第四讲 钢筋混凝土框架结构设计,苏州科技学院 土木工程学院 二一二年二月,高层建筑结构设计(第四讲),内容提要 一、延性梁 框架梁的破坏形态与延性 框架梁的受压区高度与延性 框架梁的箍筋与延性 框架梁的截面尺寸与延性 二、延性柱 柱的破坏形态与延性 剪跨比影响柱破坏的主要因素 轴压比影响柱延性的重要因素 设置箍筋提高混凝土极限压应变、改善混凝土延性性能的有效措施 柱的加强部位 柱的强剪弱弯 柱的截面尺寸及限制柱截面剪压比 三、强节点、强锚固 核心区的破坏 节点核心区破坏机理和剪力设计值 节点核心区混凝土强度等级问题 节点区构造改进及塑性铰转移,高层建筑结构设计(第四讲),第一节 延性梁,一、框架梁的破坏形态与延性 梁的破坏 可能弯曲破坏（少筋破坏、超筋破坏、适筋破坏） 可能剪切破坏（斜拉破坏、剪压破坏、斜压破坏）, 梁剪切破坏是由于剪切承载力不足，出现剪切斜裂缝，在弯曲屈服前梁构件沿斜裂缝剪断而破坏，弯曲屈服前的剪切破坏是脆性破坏按“强剪弱弯”设计,高层建筑结构设计(第四讲),“强剪弱弯”设计 要求截面的抗剪承载力大于抗弯承载力,注意：, 一级、二级、三级框架梁端截面箍筋加密区外的区段，以及四级和非抗震框架梁，梁的剪力设计值取最不利组合得到的剪力, 由于框架梁只在梁端出现塑性铰，在设计中只要求梁端截面抗剪承载力高于抗弯承载力, 利用构件力平衡关系，由组合弯矩计算剪力，再乘以放大系数，作为截面的剪力设计值计算箍筋用量 简化方法,如何真正实现“强剪弱弯”？,高层建筑结构设计(第四讲), 设计剪力大于实际受弯承载力，使梁的受剪承载力大于实际受弯承载力, 一级的框架结构和9度的一级框架梁,除符合简化要求外,尚应符合下列要求, 剪力设计值取式（*）和式（*）二者的较大值保证框架梁“强剪弱弯”,高层建筑结构设计(第四讲),二、框架梁的受压区高度与延性, 影响梁延性大小的主要因素：, 框架结构中，塑性铰首先出现在梁端部，抗震等级越高的框架，要求梁的延性越大，因而限制梁端部截面受压高度越严格，要求配置的受压钢筋数量也越大,高层建筑结构设计(第四讲),在延性框架中过多配置梁的受拉钢筋对延性不利 会减小梁的弯曲塑性铰延性 会加大屈服时相应的剪力,三、框架梁的箍筋与延性 框架梁端破坏主要集中在梁端塑性铰区范围内，钢筋屈服是一个区段。在反复荷载作用下，竖向裂缝贯通，斜裂缝交叉，混凝土骨料的咬合作用渐渐丧失，主要依靠箍筋和纵筋的销健作用传递剪力，十分不利。, 在梁的两端设置箍筋加密区, 抗震设防的框架梁不用弯起钢筋抗剪, 箍筋必须封闭，应有135o弯钩，弯钩直段长度箍筋直径的10倍和75mm的较大者,高层建筑结构设计(第四讲), 根据试验和震害，梁端的破坏主要集中于（1.52.0）倍梁高的长度范围内；当箍筋间距小于6d8d（d为纵向钢筋直径）时，混凝土压溃前受压钢筋一般不致压曲，延性较好。因此，规定了箍筋加密区的长度，限制箍筋最大肢距。,梁端箍筋加密区的长度、箍筋的最大间距和最小直径,注：1、d-纵向钢筋直径；hb-梁的截面高度 2、箍筋直径大于12mm、数量不少于4肢且肢距不大于150mm时，一、二级的最大间距应允许适当放宽，但不得大于150mm。 3、当梁端纵向受拉钢筋配筋率大于2%时，表中箍筋最小直径数值应增大2mm,高层建筑结构设计(第四讲),框架梁配筋构造汇总（注意：梁端箍筋加密区长度、箍筋最大间距、最小直径）,GB50011-2010：“梁端纵向受力钢筋的配筋率不宜大于2.5%”由强制性改为非强制性,高层建筑结构设计(第四讲),四、框架梁截面尺寸与延性 框架梁的截面尺寸应满足要求： 承载力要求 刚度要求 剪压比要求限制平均剪应力，即限制梁最小截面尺寸 剪压比 截面平均剪应力与混凝土轴心抗压强度之比, 不符合要求：加大截面尺寸、提高混凝土强度等级等,高层建筑结构设计(第四讲),第二节 延性柱,一、柱破坏形态与延性 在竖向荷载和反复水平荷载共同作用下钢筋混凝土框架柱的破坏形态： 压弯破坏（大偏心受压破坏）-延性破坏-柱抗震设计尽可能实现大偏心破坏 压弯破坏（小偏心受压破坏）-延性很小，基本脆性破坏 剪切受压破坏-延性很小，基本脆性破坏 剪切受拉破坏-脆性破坏 剪切斜拉破坏-脆性破坏 粘结开裂破坏-脆性破坏 二、剪跨比是影响柱破坏形态的主要因素,工程中应尽可能设计成长柱，如设计成短柱，应采取措施改善其性能，尽量避免采用极短柱,高层建筑结构设计(第四讲),三、轴压比是影响柱延性的重要因素, 对称配筋柱截面的混凝土相对受压区高度与其轴压比n成正比，增大轴压比n，也就增大相对受压区高度。, 规范：限制柱轴压比实现大偏心受压破坏，使柱具有良好的延性和耗能能力, 剪跨比2，混凝土强度等级C60的一、二、三、四级抗震等级框架结构柱的轴压比限值分别为：0.65、0.75 、 0.85 、0.9；, 剪跨比2的柱轴压比限值应降低0.05； 剪跨比1.5的柱轴压比限值应专门研究并采取特殊的构造措施, 柱轴压比不应大于1.05;, 可不进行地震作用计算的结构，取无地震组合的轴力设计值，轴压比限值应取1.0., 框架-剪力墙结构中，各级框架柱的轴压比限值分别放宽0.05。,高层建筑结构设计(第四讲),四、设置箍筋是提高混凝土极限压应变、改善混凝土延性性能的有效措施 柱中箍筋作用： 抵抗剪力 约束混凝土 防止纵筋压屈 箍筋对混凝土的约束是提高混凝土极限压应变，改善柱延性性能的主要措施,高层建筑结构设计(第四讲), 常用箍筋形式 普通箍（矩形、圆形） 复合箍 螺旋箍 复合螺旋箍（螺旋箍+矩形箍） 连续复合螺旋箍（用一根钢筋连续缠绕而成的螺旋式箍）,思考题： 试说明改善钢筋混凝土柱延性的方法，并作简要说明。（要求尽可能多的情况）,高层建筑结构设计(第四讲),普通箍,复合箍,高层建筑结构设计(第四讲),螺旋箍,连续复合螺旋箍（用于矩形截面柱）,高层建筑结构设计(第四讲),（1）高强度混凝土柱 （2）纤维加强混凝土柱（钢纤维、碳纤维、碳纤维布等） （3）采用配有复合箍、复合螺旋箍、连续复合矩形螺旋箍的钢筋混凝土柱 （4）采用增设芯柱的钢筋混凝土柱 （5）采用钢筋混凝土分体柱（带缝槽钢筋混凝土柱） （6）采用型钢混凝土柱 （7）采用空间钢构架混凝土柱（角钢、纵筋与缀条或箍筋焊接成骨架） （8）采用钢管混凝土柱 （9）采用中空钢管混凝土柱 （10）采用不同类型的组合柱（钢管为芯柱的型钢混凝土柱 ；分体柱的各单元柱内增设钢筋混凝土芯柱等）,高层建筑结构设计(第四讲),芯柱尺寸及配筋示意,高层建筑结构设计(第四讲),分体柱的截面形式 （a）方形；（b）矩形,高层建筑结构设计(第四讲),五、柱的加强部位（以一级抗震设计框架为例） （1）调整柱端弯矩，实现强柱弱梁,高层建筑结构设计(第四讲),（3）加大角柱设计内力，提高其承载力,高层建筑结构设计(第四讲),框架结构框架柱端截面弯矩增大系数,框架结构底层柱下端截面弯矩增大系数,本次规范修订，提高了框架结构的柱端弯矩增大系数，并该补充了四级框架的柱端弯矩增大系数，分析提高的原因。,高层建筑结构设计(第四讲),六、柱的强剪弱弯（以一级抗震设计框架为例）,高层建筑结构设计(第四讲),框架结构框架柱端剪力增大系数,本次规范修订，提高了框架结构的柱端剪力增大系数，框架梁、框架结构以外的框架的柱的剪力增大系数与GB50011-2001相同。并该补充了四级框架的柱端剪力增大系数，分析提高的原因。,高层建筑结构设计(第四讲), 框架柱内力调整结果,高层建筑结构设计(第四讲),第三节 强节点、强锚固,一、核心区的破坏 节点核心区的破坏：沿斜裂缝剪切破坏，或形成多条交叉斜裂缝后，在反复荷载作用下混凝土挤压破碎 保证核心区不过早发生剪切破坏的主要措施是保证节点区混凝土的强度和密实性，且配置足够的箍筋 二、节点核心区破坏机理和剪力设计值,高层建筑结构设计(第四讲), 作为拉杆的梁上、下纵向钢筋必须有足够的抗拉能力，当钢筋不能直通时必须有良好的锚固 核心区出现斜向裂缝的原因是压应变超过了混凝土的峰值应变，通过箍筋约束可以提高混凝土的应变能力 当梁钢筋屈服后，箍筋可起到拉杆作用以抵抗拉力,高层建筑结构设计(第四讲), 规范：采用保证核心区的抗剪承载力的设计方法，配置节点核心区的箍筋以抵抗斜裂缝的开展，要求在梁端钢筋屈服以前，核心区不发生剪切破坏，体现强节点的要求。,高层建筑结构设计(第四讲), 规范： 抗震等级一、二级时，根据剪力设计值验算框架节点区的抗剪承载力，并计算所需要的箍筋数量； 抗震等级三级、四级和非抗震设计框架结构的核心区可不验算节点区抗剪承载力，只要按要求构造设置箍筋。 框架节点核芯区箍筋构造 考虑到核芯区内箍筋的作用与柱端有所不同，其构造要求与柱端有所区别,高层建筑结构设计(第四讲),三、节点核芯区混凝土强度等级 柱采用高强等级混凝土，梁、板采用较低强度等级混凝土，梁柱节点核芯区混凝土强度等级？ 原规范：核心区混凝土强度等级与柱混凝土强度等级相差不宜大于5Mpa 提高楼盖混凝土强度等级，使框架梁、柱核芯区的混凝土强度等级与柱的混凝土强度等级相同或略低 增加造价 柱核芯区先浇筑与柱相同等级的混凝土，在梁内留施工缝，沿施工缝设置钢丝网，在混凝土初凝前浇注楼盖混凝土 在核芯区内加插件，并配螺旋箍筋或加短钢管，或将柱内钢管通过节点等方法增强核芯区 增加施工困难，质量不易保证,高层建筑结构设计(第四讲),高强混凝土柱核芯区的合理设计方法？ 当核芯区周围有梁相连时，节点核心区混凝土受到约束，混凝土的极限应变和强度提高，与下列因素有关： 楼板和梁对柱核心区的约束程度 梁宽超过1/2柱宽时，约束效果较好 中柱节点区四周有梁板约束，效果最好，极限应变和强度提高最大，边柱次之，角柱较差 柱混凝土强度等级与楼板混凝土强度等级的相差程度 美国ACI318-99：柱的混凝土强度等级为楼板混凝土强度等级的1.4倍，应采取增强节点核芯区的措施 柱的竖向钢筋配筋率和梁的水平钢筋配筋率 柱和梁的纵向受力钢筋配筋率多，效果好 与柱尺寸相比，楼盖厚度 楼板厚度薄，效果较好，无梁楼盖约束效果好 荷载的偏心,高层建筑结构设计(第四讲), 美国ACI318-95：中柱核芯区混凝土的折合强度,加拿大CSAA23.3-94：中柱核芯区混凝土的折合强度, 美国ACI318-95：边柱核芯区混凝土的折合强度, 美国ACI318-95：角柱核芯区混凝土的折合强度,高层建筑结构设计(第四讲), 程懋堃，高强混凝土柱的梁柱节点处理方法，建筑结构，2001（5） 论文建议 当柱混凝土强度与梁板混凝土强度不同时，可采用以上方法计算节点核心区混凝土的折合强度，所有抗震等级均必须按折合强度进行抗剪承载力验算，如满足抗剪承载力要求，则核芯区可采用与楼盖混凝土相同等级的混凝土，并与楼盖同时浇注混凝土。, 对承载力不足的核心区，或梁宽度较窄时，可采用在梁两侧水平加腋的方法，以加大核心面积，并提高核心区的约束程度, 若为无梁楼盖，可采用上述方法计算核心区混凝土的折合强度，如果在外柱以外有悬挑楼板，悬挑长度大于柱截面尺寸的2倍，可按中柱公式计算。, 对中柱，节点核心区混凝土的折合强度可按以下两式计算结果中较小值验算核心区的抗剪承载力,高层建筑结构设计(第四讲),四、节点核芯构造改进 在边柱节点的柱侧设置突出于柱面的混凝土块，可保证边柱节点内钢筋的锚固长度，缓解拥挤程度，改进节点性能 采用梁水平加腋做法，扩大节点核芯区面积，也有利于钢筋锚固和缓解钢筋拥挤程度 采用附加短筋或锚板加强钢筋的锚固 塑性铰转移（在离柱表面约hb处设置人工塑性铰，使该截面屈服早于梁端部屈服）,高层建筑结构设计(第四讲),【问题1】主体结构除个别部位外，不应采用梁柱铰接 由于建筑使用功能或立面的要求，在沿纵向边框架局部凸出，在纵向框架与横向框架相连的A点，常采用铰接处理。此类情况在框架结构中属于个别铰接，框架梁一端无柱。若在A点再设置柱或形成两根纵梁相连的扁柱，将使相邻双柱或扁柱承受大部分楼层地震剪力，造成平面内各抗侧力的竖向构件（柱子）