑結(jié)構(gòu)2第五章

高層建筑結(jié)構(gòu)3【學習目標】了解高層建筑結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)中構(gòu)件、節(jié)點和荷載等的計算假定，了解材料性能假定，掌握結(jié)構(gòu)彈性狀態(tài)下的三維整體計算方法。了解常用計算軟件的適用范圍，學習對計算結(jié)果進行合理判斷的方法?！緦W習方法】通過對結(jié)構(gòu)力學知識、材料力學知識和結(jié)構(gòu)概念設計方法的梳理和復習，以案例學習和上機操作，了解和掌握本章節(jié)的具體要求。高層建筑結(jié)構(gòu)為多次超靜定空間結(jié)構(gòu)。由于功能和經(jīng)濟指標需求，其平面布置較多層結(jié)構(gòu)復雜，如果簡化成平面單元，可能帶來極大的計算量和較大的計算誤差。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展、數(shù)值計算方法的快速有效，以及結(jié)構(gòu)計算理論的提高，高層建筑結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析、變形計算和承載力驗算已廣泛采用三維空間有限元方法進行。5.1有限單元法基本概念和計算假定

高層建筑結(jié)構(gòu)4有限單元法內(nèi)力分析變形計算承載力驗算5.1.1有限單元法基本概念有限元法（FiniteElementMethod）是一種近似數(shù)值方法,用來解決力學、數(shù)學中的帶有特定邊界條件的偏微分方程問題。在有限元法提出之前，求解結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的力學問題用的是解析法解析法依賴于理想化假定，一旦工程復雜不能直接得到解析解。有限元法把復雜的整體結(jié)構(gòu)離散成有限個單元，再把理想化的假定和力學方程施加于每一個單元，然后通過單元分析組裝得到結(jié)構(gòu)總剛度方程，通過邊界條件和其他約束解得結(jié)構(gòu)總體反應。對于同一實際結(jié)構(gòu)，構(gòu)件或節(jié)點選用不同的計算單元，將直接影響結(jié)構(gòu)的整體反應。因此單元選擇、邊界條件確定和計算假定一定要盡可能符合實際工程結(jié)構(gòu)受力特點。

高層建筑結(jié)構(gòu)55.1.2單元基本假定常用的單元和節(jié)點：一維桿單元：用于求解桿兩端和桿內(nèi)的應力和應變。二維平面單元：用于求解平面三個或更多端點及平面內(nèi)部應力和應變。三維實體單元：用于求解實體空間內(nèi)的應力和應變問題。

高層建筑結(jié)構(gòu)65.1.2單元基本假定研究和分析塊體中內(nèi)部的應力和應變時，需要采用三維實體單元。1）研究超高層建筑某巨形柱中鋼板、鋼筋和混凝土之間力的傳遞和變形分布時，矩形柱中的混凝土需選用三維實體單元，鋼板可選用二維平面單元，而鋼筋則可選用一維桿單元，三者單元的節(jié)點是對應和連續(xù)的。2）研究三者之間的粘結(jié)滑移、脫開等情況，節(jié)點之間需要設置彈簧單元和接觸單元等。左圖:某框剪結(jié)構(gòu)三維有限元模型其中梁和柱采用一維桿單元.剪力墻采用二維平面單元。

高層建筑結(jié)構(gòu)75.1.3節(jié)點連接基本假定

高層建筑結(jié)構(gòu)8種類假定剛性連接兩個單元在連接節(jié)點處的6個自由度變形安全一致，節(jié)點傳遞三個方向的力和位移。鉸接三個平動自由度一致，三個轉(zhuǎn)角自由度為零；即節(jié)點處不傳遞彎矩，或彎矩為零。彈簧連接兩個單元在節(jié)點處設置零長度的一維彈簧單元，即節(jié)點連接處有一個位移差，該位移差源于連接處的軸向力除以彈簧的剛度。如果是角位移，則是彎矩除以彈簧的轉(zhuǎn)動剛度。兩個節(jié)點處最多可以有6個獨立的彈簧單元與6個自由度對應。接觸連接兩個節(jié)點之間只傳遞壓力，不傳遞拉力。即一旦出現(xiàn)拉力，兩個節(jié)點在該拉力方向沒有連接，位移不再協(xié)調(diào)。摩擦連接兩個節(jié)點在垂直于受力的方向有個摩擦彈簧連接，摩擦力與正壓力和界面摩擦系數(shù)有關。耗能連接兩個節(jié)點之間的彈簧是耗能彈簧。兩點之間的耗能特性由耗能構(gòu)件或設備的耗能特性決定。5.1.4常用的結(jié)構(gòu)有限元分析軟件目前，結(jié)構(gòu)有限元軟件可分為兩種：面向結(jié)構(gòu)設計、驗算和面向構(gòu)件分析。1.面向結(jié)構(gòu)設計的有限元分析軟件：我國的PKPM、盈建科YJK國外的SAP系列（SAP2000）、ETABS（基于SAP系列分析軟件）2.面向構(gòu)件分析的有限元軟件：ABAQUSANSYSOpenSEES（開源軟件）

高層建筑結(jié)構(gòu)95.2材料特性與荷載工況選取PKPM、盈建科、ETABS和SAP2000等有限元軟件一般內(nèi)置了常用的材料庫，可直接根據(jù)材料定義選用。對于ANSYS、ABAQUS、OpenSEES等分析軟件，需從其材料庫中定義符合材料特性的計算參數(shù)。下文以ABAQUS和OpenSEES為例，簡單介紹面向構(gòu)件分析的有限元軟件中相關材料的定義。

高層建筑結(jié)構(gòu)10ABAQUS除彈性材料模型外，塑性混凝土定義：1.塑性損傷模型（Concrete?Damage?Plasticity）2.彌散裂縫模型（Concrete?Smeared?Cracking）3.脆性破裂模型（ConcreteBrittle?Cracking）OpenSEES中對于混凝土常用的定義有單壓混凝土模型Concrete01、拉壓混凝土模型Concrete02、約束混凝土模型ConfinedConcrete01等，主要基于Scott等對于Kent-Park混凝土本構(gòu)的修正模型和Mander的混凝土骨架曲線。第五章5.2.1混凝土材料模型

高層建筑結(jié)構(gòu)11ABAQUS對于鋼材的定義較多，最常采用的為雙折線或多折線模型，即分別定義鋼材的彈性段和屈服段，利用多段直線模擬計算采用的鋼材應力-應變曲線。1）OpenSEES中常用的鋼材主要有雙折線模型Steel01和考慮單軸各向同性強化的Giuffre-Menegotto-Pinto鋼材本構(gòu)的Steel02。由于OpenSEES計算非線性較多，因此Steel02模型較為常用。2）ANSYS、ABQUS是大型分析軟件，具有大量的材料特性定義和節(jié)點力學特性定義，包含材料的線彈性和彈塑性特征、滯回曲線以及眾多的連接受力定義。第五章5.2.2鋼材模型

高層建筑結(jié)構(gòu)12專業(yè)設計軟件（如PKPM）已經(jīng)內(nèi)置了大量的可能出現(xiàn)的組合方式，按照默認方式一般可以得到最不利荷載組合。綜合性的有限元分析軟件（如OpenSEEs）需要根據(jù)實際工況通過手動添加自定義荷載分項系數(shù)及可能的組合情況。第五章5.2.3荷載工況

高層建筑結(jié)構(gòu)13荷載荷載效應組合截面設計恒荷載活荷載風荷載地震作用內(nèi)力和位移最不利組合進行荷載效應組合最大彎矩（對應剪力和軸力）最大剪力（對應彎矩和軸力）進行截面設計三維有限元結(jié)構(gòu)建立的過程，就是模擬實際結(jié)構(gòu)在空間的相對位置及連接方式，梁、柱、支撐、墻體、筒體等構(gòu)件的特性。有限元模型建立時：需要對各種構(gòu)件采用不同的單元在節(jié)點處采用合適的連接單元完成有限元模型的整體組裝第五章5.3三維有限元模型建立

高層建筑結(jié)構(gòu)14PKPM、盈建科：默認采用某一單元，一般梁、柱、支撐等細長的構(gòu)件采用桿單元。SAP2000：梁、柱、斜桿等構(gòu)件也采用桿單元，但不做區(qū)分，均為梁單元。但是如果考慮結(jié)構(gòu)塑性分布和塑性鉸等，需要對梁和柱做不同的塑性定義。如考慮結(jié)構(gòu)塑性分布和塑性鉸等，需要對梁和柱做不同的塑性定義。ABAQUS：梁、柱可按一維桿單元或三維實體單元建模，通過對其定義不同的截面進行區(qū)分。如結(jié)構(gòu)簡單，可以采用梁單元進行模擬，無需采用實體。對于含有配筋的結(jié)構(gòu)，可采用Truss單元定義鋼筋。OpenSEES：常用的梁、柱單元定義有基于梁、柱單元單元和基于柔度法的梁、柱單元單元。對配筋構(gòu)剛度法的件，可用纖維截面分別對應不同的纖維材料，再進行組裝。5.3.1梁、柱單元

高層建筑結(jié)構(gòu)155.3.2墻單元

高層建筑結(jié)構(gòu)16高層建筑結(jié)構(gòu)中，剪力墻是重要的抗側(cè)力構(gòu)件，墻體一般采用殼單元。在不同的軟件中，其單元名稱不同，但實質(zhì)均為二維平面單元，如PKPM中稱為墻單元，SAP2000中稱為殼（Shell）單元。值得注意的是，當進行非線性有限元計算，或非線性時程反應分析時，過多的殼單元會導致剛度矩陣臃腫、計算時間長、計算收斂性差，一般采用簡化等效抗剪切桁架單元模擬，或?qū)w簡化為短柱與抗剪彈簧的組合等。一般情況下，填充墻不屬于結(jié)構(gòu)受力單元，但是如果需要研究填充墻度對結(jié)構(gòu)的影響，可采用殼單元或簡化支撐單元模擬填充墻對結(jié)構(gòu)整體的性能影響。5.3.3板單元

高層建筑結(jié)構(gòu)17樓板分為剛性樓板和彈性樓板，分別對應平面內(nèi)剛度無窮大的板單元，或平面內(nèi)剛度按彈性計算的殼單元。如果采用剛性樓板假定，則可以不對樓板進行建模，而是采用剛性虛面使板的四邊具有共同的變形協(xié)調(diào)性，也就是所有豎向單元在樓層處具有協(xié)同的平面平移和轉(zhuǎn)動。樓板承受的靜荷載和活荷載按照單向板或雙向板假定作用在周邊梁上；對于不規(guī)則板，荷載按放射性或周邊均勻受荷的方式傳遞。如果樓板為鋼-混凝土組合樓板、或者樓板平面因功能需要局部開大洞，則樓板不符合平面內(nèi)剛性假定。此時，需要采用殼單元進行模擬。5.3.4有限元模型組裝

高層建筑結(jié)構(gòu)18完成每一樓層的構(gòu)件定義、定位，以及荷載作用后，需要將樓層進行組裝，形成數(shù)值化結(jié)構(gòu)體系。基本順序如下：1.軸網(wǎng)建立2.構(gòu)件定義3.樓層豎向荷載布置4.樓層組裝5.特殊節(jié)點定義6.計算參數(shù)選取5.結(jié)構(gòu)整體計算及結(jié)果準確性初步判斷8.模型調(diào)整或計算參數(shù)調(diào)整9.結(jié)構(gòu)整體計算及結(jié)構(gòu)反應分析10.結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析有限元的快速運算能力為結(jié)構(gòu)計算分析帶來了極大的便利，但是對于計算結(jié)果的準確性需要設計人員及其認真的對待。

建立清晰的力學概念磨練判斷力在此基礎上，才有可能對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化分析得到滿足結(jié)構(gòu)安全和性能要求的最經(jīng)濟合理的結(jié)構(gòu)第五章5.4結(jié)構(gòu)總體反應分析

高層建筑結(jié)構(gòu)195.4.1結(jié)構(gòu)輸出總信息

高層建筑結(jié)構(gòu)20結(jié)構(gòu)總輸出信息是檢查結(jié)構(gòu)計算結(jié)果的重要文件。通過軟件輸出的總信息文件，可以對結(jié)構(gòu)的輸入?yún)?shù)進行全面了解，這是判斷計算準確與否的第一步，也是至關重要的一步。總信息一般包括以下幾項：1.結(jié)構(gòu)總體信息2.材料信息3.豎向荷載信息4.風荷載

信息5.地震荷載信息6.荷載組合信息5.構(gòu)件設計控制信息8.樓層屬性等5.4.2結(jié)構(gòu)動力特性

高層建筑結(jié)構(gòu)21結(jié)構(gòu)動力特性是反應結(jié)構(gòu)自身特征的一個重要指標。根據(jù)工程經(jīng)驗，對于比較規(guī)則的高層建筑結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)自振周期T1可采用與樓層總數(shù)n相關的近似公式估算：舉例:一個15層的混凝土框架結(jié)構(gòu)房屋，其第一自振周期在3.03s，則可能結(jié)構(gòu)過于柔弱。如果該結(jié)構(gòu)的第一自振周期在0.35s，則可能結(jié)構(gòu)抗側(cè)力剛度過大。5.4.3結(jié)構(gòu)側(cè)移判斷

高層建筑結(jié)構(gòu)22有限元軟件一般以圖形的方式給出各節(jié)點的位移，以列表方式給出對應某荷載效應組合下的最大水平位移和豎向位移。樓層水平位移角是設計中判斷結(jié)構(gòu)設計合理與否的重要參數(shù)。針對不同結(jié)構(gòu)體系，樓層彈性水平位移角和彈塑性位移角是控制參數(shù)。舉例：如框架-剪力墻結(jié)構(gòu)彈性和彈塑性樓層水平位移角分別是1/800和1/100。若結(jié)構(gòu)計算的樓層位移角大于規(guī)范規(guī)定的限值，則需要增加抗側(cè)力構(gòu)件的剛度，或者增加支撐，或者減小水平力作用，以滿足規(guī)范的強制性要求。5.4.4

結(jié)構(gòu)規(guī)則性判斷

高層建筑結(jié)構(gòu)23通過周期比判斷如果第一扭轉(zhuǎn)振型出現(xiàn)的自振周期與第一平動周期的比值大于0.9，說明結(jié)構(gòu)的抗扭性能較差，造成扭轉(zhuǎn)振型的過早出現(xiàn)。為提高平面抗扭剛度，結(jié)構(gòu)動力特性分析時要求扭轉(zhuǎn)振型不可以是第一自振周期。規(guī)范：對于A級高度房屋，其第一扭轉(zhuǎn)振型對應的周期與第一平動振型對應的周期的比值不應大于0.9；對于B級高度的結(jié)構(gòu)，該值不應大于0.85。通過位移比判斷豎向構(gòu)件在樓層處的最大水平位移和層間位移與樓層平均位移的比值可以反應結(jié)構(gòu)平面的扭轉(zhuǎn)程度。規(guī)范：《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）指出，對于A級高度的高層建筑，其比值不宜大于該樓層平均值的1.2倍，不應大于該樓層平均值的1.5倍；B級高度高層建筑，超過A級高度的混合結(jié)構(gòu)及復雜高層建筑不宜大于該樓層平均值的1.2倍，不應大于該樓層平均值的1.4倍。5.4.5構(gòu)件承載力判斷

高層建筑結(jié)構(gòu)24與結(jié)構(gòu)受力分析不同，構(gòu)件設計總是基于一定的規(guī)范和標準進行。為此，不同的設計軟件會給出清晰的設計依據(jù)和條文，并給出清晰的說明。對于不滿足規(guī)范要求的構(gòu)件，軟件給出具體的數(shù)值和分析依據(jù)，或者在平面圖中標出紅色，以顯著標明不滿足設計依據(jù)的構(gòu)件。但是，對于大型結(jié)構(gòu)分析軟件，則未必標注。因此，當選擇大型分析軟件對復雜結(jié)構(gòu)進行分析時，需要自己判斷構(gòu)件承載力、或者判斷構(gòu)件應力和應變，以得到有意義的計算結(jié)果。在構(gòu)件承載力計算中，不同國家的規(guī)范，因為設計標準要求不同，其承載力計算結(jié)果也不同。因此，需要明確荷載取值、荷載效應組合、荷載折減系數(shù)、抗震調(diào)整系數(shù)等具體要求。思考題：有限元法與解析法有什么區(qū)別？為什么工程力學問題常常用有限元法求解？常用的基本單元有哪三類？請舉例說明某一您熟悉的軟件中這三種單元分別對應哪些單元？常用的連接單元有哪些？請舉例說明某一您熟悉的軟件中的連接單元分別對應哪些單元？如果某梁柱節(jié)點是半剛性節(jié)點，在有限元計算中如何選擇單元？舉例說明高層框架結(jié)構(gòu)和高層剪力墻結(jié)構(gòu)限元分析時，梁、柱單元的選擇、剪力墻單元的選擇、樓板單元的選擇，以及節(jié)點單元的選擇或節(jié)點假定。有限元分析中，荷載是如何輸入，荷載效應組合又是怎樣實現(xiàn)的？試用您熟悉的軟件進行簡要說明。

高層建筑結(jié)構(gòu)25第五章思考題：有限元計算輸出文件中，給出的結(jié)構(gòu)自振頻率、振型反應了結(jié)構(gòu)的什么特征？如何用于計算結(jié)果合理性的判斷？當計算得到的第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動周期之比大于0.9，說明什么問題？需要對結(jié)構(gòu)進行怎樣的調(diào)整？當計算得到的樓層水平位移角大于一定的指標，說明什么問題？需要對結(jié)構(gòu)進行怎樣的調(diào)整？計算得到的某框架柱的最大水平位移與樓層平均水平位移比越大，說明扭轉(zhuǎn)效應越大還是越?。啃枰獙Y(jié)構(gòu)進行怎樣的調(diào)整？第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動周期之比大于0.9，說明什么問題？需要對結(jié)構(gòu)進行怎樣的調(diào)整？

高層建筑結(jié)構(gòu)26第五章高層建筑的未來

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我們共同的課題2023/12/2827熊海貝2019-高層建筑結(jié)構(gòu)高層建筑結(jié)構(gòu)28高層建筑結(jié)構(gòu)第六章高層框架結(jié)構(gòu)設計6.1高層框架結(jié)構(gòu)特點6.2框架結(jié)構(gòu)延性設計理論6.3鋼筋混凝土框架梁設計6.4框架柱的延性設計6.5框架梁柱節(jié)點核心區(qū)的延性設計

熊海貝

教授，一級注冊結(jié)構(gòu)工程師同濟大學土木工程學院結(jié)構(gòu)防災減災工程系

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高層建筑結(jié)構(gòu)29第六章

高層建筑結(jié)構(gòu)30【學習目標】通過本章的學習，了解高層框架結(jié)構(gòu)與多層框架結(jié)構(gòu)的區(qū)別，掌握高層框架結(jié)構(gòu)體系的平面布置，掌握框架結(jié)構(gòu)整體計算方法和樓層剪力分配原則，掌握鋼筋混凝土框架梁、柱和節(jié)點的延性設計理論、實現(xiàn)方式、承載力計算方法及構(gòu)造設計要求?！緦W習方法】復習多層框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計算方法，學習和總結(jié)高層框架結(jié)構(gòu)與多層框架結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)設計中的相同點和不同點，掌握高層框架結(jié)構(gòu)設計的要點和難點，注重構(gòu)造要求，思考提高其抗側(cè)剛度的方法?？蚣芙Y(jié)構(gòu)是高層建筑中最基本的結(jié)構(gòu)形式梁與柱剛性連接，節(jié)點傳遞彎矩，豎向荷載和水平荷載通過梁與柱傳遞到基礎，傳力路線清晰。高層框架結(jié)構(gòu)因其層數(shù)一般在12層及以上，地震作用組合成為最不利組合。高層框架結(jié)構(gòu)設計應注重結(jié)構(gòu)自身動力特性和耗能性能。6.1高層框架結(jié)構(gòu)特點

高層建筑結(jié)構(gòu)31高層框架結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)體系材料鋼混、鋼框架鋼骨混凝土框架新型膠合木框架結(jié)構(gòu)框架-剪力墻結(jié)構(gòu)框架-支撐結(jié)構(gòu)框架-核心筒結(jié)構(gòu)6.1.1框架結(jié)構(gòu)變形特點水平力作用下，剛性框架的變形由兩部分組成。高層框架結(jié)構(gòu)的變形主要為剪切變形特征（見圖6-1），即結(jié)構(gòu)底部的層間位移角大于上部結(jié)構(gòu)的層間位移角。可見，框架結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移能力，主要取決于梁與柱的抗彎能力與剛度。1）結(jié)構(gòu)樓層剪力引起梁柱受彎，柱彎曲變形直接構(gòu)成框架的側(cè)移（圖a）。

2）梁的彎曲變形引起框架節(jié)點的轉(zhuǎn)動，間接引起框架的側(cè)移（圖b）。1）結(jié)構(gòu)傾覆力矩下柱產(chǎn)生拉壓變形，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生整體彎曲，引起樓層側(cè)移（圖c）該部分占比較小，約10%?20%。

高層建筑結(jié)構(gòu)32圖a圖b圖c6.1.2鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)特點鋼筋混凝土框架按施工方法的不同分為：1）梁、板、柱全部現(xiàn)場澆筑的現(xiàn)澆框架；2）樓板預制，梁、柱現(xiàn)場澆筑的現(xiàn)澆框架；3）梁、板預制，柱現(xiàn)場澆筑的半裝配式框架；4）梁、板、柱全部預制的全裝配式框架等。剛性節(jié)點：混凝土框架結(jié)構(gòu)要求梁柱節(jié)點發(fā)生剛性轉(zhuǎn)動，節(jié)點自身并不發(fā)生剪切變形，即使是預制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)，其節(jié)點的設計也需要滿足剛性節(jié)點的設計要求。最大高寬比限值：當高寬比小于4時，框架結(jié)構(gòu)以剪切變形為主，其整體位移曲線呈剪切型，特點是結(jié)構(gòu)層間位移隨樓層增高而減小，隨著結(jié)構(gòu)高度增加，水平作用使得框架底部梁柱構(gòu)件的彎矩和剪力顯著增加，從而導致梁柱截面尺寸和配筋量增加，材料用量和造價趨于不合理。規(guī)范規(guī)定：我國抗震規(guī)范和高層混凝土規(guī)程和高層鋼結(jié)構(gòu)規(guī)程都給出了框架結(jié)構(gòu)的最大高度限值和最大高寬比限值，6度、7度、8度和9度區(qū)框架結(jié)構(gòu)的最大高度分別不大于60m、50m、40m和20m。設計理論：控制框架結(jié)構(gòu)抗側(cè)力設計的主要水平荷載是地震作用。針對地震作用下的框架結(jié)構(gòu)設計，目前的設計方法依據(jù)的是延性設計理論。

高層建筑結(jié)構(gòu)336.1.3鋼框架結(jié)構(gòu)特點鋼框架結(jié)構(gòu)若按施工方法，均為裝配式框架結(jié)構(gòu)。而純鋼框架抗側(cè)剛度相對較小，對于高層建筑而言，若采用建筑鋼為主材，則一般是鋼框架-中心支撐結(jié)構(gòu)、鋼框架-偏心支撐結(jié)構(gòu)、鋼框架-混凝土核心筒結(jié)構(gòu)等，以提高結(jié)構(gòu)整體的抗側(cè)剛度。節(jié)點區(qū)域：鋼框架結(jié)構(gòu)的節(jié)點區(qū)域在水平荷載作用下一般發(fā)生一定的轉(zhuǎn)動，在臨近極限狀態(tài)時，節(jié)點區(qū)鋼板發(fā)生屈服，節(jié)點的變形導致水平位移相應增大，樓層水平位移角增大，如圖所示。

高層建筑結(jié)構(gòu)34a)鋼框架節(jié)點域剪切變形

b)鋼框架結(jié)構(gòu)側(cè)移

c)鋼框架結(jié)構(gòu)層間側(cè)移6.1.3鋼框架結(jié)構(gòu)特點鋼框架結(jié)構(gòu)若按施工方法，均為裝配式框架結(jié)構(gòu)。而純鋼框架抗側(cè)剛度相對較小，對于高層建筑而言，若采用建筑鋼為主材，則一般是鋼框架-中心支撐結(jié)構(gòu)、鋼框架-偏心支撐結(jié)構(gòu)、鋼框架-混凝土核心筒結(jié)構(gòu)等，以提高結(jié)構(gòu)整體的抗側(cè)剛度。注意P-Δ效應：由于鋼柱的抗側(cè)剛度相對較小，豎向荷載將加劇已發(fā)生側(cè)移的構(gòu)件的進一步側(cè)移，即P-Δ效應較混凝土框架結(jié)構(gòu)顯著，因此在設計時應特別注意P-Δ效應，避免因此導致的鋼框架柱失穩(wěn)破壞。

高層建筑結(jié)構(gòu)35a)鋼框架節(jié)點域剪切變形

b)鋼框架結(jié)構(gòu)側(cè)移

c)鋼框架結(jié)構(gòu)層間側(cè)移6.2框架結(jié)構(gòu)延性設計理論經(jīng)濟、合理的抗震結(jié)構(gòu)應當是：在罕遇或極罕遇地震作用下，部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件（主要是水平構(gòu)件）屈服，通過延性耗散地震能量，避免結(jié)構(gòu)倒塌。抗震延性設計理論的主要思想是：保證結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下發(fā)生可控制的塑性變形，通過變形耗散地震能量。新的抗震設計方法：提出了可恢復功能的設計理念，即結(jié)構(gòu)在罕遇地震下特定節(jié)點或構(gòu)件成為可動或可耗能的部件，當?shù)孛孢\動停止后，結(jié)構(gòu)恢復到預定功能。本章介紹：高層框架結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系延性設計方法。

高層建筑結(jié)構(gòu)366.2.1結(jié)構(gòu)延性與耗能結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的延性包括材料、截面、構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的延性。延性是指：屈服后強度或承載力沒有顯著降低時的塑性變形能力。常用延性系數(shù)μ按下式計算：式中：Δ—材料的應變、截面的曲率、構(gòu)件的變形或結(jié)構(gòu)的層間位移等荷載效應和地震作用效應組合的設計值；Δy、Δu—應變、曲率、變形或位移的屈服值和極限值。位移延性系數(shù)：一般情況下，結(jié)構(gòu)整體的延性常采用位移延性系數(shù)表示。延性系數(shù)大：說明塑性變形能力大，達到最大承載能力后強度或承載力降低緩慢，從而有足夠大的能力吸收和耗散地震能量、避免結(jié)構(gòu)倒塌；延性系數(shù)?。赫f明達到最大承載能力后承載能力迅速下降，塑性變形能力小。一般來說，延性大、滯回曲線飽滿，則結(jié)構(gòu)耗能能力大。耗能能力：一般用往復荷載作用下結(jié)構(gòu)或構(gòu)件消耗的勢能，即采用力-位移滯回曲線包含的面積來度量。

高層建筑結(jié)構(gòu)376.2.2理想破壞機制

高層建筑結(jié)構(gòu)38理想的框架結(jié)構(gòu)破壞模式是在罕遇或極罕遇地震下，結(jié)構(gòu)破壞首先從梁鉸機制開始，并逐漸過渡到柱鉸機制。（強柱弱梁、強剪弱彎、強節(jié)點弱構(gòu)件）兩大機制對比梁鉸機制柱鉸機制塑性鉸出現(xiàn)位置塑性鉸出在梁端，除底層柱嵌固端外，柱端不出塑性鉸在同一層所有柱的上下端形成塑性鉸塑性變形塑性變形分散在各層，不至于形成倒塌機構(gòu)集中在某一層，塑性變形集中在該層，成為薄弱層，影響結(jié)構(gòu)承受豎向荷載的能力，易導致倒塌。鉸數(shù)量及延性能力梁鉸的數(shù)量多于柱鉸的數(shù)量。梁是受彎構(gòu)件，容易實現(xiàn)較大的延性和耗能能力柱是壓彎構(gòu)件，尤其是軸壓比大的柱,難以實現(xiàn)較大的延性和耗能能力。震害調(diào)查破壞較少破壞較多，底層柱根部破壞較上部樓層破壞嚴重結(jié)論1一：梁鉸機制優(yōu)于柱鉸機制（強柱弱梁）a)梁鉸機制b)柱鉸機制6.2.2理想破壞機制

高層建筑結(jié)構(gòu)39理想的框架結(jié)構(gòu)破壞模式是在罕遇或極罕遇地震下，結(jié)構(gòu)破壞首先從梁鉸機制開始，并逐漸過渡到柱鉸機制。結(jié)論2二：彎曲或壓彎破壞優(yōu)于剪切破壞（強剪弱彎）梁、柱彎曲破壞為延性破壞，構(gòu)件的耗能能力大；而剪切破壞是脆性破壞。因此，梁、柱構(gòu)件設計時，通過調(diào)整系數(shù)加大梁端剪力設計值，以此提高梁端抗剪承載力，使其彎曲破壞先于剪切破壞發(fā)生，實現(xiàn)“強剪弱彎”的抗震延性設計理念。結(jié)論3三：避免節(jié)點破壞（強節(jié)點弱構(gòu)件）節(jié)點核心區(qū)是框架梁和柱連接的關鍵部位。在地震往復作用下，核心區(qū)的破壞為剪切破壞，導致梁端轉(zhuǎn)角增大，從而增大層間位移，使結(jié)構(gòu)喪失承受豎向荷載的能力，導致框架結(jié)構(gòu)失效或倒塌。因此，通過調(diào)整系數(shù)加大節(jié)點區(qū)的剪力設計值，以此提高節(jié)點的抗剪強度，使塑性鉸出現(xiàn)在構(gòu)件端部，實現(xiàn)“強節(jié)點弱構(gòu)件”理念。由于地震造成結(jié)構(gòu)的往復運動，梁端部的頂面和底面均會出現(xiàn)受拉應力。為了避免梁端縱筋從節(jié)點拔出，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)必須確保梁端和柱端的縱筋具有足夠的錨固長度；鋼框架結(jié)構(gòu)必須保證節(jié)點處焊接或高強螺栓連接不出現(xiàn)先于梁柱端部的屈服破壞。梁端破壞形態(tài)考核框架結(jié)構(gòu)整體延性的定量參數(shù)是：1）鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)和鋼框架結(jié)構(gòu)在多遇地震和風荷載及豎向荷載的不利作用效應組合下滿足最大層間位移角分別應不大于1/550和1/250；2）在罕遇地震下作用下，無論是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)還是鋼結(jié)構(gòu)，其彈塑性水平層間位移角應不大于1/50。為了使鋼筋混凝土框架成為延性框架：我國抗震規(guī)范提出“強柱弱梁，強剪弱彎，強節(jié)點弱構(gòu)件”抗震設計方法。截面設計時通過附加調(diào)整系數(shù)。對結(jié)構(gòu)整體分析得到的構(gòu)件端部彎矩和剪力進行調(diào)整。使得框架梁、框架柱和框架節(jié)點的極限承載力和構(gòu)造措施滿足上述抗震理念。第六章6.2.3框架結(jié)構(gòu)整體延性要求

高層建筑結(jié)構(gòu)40下面以高層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)延性設計的具體講述為主導，介紹高層框架結(jié)構(gòu)延性設計理論和構(gòu)造設計要求。而影響鋼筋混凝土梁延性和耗能的主要因素有：1）混凝土梁長跨高；2）剪壓比；3）縱筋配筋率；4）截面混凝土受壓區(qū)高度；5）塑性鉸區(qū)混凝土箍筋配箍率等。第六章6.3鋼筋混凝土框架梁設計

高層建筑結(jié)構(gòu)411.截面尺寸估算：高層鋼筋混凝土框架梁截面高度可按跨度的1/10~1/15估算后確定，一般不小于400mm，也不宜大于梁凈跨的1/8?？蚣芰航孛鎸挾瓤扇×航孛娓叨鹊?/3~1/2，且不宜小于200mm，截面高度和截面寬度的比值不宜大于4，以保證梁平面外的穩(wěn)定性。對于現(xiàn)澆梁板結(jié)構(gòu)，宜考慮梁受壓翼緣的有利影響。當梁的截面高度受到限制時，可采用梁寬大于梁高的扁梁，扁梁的截面高度可取梁跨度的1/15~1/18，也可對框架梁施加預應力，預應力梁高度可取跨度的1/15~1/20。這時梁尚應滿足撓度和裂縫驗算。第六章6.3.1框架梁截面尺寸確定

高層建筑結(jié)構(gòu)422.截面尺寸驗算（1）跨高比梁的跨高比(即梁凈跨與梁截面高度之比)對梁的延性有明顯影響。隨著跨高比的減小，剪力的影響加大，剪切變形占梁撓度的比重加大。試驗結(jié)果表明，當梁的跨高比小于2時，極易發(fā)生以斜裂縫為特征的剪切破壞形態(tài)。一般認為，梁凈跨不宜小于截面高度的6倍。當梁的跨度較小，而梁的設計內(nèi)力較大時，可考慮加大梁的寬度，雖然會導致梁縱筋用量的略增，但對提高梁的延性是十分有利的。而且，從建筑功能和整體建設成本投資回報看，由于梁高降低，在保證同樣樓層凈高的條件下，總高度減小，或樓層數(shù)增加。（2）剪壓比剪壓比為梁截面上的名義剪應力（V/bh0）與混凝土軸心抗壓強度設計值fc的比值。試驗表明，剪壓比對梁的延性、耗能能力及梁在反復荷載作用下的強度和剛度退化等有明顯影響。當剪壓比大于0.15時，梁的強度和剛度出現(xiàn)明顯退化現(xiàn)象。剪壓比愈高則退化愈快，此時增加箍筋用量已不能發(fā)揮約束混凝土的作用。第六章6.3.1框架梁截面尺寸確定

高層建筑結(jié)構(gòu)43

第六章6.3.1框架梁截面尺寸確定

高層建筑結(jié)構(gòu)44框架梁是鋼筋混凝土框架的主要延性耗能構(gòu)件，其破壞形態(tài)主要有彎曲破壞和剪切破壞。設計時要求做到“強剪弱彎”。梁的破壞形式有超筋梁破壞、適筋梁破壞和少筋梁破壞，其對應的延性不同，如圖6-5所示。

圖6.5不同破壞形態(tài)下梁截面彎矩-曲率關系超筋梁的破壞以混凝土壓碎、鋼筋尚未屈服為特征，因此截面轉(zhuǎn)動能力小，延性差。少筋梁的縱筋一旦屈服，將隨著裂縫的迅速擴大而被拉斷，導致梁的斷裂破壞；適筋梁的縱筋屈服后，塑性變形繼續(xù)增大，同時，截面混凝土受壓區(qū)高度減小，在梁端形成塑性鉸，產(chǎn)生塑性轉(zhuǎn)動，直到受壓區(qū)混凝土壓碎。6.3.2框架梁正截面抗彎承載力驗算

高層建筑結(jié)構(gòu)45第六章6.3.2框架梁正截面抗彎承載力驗算

高層建筑結(jié)構(gòu)461.框架梁正截面承載力設計2.縱筋最大配筋率要求3.框架梁最小配筋率要求1）求出梁的控制截面的不利組合彎矩。2）按一般鋼筋混凝土受彎構(gòu)件計算方法進行配筋計算。1）高配筋率的情況下，彎矩達到峰值后，彎矩曲率關系曲線很快下降，配筋率越高，承載力越大，但下降段越陡，說明截面的延性越差。2）在低配筋率的情況下，彎矩曲率關系曲線能保持有相當長的水平段，然后才緩慢地下降，截面的延性好。1）框架梁縱向受拉鋼筋的配筋率，不應小于表6-1中的數(shù)值。2）梁頂面和底面均應有一定的鋼筋貫通梁全長。3）高層框架混凝土結(jié)構(gòu)一般抗震等級不小于二級，為此，最小配筋不應少于2Φ14，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。第六章6.3.2框架梁正截面抗彎承載力驗算

高層建筑結(jié)構(gòu)471.框架梁正截面承載力設計2.縱筋最大配筋率要求3.框架梁最小配筋率要求表6-1框架梁縱向受拉鋼筋最小配筋率（%）6.3.3框架梁斜截面抗剪承載力驗算

高層建筑結(jié)構(gòu)481.框架梁斜截面承載力設計（1）為實現(xiàn)“強剪弱彎”的延性設計原則，框架梁斜截面驗算時，通過梁端剪力增大系數(shù)人為調(diào)整因水平荷載產(chǎn)生的梁端剪力，但樓面豎向荷載產(chǎn)生的剪力不做調(diào)整，以避免梁在彎曲破壞前發(fā)生剪切破壞?！犊拐鹨?guī)范》規(guī)定：對于抗震等級為一、二、三級的框架梁端剪力設計值，應按式（6-4）進行調(diào)整。（6-4）一級框架結(jié)構(gòu)和9度設防地區(qū)框架-剪力墻結(jié)構(gòu)等的一級框架梁、連梁可按上式調(diào)整，但應符合式（6-5）的規(guī)定：（6-5）

6.3.3框架梁斜截面抗剪承載力驗算

高層建筑結(jié)構(gòu)491.框架梁斜截面承載力設計在反復荷載作用下，混凝土斜截面強度有所降低，因此地震作用下的抗剪承載力乘以0.6的系數(shù)，其驗算表達式如式（6-6）：（6-6）對集中荷載作用下的框架梁（包括有多種荷載作用，其中荷載對節(jié)點邊緣的剪力值占總剪力值的75%以上的情況），其斜截面受剪承載力應按式（6-7）驗算：（6-7）6.3.3框架梁斜截面抗剪承載力驗算

高層建筑結(jié)構(gòu)502.最小配箍率要求3.塑性鉸區(qū)的箍筋加密區(qū)設置在框架梁端塑性鉸范圍內(nèi)，箍筋必須加密設置。加密區(qū)長度、箍筋最大間距和最小直徑應按表6-2采用。當梁端縱向受拉鋼筋配筋率大于2%時，表中箍筋最小直徑應增加2mm。加密區(qū)箍筋肢距，一級抗震不宜大于200mm和20倍箍筋直徑的較大值，二、三級抗震不宜大于250mm和20倍箍筋直徑的較大值；縱向鋼筋每排多于4根時，每隔一根宜用箍筋或拉筋固定?！菊鸷Ρ憩F(xiàn)】國內(nèi)外歷次大地震中，鋼筋混凝土框架柱的震害主要表現(xiàn)在：1）柱兩端混凝土壓碎、箍筋拉斷、縱筋壓屈呈燈籠狀；2）沿柱全高混凝土破碎，縱筋壓屈；短柱剪切破壞，出現(xiàn)X形斜裂縫；3）角柱比中柱破壞嚴重?！酒茐哪Ｊ健看罅吭囼炑芯勘砻?，在豎向荷載和往復水平荷載作用下，鋼筋混凝土框架柱的破壞模式主要有壓彎破壞或彎曲破壞、剪切受壓破壞、剪切受拉破壞、剪切斜拉破壞和粘結(jié)開裂破壞?！驹O計要點】設計時應避免框架柱發(fā)生后三種脆性破壞；相對而言，大偏壓柱的壓彎破壞延性較大、耗能能力強?！驹O計要點】高層框架結(jié)構(gòu)中框架柱的設計應實現(xiàn)“強柱弱梁”、“強剪弱彎”的設計理念。【延性影響因素】影響框架柱延性和耗能能力的主要因素有剪跨比、軸壓比和箍筋配置等。第六章6.4框架柱的延性設計

高層建筑結(jié)構(gòu)511.軸壓比柱的軸壓比定義為柱軸壓力設計值與柱全截面面積和混凝土軸心抗壓強度設計值乘積的比值，如式（6-8）所示：（6-8）式中n——軸壓比；N——軸壓力設計值；b、h——柱截面的寬度、高度；fc——混凝土軸心抗壓強度設計值。第六章6.4.1框架柱截面尺寸確定

高層建筑結(jié)構(gòu)521.軸壓比柱截面配筋一般為對稱配筋。軸壓比增大，截面相對受壓區(qū)高度增大，截面延性降低。為此，框架結(jié)構(gòu)設計時，嚴格控制框架柱的軸壓比。框架柱抗震等級越高，要求其軸壓比越小。表6-3給出了剪跨比大于2、混凝土強度等級不高于C60的柱的軸壓比限值。剪跨比不大于2的柱,軸壓比限值應降低0.05；剪跨比小于1.5的柱，軸壓比限值應專門研究并采取特殊的構(gòu)造措施；對于全柱采取復合箍或螺旋箍，當滿足螺距、肢距、箍筋直徑滿足一定要求，軸壓比限值可提高0.1；對于IV類場地土上的高層框架結(jié)構(gòu)，軸壓比限值宜適當減小。表6-3柱軸壓比限值第六章6.4.1框架柱截面尺寸確定

高層建筑結(jié)構(gòu)53結(jié)構(gòu)類型抗震等級一二三四框架結(jié)構(gòu)0.650.750.850.90框架-剪力墻、板柱-剪力墻、框架-核心筒及筒中筒0.750.850.900.95部分框支剪力墻0.600.70—2.柱截面尺寸估算框架柱截面尺寸估算一般根據(jù)該柱承受的豎向荷載確定。在結(jié)構(gòu)方案確定階段，豎向荷載根據(jù)所選擇的材料和結(jié)構(gòu)形式，單位面積的設計值可按預估的靜載和活荷載計算?？紤]到高層建筑中同一軸線范圍活荷載同時達到設計值的概率，活荷載可乘以折減系數(shù)。為方便期間，也可根據(jù)經(jīng)驗取值10~14kN/m2估算，當外墻和內(nèi)部隔墻較多時取較大值。如果僅考慮豎向荷載，同一樓層中柱的承載面積是邊柱的兩倍，是角柱的四倍。一般情況下，高層建筑柱截面角柱不小于邊柱、邊柱不小于中柱。為此，柱截面估算時可選擇中柱的豎向受力N進行截面試算。高層框架結(jié)構(gòu)中，柱截面的h/b，一般與框架柱連接的兩個方向的梁的跨度有關，但h/b不宜大于3，最小截面寬度不宜小于400mm，圓柱直徑不小于450mm，且不小于（梁寬-100）mm。當柱與梁截面尺寸確定，且結(jié)構(gòu)平面布置和豎向布置確定后，一般采用有限元分析軟件計算得到結(jié)構(gòu)內(nèi)力。然后，柱截面需要進一步驗算，已滿足剪跨比和剪壓比要求。第六章6.4.1框架柱截面尺寸確定

高層建筑結(jié)構(gòu)543.剪跨比剪跨比反映了柱端截面承受的彎矩和剪力的相對大小。柱的剪跨按式（6-9）計算： （6-9）式中λ——剪跨比；Mc

——柱端截面彎矩設計值（kN·m）；Vc——柱端截面對應的剪力設計值（kN）；h0——計算方向柱截面的有效高度（m）。第六章6.4.1框架柱截面尺寸確定

高層建筑結(jié)構(gòu)55剪跨比不大于1.51.5~2大于2名稱極短柱短柱長柱破壞模式斜拉破壞剪切破壞壓彎破壞實際工程應盡量避免極短柱的產(chǎn)生若配置足夠多的箍筋，也可能實現(xiàn)延性較好的斜壓破壞-簡化為樓層凈高與柱截面高度之比樓層凈高與柱截面高度之比小于3為極短柱3~4之間為短柱大于4為長柱4.剪壓比與梁設計類似，控制柱剪壓比即控制柱最小截面尺寸?！痘炷两Y(jié)構(gòu)設計規(guī)范》（GB50010-2010）規(guī)定：對于剪跨比大于2的框架柱，其截面尺寸與剪力設計值應符合式（6-10）的要求：（6-10）對于框支柱和剪跨比不大于2的框架短柱，其截面尺寸與剪力設計值應符合式（6-11）的要求：

（6-11）式中符號同式（6-2）。第六章6.4.1框架柱截面尺寸確定

高層建筑結(jié)構(gòu)561.框架柱柱端彎矩設計值從結(jié)構(gòu)計算可知，梁柱節(jié)點處柱的彎矩與梁的彎矩相等。但是，為實現(xiàn)“強柱弱梁”的框架結(jié)構(gòu)延性設計要求，期望在罕遇地震下塑性鉸首先出現(xiàn)在梁端，在梁柱節(jié)點，采用柱端彎矩增大系數(shù)人為提高柱端彎矩設計值。上、下柱端截面極限抗彎承載力之和應大于同一平面內(nèi)節(jié)點左、右梁端截面的極限抗彎承載力之和?！犊拐鹨?guī)范》規(guī)定：一、二、三、四級框架的梁柱節(jié)點處，柱端彎矩設計值應符合式（6-12）及式（6-13）的要求。9度和一級框架結(jié)構(gòu)應符合式（6-13）的要求：

（6-12）

（6-13）第六章6.4.2框架柱正截面驗算

高層建筑結(jié)構(gòu)572.框架柱正截面承載力驗算柱端彎矩承載力驗算可根據(jù)普通混凝土結(jié)構(gòu)設計要求進行柱端彎矩與軸力的比值，按大偏壓、小偏壓或軸壓驗算。在某些極端情況下，如頂層，某些框架柱可能受到水平荷載作用產(chǎn)生的拉力，此時應考慮最不利組合，按大偏拉或小偏拉驗算柱的縱向配筋。3.框架柱縱筋構(gòu)造要求柱縱向鋼筋的配筋量，除滿足承載力要求外，還要滿足最小配筋率的要求。表6-4列出了柱截面縱向鋼筋的最小總配筋率，且柱截面每一側(cè)配筋率不應小于0.2%；建造于IV類場地且較高的抗震設防的高層建筑，表中數(shù)值需增加0.1?？拐鹂蚣苤v向鋼筋屈服強度標準值小于400MPa時，表中數(shù)值增加0.1,縱向鋼筋屈服強度標準值為400MPa時，表6-4中數(shù)值增加0.05；混凝土強度等級高于C60時，表中數(shù)值增加0.1。表6-4柱截面縱向鋼筋的最小總配箍率（%）第六章6.4.2框架柱正截面驗算

高層建筑結(jié)構(gòu)58類別抗震等級非抗震一級二級三級四級中柱、邊柱1.00.80.70.60.6角柱1.10.90.80.70.5框支柱1.10.90.80.70.71.框架柱柱端剪力設計值為實現(xiàn)“強剪弱彎”的框架結(jié)構(gòu)柱延性設計要求，要求框架柱的抗剪能力大于抗彎能力，采用柱端剪力增大系數(shù)人為提高柱端剪力的設計值?！犊拐鹨?guī)范》規(guī)定：對于抗震等級為一、二、三、四級的框架柱端剪力設計值，應按式（6-14）進行調(diào)整：（6-14）9度和一級框架結(jié)構(gòu)可不按式(6-14)調(diào)整，但應符合式（6-15）的要求：（6-15）第六章6.4.3框架柱斜截面設計

高層建筑結(jié)構(gòu)592.框架柱柱端斜截面承載力驗算軸壓比小于0.4時，由于軸向壓力有利于骨料咬合，可以提高抗剪承載力；而軸壓比過大時混凝土內(nèi)部產(chǎn)生微裂縫，受剪承載力下降。在一定范圍內(nèi)，配箍越多，對核心區(qū)約束越高，受剪承載力也相應提高。在反復荷載下，截面上混凝土反復開裂和剝落，混凝土咬合作用有所削弱，因而材料的抗剪強度會有所降低。與單調(diào)加載相比，在反復荷載下的構(gòu)件受剪承載力要降低10%～30%，因此，《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》規(guī)定，框架柱斜截面受剪承載力驗算按式（6-16）計算：（6-16）當框架柱出現(xiàn)拉力時，其斜截面承載力驗算按式（6-17）計算：（6-17）第六章6.4.3框架柱斜截面設計

高層建筑結(jié)構(gòu)603.框架柱箍筋構(gòu)造要求框架柱的箍筋有三個作用：抵抗剪力、防止縱筋壓屈、對混凝土提供約束。約束程度與箍筋的抗拉強度和數(shù)量有關，與混凝土強度有關，可以用配箍特征值度量。配箍特征值按式（6-18）計算：配置箍筋的混凝土棱柱體和柱的軸心受壓試驗表明，軸向壓應力接近峰值應力時，箍筋約束的核心混凝土迅速膨脹，橫向變形增大。箍筋限制了核心混凝土的橫向變形，使核心混凝土處于三向受壓狀態(tài)，混凝土的軸心抗壓強度和對應的軸向應變得到提高，同時，軸心受壓應力-應變曲線的下降段趨于平緩，意味著混凝土的極限壓應變增大，柱的延性增大。為此，《抗震規(guī)范》給出了最小箍筋配箍率特征值要求，按表6-5執(zhí)行。（6-18）第六章6.4.3框架柱斜截面設計

高層建筑結(jié)構(gòu)613.框架柱箍筋構(gòu)造要求表6-5柱端箍筋配箍率特征值第六章6.4.3框架柱斜截面設計

高層建筑結(jié)構(gòu)623.框架柱箍筋構(gòu)造要求此外，箍筋的形式、間距等都會對核心混凝土的約束作用有影響。在地震作用下框架柱可能屈服、形成塑性鉸的區(qū)段，應設置箍筋加密區(qū)，使混凝土成為延性好的約束混凝土。剪跨比大于2的框架柱，箍筋加密區(qū)的范圍為：（1）柱的兩端取矩形截面高度（或圓形截面直徑）、柱凈高的1/6和500mm三者的最大者；（2）底層柱的下端不小于柱凈高的1/3；（3）當為剛性地面時，取剛性地面上下各500mm。剪跨比不大于2的柱、因設置填充墻等形成的柱凈高與柱截面高度之比不大于4的柱、框支柱、一級和二級框架的角柱，箍筋加密區(qū)的范圍為柱的全高。需要提高變形能力的柱，也應取柱的全高作為箍筋加密區(qū)。第六章6.4.3框架柱斜截面設計

高層建筑結(jié)構(gòu)63梁柱節(jié)點是框架結(jié)構(gòu)整體安全最關鍵部位。影響節(jié)點承載力及延性的因素主要有以下幾個方面：1.軸壓力對節(jié)點核心區(qū)混凝土抗剪強度及節(jié)點延性的影響當軸力較小時，節(jié)點核心區(qū)混凝土抗剪強度隨著軸向壓力的增加而增加，且直到節(jié)點區(qū)被較多交叉斜裂縫分割成若干菱形塊體時，軸壓力的存在仍能提供一定的抗剪承載力，但節(jié)點核心區(qū)的延性迅速降低。當軸壓比大于0.6~0.8,節(jié)點混凝土抗剪強度將隨軸壓力的增加而下降。2.剪壓比和配箍率對節(jié)點受剪承載力的影響當配箍率較低時，節(jié)點的抗剪承載力隨著配箍率的提高而提高，這時節(jié)點破壞時的特征是混凝土壓碎，箍筋屈服。當節(jié)點水平截面太小、配箍率較高時，節(jié)點區(qū)混凝土將先于箍筋屈服而破壞，兩者不能同時發(fā)揮作用，節(jié)點抗剪承載力達不到設計值。為此，應對節(jié)點區(qū)最小截面尺寸加以限制，以保證箍筋強度得到充分發(fā)揮。在設計方法上通過限制節(jié)點水平截面上的剪壓比實現(xiàn)這一要求。第六章6.5框架梁柱節(jié)點核心區(qū)的延性設計

高層建筑結(jié)構(gòu)643.直交梁對節(jié)點核心區(qū)的約束作用垂直于框架平面與節(jié)點相交的梁，稱為直交梁。試驗表明，直交梁對節(jié)點核心區(qū)具有約束作用，從而提高節(jié)點核心區(qū)混凝土的抗剪強度。一般認為，四邊有梁且?guī)в鞋F(xiàn)澆樓板的中柱節(jié)點，當直交梁的截面寬度不小于柱寬的1/2，且截面高度不小于框架柱截面高度的3/4時,在考慮了直交梁開裂等不利影響后，節(jié)點核心區(qū)的混凝土抗剪強度仍比不帶直交梁及樓板時要提高50%左右。但對于三邊有梁的邊柱節(jié)點和二邊有梁的角柱節(jié)點，直交梁的約束作用并不明顯。4.梁縱筋滑移對結(jié)構(gòu)延性影響框架梁縱筋在中柱節(jié)點核心區(qū)通常以連續(xù)貫通的形式通過。在水平地震作用下，梁中縱筋在節(jié)點一邊受拉屈服，而在另一邊受壓屈服。如此循環(huán)往復，將使縱筋的粘結(jié)迅速破壞，導致梁縱筋在節(jié)點核心區(qū)貫通滑移。梁縱筋貫通滑移破壞了節(jié)點核心區(qū)剪力的正常傳遞，使核心區(qū)受剪承載力降低，亦使梁截面后期受彎承載力及延性降低，使節(jié)點的剛度和耗能能力下降。試驗證明，邊柱節(jié)點梁的縱筋錨固比中柱節(jié)點的好，滑移較小。為防止梁縱筋滑移，在節(jié)點核心區(qū)，梁縱筋有不小于20倍直徑的直段錨固長度，或?qū)⒘嚎v筋穿過柱中心軸后再彎入柱內(nèi)，以改善其錨固性能。第六章6.5框架梁柱節(jié)點核心區(qū)的延性設計

高層建筑結(jié)構(gòu)65為了防止節(jié)點核芯區(qū)混凝土斜壓破壞，應避免剪壓比過大。由于節(jié)點核心區(qū)一般有梁的約束，實際參與工作的抗剪面積較節(jié)點核心區(qū)抗剪面積大，故剪壓比限值設為0.30。即節(jié)點區(qū)剪力設計值應滿足式（6-19）的要求：（6-19）截面有效寬度應視梁柱軸線是否重合等情況，分別按下列公式確定：1）當驗算方向的梁截面寬度不小于該側(cè)柱截面寬度的1/2時，可采用該側(cè)柱截面寬度：bj=bc2）當梁截面寬度小于該側(cè)柱截面寬度的1/2時，可采用下列二者較小值：bj=bc，和bj=bb+0.5hc。3）當梁柱軸線不重合且偏心距e較大時，則梁傳到節(jié)點的剪力將偏向一側(cè)，這時節(jié)點有效寬度bj將比小bc。當偏心距不大于柱寬的1/4時，核芯區(qū)的截面驗算寬度可采用上式和式（6-20）中