1、第四讲 钢筋混凝土框架结构设计,唐 兴 荣 博 士 教 授 苏州科技学院 土木工程学院 二一二年二月,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,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
2、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,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”？, 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
3、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”,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,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
4、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, 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
5、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,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,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,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
6、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,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
7、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。,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, 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
8、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）,普通箍,复合箍,螺旋箍,连续复合螺旋箍（用于矩形截面柱）,（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
9、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）,芯柱尺寸及配筋示意,分体柱的截面形式 （a）方形；（b）矩形,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,（3）加大角柱设计内力，提高其承载力,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。,六、柱的强剪弱弯（以一级抗震设计框架为例）,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GB50011-20
10、01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。, 框架柱内力调整结果,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, 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, 规范：采用保证核心区的抗剪
11、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。, 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,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
12、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
13、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, 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, 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
14、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,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
15、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）,【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）刚度不均匀，尤其当局部凸出部位在端部或
16、平面中不对称，产生扭转效应。,框架梁个别铰接示意,【问题2】设置少量剪力墙的框架结构的处理方法抗震设计的框架结构中，当仅在楼、电梯间或其他部位设置少量钢筋混凝土剪力墙时, 由于剪力墙的存在，使结构受到的地震作用增大，且剪力墙与框架协同工作，使框架的上部受力加大，因此设计中不计及这部分剪力墙，仅按纯框架结构进行结构设计分析、配筋计算，然后将剪力墙构造配筋，无论对框架还是剪力墙都是不安全的。因此高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2002）规定，结构分析计算应按剪力墙与框架的协同工作考虑。如楼、电梯间位置较偏而产生较大的刚度偏心，宜采取将此种剪力墙减薄、开竖槽、开结构洞、配置少量单排钢筋等措施，
17、减小剪力墙的作用，并宜增加与剪力墙相连柱的配筋。设置少量剪力墙的框架结构，因剪力墙承受的底部倾覆力矩较小，因此，框架部分的抗震等级仍按框架结构采用，剪力墙的抗震等级可同框架结构（当规定水平力作用下，底层框架部分承受的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的50%时）。,【问题3】抗震设计的框架结构不宜采用单跨框架高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2002）第6.1.2条规定，抗震设计的框架结构不宜采用单跨框架。这是由于单跨框架的抗侧刚度小，耗能能力较弱，结构超静定次数较少，一旦柱子出现塑性铰（在强震时不可避免），出现连续倒塌的可能性很大。震害表明，单跨框架结构震害较重（包括多层），1999年台
18、湾的集集地震，就有不少单跨框架结构倒塌的震害实例。建筑抗震设计规范（GB50011-2010）第6.1.5条规定：甲、乙类建度筑以及高度大于24m的丙类建筑，不应采用单跨框架结构；高度不大于24m的丙类建筑不宜采用单跨框架结构。, 框架结构中某个主轴方向均为单跨单跨框架结构；某个主轴方向有局部大单跨框架可不作为单跨框架；一、二层的连廊采用单跨框架时，需要注意加强。 此类单跨框架往往为工厂工艺要求，只能采用这种结构。如允许，可设置少量剪力墙，由剪力墙作为第一道防线，结构的抗震能力将得以加强。因此，带剪力墙的单跨框架结构可不受此限制。 根据超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点规定，单跨框架结构
19、的高层建筑为特别不规则的高层建筑，属于超限高层建筑，需要进行抗震设防专项审查。因此，高层建筑采用单跨框架更应慎重。,【问题4】框架结构按抗震设计时，不应采用混合承重形式框架结构按抗震设计时，不应采用部分由砌体墙承重、部分由框架承重的混合承重形式。框架结构中的楼、电梯间及局部突出屋面的电梯机房、楼梯间、水箱间和设备间等，应采用框架承重，不应采用砌体墙承重。屋顶设置的水箱和其他设备应可靠地支承在框架主体上。框架结构与砌体结构体系所用的承重材料完全不同，是两种截然不同的结构体系，其抗侧刚度、变形能力、结构延性、抗震性能等相差很大。将这两种结构在同一建筑物中混合使用，而不以防震缝将其分开，必然会导致建
20、筑物受力不合理、变形不协调，对建筑物的抗震性能产生很不利的影响。,【问题5】未实现“强柱弱梁”屈服机制的主要原因 框架梁上填充墙使得框架梁刚度增大的影响； 楼板对框架梁的承载力和刚度增大影响； 框架梁跨度过大使得梁的截面尺寸增大，梁端抗弯承载力增大； 梁端超配筋和钢筋实际强度超强； 规范对框架柱的轴压比限值过高使得框架柱的截面尺寸偏小； 柱最小配筋率和最小配箍率偏小； 大震下结构受力状态与结构弹性受力状态存在差异； 梁、柱可靠度的差异。由于目前对框架结构“强柱弱梁”屈服机制的研究大多针对纯框架结构进行，因此确定柱端弯矩增大系数时，主要考虑了以上和两个因素（因素考虑并不充分），而对其它影响因素虽然有所考虑，但因规范未给出具体规定和方法，使得这些因素在设计中未被充分考虑。,柔性连接砌体填充墙框架结构/带缝砌体填充墙框架结构,思考题：试分析框架结构未实现强柱弱梁屈服机制的原因（尽可能多的原因），并作适当的分析。,
