框架设计和构造

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,6,章 框架设计和构造,第6章,框架设计和构造,框架是框架结构体系、框剪结构体系及框筒结构中的基本结构单元。,各种体系的内力计算方法行所不同，仅在求出内力以后，都要通过内力组合求出梁、柱控制截面的最不利内力，然后进行截面配筋计算及构造设计。框架梁按照受弯构件设计，框架柱按照压弯构件设计。,梁、柱截面的一般配筋计算及构造在钢筋混凝土基本构件中已有详细讨论，这里不再重复。但是抗震设计时，对钢筋混凝土构件有特殊的要求，要进行专门的抗震设计。,本章重点讨论框架梁、柱及其节点的抗震设计方法，适当补充一些非抗震情况下的设计要求。,通过本章学习，了解框架抗震设计方法、概念和要点。掌握框架梁、框架柱的剪力、弯矩大小的计算方法以及构造要求。掌握框架梁、柱节点的剪力、弯矩大小的计算方法以及构造要求。,框架结构布置、截面尺寸估算和材料强度等级,框架内力组合及最不利内力,框架抗震设计方法延性框架的概念,框架梁抗震设计,框架柱抗震设计,梁柱节点区抗震设计,一、框架结构布置,1、,结构布置的一般原则,框架结构布置、截面尺寸估算和材料强度等级,满足使用要求，并尽可能与建筑的平、立剖面划分相一致；,满足人防、消防要求，使水、暖、电各专业的布置能有效地进行；,结构尽可能简单、规则、均匀、对称，构件类型少；,妥善地处理温度、地基不均匀沉降以及地震等因素对建筑的影响；,施工简便；,经济合理。,结构布置方法,特点,房屋横向刚度大，侧移小；,横梁高度大，室内有效净空小。,非抗震时使用,横向布置,横向承重,结构布置方法,特点：,连系梁截面较小，框架梁截面尺寸大，室内有效净空高；,对纵向地基不均匀沉降较有利；,房屋横向刚度小，侧移大。,纵向布置,纵向承重,结构布置方法,特点：,整体性好，受力好；,适用于整体性要求较高和楼面荷载较大的情况。,双向布置,双向承重,截面尺寸估算,框架梁截面尺寸估算,l,0,梁的计算跨度；,h,b,梁的截面高度；,b,b,梁的截面宽度。,一般情况下,：,梁净跨与截面高度之比不宜小于,4,梁的截面宽度不宜小于,200mm,框架梁线刚度,E,c,混凝土弹性模量；,I,框架梁截面惯性矩；,l,框架梁的跨度。,式中,：,框架梁惯性矩取值,注：,I,0,为梁按矩形截面计算的惯性矩，。,截面尺寸估算,截面尺寸估算,框架柱截面尺寸估算,N,柱中轴向力。,N,v,柱支承的楼面荷载面积上竖向荷载产生的轴向力设计值。,可近似将楼面板沿柱轴线之间的中线划分，恒载和活载的,分项系数均取,1.25,，或近似取,1214 kN/m,2,进行计算。,f,c,混凝土轴心抗压强度设计值。,N=,（,1.011.10,）,N,v,仅有风载作用或抗震等级为四级时,有地震作用，抗震等级为一,三级时,N=,（,1.011.20,）,N,v,一级时,二级时,三级时,混凝土强度等级,框架内力组合及最不利内力,控制截面及最不利内力类型,荷载布置,梁端弯矩调幅,水平力作用下框架剪力墙结构中框架内力的调整,内力组合,控制,截面,控制,截面,荷载布置,恒载,活载,水平荷载,恒载布置,梁的活载不利布置,水平荷载作用方向,梁端弯矩调幅,竖向荷载,下框架梁弯矩塑性调幅,调幅理由:,梁端出现塑性铰延性框架、强柱弱梁、有利抗震，,减少节点区负筋便于施工，,节点并非绝对弹性实际弯矩小于弹性计算弯矩。,调幅方法:梁端弯矩乘以0.80.9的折减系数，按平衡条件计算调幅后的跨中弯矩。,水平力作用下框架剪力墙结构中框架内力的调整,在得到计算内力之后，要在框架与剪力墙之间进行内力调整。这是因为在地震作用下，通常都是剪力墙先开裂，剪力墙刚度降低，承载力也将下降，剪力将在框架和剪力墙之间重新分配，使一部分地震作用产生的剪力向框架转移，此时需要适当调整框架的内力值。,另外，在结构计算中，假定楼板在其自身平面内的刚度无限大，不发生变形。然而，在实际的框架,剪力墙结构中，楼板或多或少要产生变形，变形的结果将会使框架部分的水平位移大于剪力墙的水平位移，相应地，框架实际承受的水平力大于采用刚性楼板假定的计算结果。,在地震作用下应对框架,剪力墙结构中的框架的剪力做适当调整：,（,1,）规则建筑凡是,V,F,0.2V,0,的楼层设计时可按计算值采用，不做调整。,（,2,）规则建筑凡是,V,F,0.2V,0,的楼层设计时应选取下列两者中的较小值：,V,F,0.2V,0,V,F,1.5V,F max,式中,V,F,框架,剪力墙协同工作时分析所得的框架各层总剪力；,V,0,地震作用产生的结构底部总剪力；,V,Fmax,各层框架所承担的总剪力最大值。,注意：,调整柱剪力的同时，也要按剪力调整比例调整柱弯矩及梁的内力，但柱轴力不调整。调整以后的地震作用内力与其他荷载作用下的内力再进行组合。,内力组合,（1）横载、活载、风载及地震等效荷载都分别按各自规律布置，进行内力分析；,（2）取出各个构件的控制截面内力，进过内力调整后填入表内；,（3）根据本建筑的具体情况选出本结构可能出现的若干组组合。将各内力分别乘以相应的荷载分项系数及组合系数；,（4）按照不利内力的要求分组叠加内力；,（5）在若干组不利内力中选取最不利内力作为构件截面的设计内力。有时要通过试算才能找到哪组内力得到的配筋最大。,框架抗震设计方法延性框架的概念,在框架体系、框架剪力墙体系以及框筒体系中，虽然内力计算方法不同，但是在求出内力以后，都要通过内力组合求出梁、柱控制截面的最不利内力，然后进行截面配筋计算以及构造设计。,虽然梁、柱截面的一般配筋计算以及构造在一般的钢筋混凝土教材中已有讨论，但在抗震设计时，对钢筋混凝土构件有特殊要求。,重点讨论框架梁、柱以及节点的抗震设计方法，并适当补充一些非抗震情况下的设计要求。,一、延性框架的概念,二、延性结构的设计原则,“,三强三弱”,三、合适的结构材料,在罕遇地震作用下要求结构处于弹性状态是不必要，也是不经济的。通常是在中等烈度的地震作用下允许结构某些构件屈服，出现塑性铰，使结构刚度降低，塑性变形加大。当塑性铰达到一定数量后，结构会出现屈服现象，即承受的地震作用力不增加或增加很少，而结构变形迅速增加。,延性结构的荷载位移曲线,一、延性框架的概念,左图为延性结构的荷载位移曲线，延性结构即是能维持承载能力而又具有较大塑性变形能力的结构。,结构延性能力通常用顶点水平位移延性比来衡量。,延性比定义：,u,/,y,其中：,y,结构屈服时的顶点位移；,u,能维持承载能力,的最大顶点位移。,延性结构在结果中等烈度的地震作用后，加以修复仍可以重新使用，在罕遇地震下也不至于倒塌。符合抗震设计的“三水准”要求，因此在地震区都应该设计延性结构。结果合理设计，钢筋混凝土框架可以达到较大的延性，称为延性框架结构。,框架顶点水平位移是由各个杆件的变形形成的。当各杆件都处于弹性阶段时，结构变形是弹性的。当杆件屈服后，结构就出现塑性变形。框架中，塑性铰可能出现在梁上，也可能出现在柱上，因此，梁、柱构件都应由良好的延性。构件的延性以构件的变形或塑性铰转动能力来衡量，称为构件位移延性比,f,f,u,/f,y,或截面曲率延性比,u,/,y,。,延性结构的要求和分析,1要保证框架结构有一定的延性，梁、柱构件需要具有足够的延性，钢筋混凝土构件的剪切破坏是脆性的，或者延性很小。因此，构件不能过早剪坏；2框架结构中，塑性铰出现在梁上比较有利，如图所示：3塑性铰出现在柱中的时候，很容易形成破坏机构，如图所示：4延性框架，不仅要保证梁、柱构件必须具有延性外，还必须保证各构件的连接部分节点区不出现脆性剪切破坏，同时还要保证支座连接和锚固不发生破坏。,延性结构的设计原则,1强柱弱梁,要控制梁、柱的相对强度，使塑性铰首先在梁端出现，尽量避免和减少柱子中的塑性铰；,2强剪弱弯,对于梁、柱构件，要保证构件出现塑性铰而不过早剪坏，因此，要使构件抗剪承载力大于塑性铰抗弯承载力，为此要提高构件的抗剪承载力；,3强节点、强锚固、弱构件,要保证节点区和钢筋锚固不过早破坏，不在梁、柱塑性铰充分发挥作用前破坏。,注意：上述抗震措施要点，不仅适用于延性框架，也适用于其它钢筋混凝土延性结构。,下面几节将主要介绍在延性框架中实现这些要点的措施。,框架梁抗震设计,强柱弱梁结构中，主要由梁构件的延性来提供框架结构的延性。因此，要求设计具有良好延性的框架梁。,一、梁的破坏形态与延性,钢筋混凝土梁有两种破坏可能：弯曲破坏与剪切破坏。,弯曲破坏时，由于纵筋配筋率的影响，可能出现三种破坏形态：,1少筋破坏：,2超筋破坏：,3适筋破坏：,P,P,受拉钢筋配置过少，钢筋屈服后立即被拉断而发生断裂破坏，脆性破坏；,受拉钢筋配置过多，钢筋没屈服前混凝土就被压碎而丧失承载能力，脆性破坏；,受拉钢筋配置合理，钢筋屈服后，由于钢筋流幅形成塑性铰，中和轴上升，直到压区混凝土被压碎而破坏，延性破坏。,剪切破坏是脆性的，或者延性很小。,要防止梁在屈服以前出现剪切破坏，即要求强剪弱弯。,二、梁最小截面尺寸,框架梁的截面尺寸应满足三方面的要求：承载力要求、构造要求、剪压比限值。,1、构造要求,框架主梁的截面高度可按（1/81/12）,l,确定，,l,为主梁计算跨度，满足此要求时，在一般荷载作用下，可不验算挠度。,在地震作用下，梁端塑性铰区混凝土保护层容易剥落。如果梁截面宽度过小则截面损失比例较大，故一般框架梁宽度不宜小于200mm。为了对节点核心区提供约束以提高节点受剪承载力，梁宽不宜小于柱宽的1/2。狭而高的梁不利于混凝土约束，也会在梁刚度降低后引起侧向失稳，故梁的高宽比不宜大于4。另外，梁的塑性铰区发展范围与梁的跨高比有关，当跨高比小于4时，属于短梁，在反复弯剪的作用下，斜裂缝将沿梁全长发展，从而使梁的延性和承载力急剧降低。所以，梁净跨与截面高度之比不宜小于4。,2,剪压比限值,梁端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。根据反复荷载下配箍率较高的梁剪切试验资料，其极限剪压比平均值约为0.24。当剪压比大于0.30时，即使增加配箍，也容易发生斜压破坏，主要是因为梁截面过小，剪应力过大造成的。,剪压比限值，主要是防止发生剪切斜压破坏，其次是限制使用荷载下斜裂缝的宽度，同时也是梁的最大配箍条件。因此框架梁的截面应符合下列要求：,（,1,）无地震作用组合时：,（,2,）有地震作用组合时：,跨高比大于,2.5,的梁：,跨高比不大于,2.5,的梁：,V,b,框架梁剪力设计值，按强剪弱弯原则调整梁的截面剪力。,三、框架梁的混凝土受压区的限制,控制框架梁混凝土受压区的目的是控制塑性铰区纵向受拉钢筋的最大配筋率。试验表明，当纵向受拉钢筋配筋率很高时，梁受压区的高度相应加大，截面上受到的压力也大，梁的变形能力随截面混凝土受压区的相对高度增大而减小。,为防止框架梁因过高的配筋率而不能满足延性的要求，对梁的混凝土受压区高度应根据不同抗震等级加以限制，受压区高度小则有利于提高梁的延性。,另外，梁端截面上纵向受压钢筋与纵向受拉钢筋保持一定的比例，对梁的延性也有较大的影响。原因是：一定的受压钢筋可以减小混凝土受压区高度；在地震作用下，梁端可能会出现正弯矩，如果梁底面钢筋过少，梁下部破坏严重，也会影响梁的承载力和变形能力。因此，梁端部截面必须配置一定的受压钢筋用以提高梁的截面延性。具体要求如下：,（,1,）非抗震设计：,（,2,）抗震设计：,x,b,h,0,b,一级抗震等级：,二、三级抗震等级：,（,1,）无地震作用组合时：,（,2,）有地震作用组合时：,试验研究表明，在低周反复荷载作用下，构件的正截面承载力与一次加载时的正截面承载力没有太多差别。因此，对框架梁正截面承载力仍可用非抗震设计的相应公式计算，但应考虑相应的承载力抗震调整系数。,四、,框架梁正截面抗弯承载力计算,1,梁受弯承载力的设计表达式,（,1,）非抗震设计：,（,2,）抗震设计：,2,由抗弯承载力确定截面配筋,3,纵向钢筋的配置,在地震作用效应与竖向荷载效应组合下，框架梁的弯矩分布