工程結(jié)構(gòu)抗震課件：第6章 多層及高層鋼筋混凝土房屋抗震設(shè)計(以框架結(jié)構(gòu)為主)

1、第6章 多層及高層鋼筋混凝土房屋抗震設(shè)計(以框架結(jié)構(gòu)為主) 工程抗震6.1 多高層建筑的主要震害 1）過大的地震作用； 2）結(jié)構(gòu)不對稱導(dǎo)致建筑物的扭轉(zhuǎn)變形破壞； 3）豎向剛度突變的樓層； 4）框架柱、梁、節(jié)點(diǎn)破壞； 5）填充墻的地震破壞； 6）剪切墻（剪力墻）破壞主要是X型裂縫的剪切破壞等。破壞例(柱破壞是致命的)破壞例(節(jié)點(diǎn)破壞)6.2 多高層結(jié)構(gòu)體系6.2.1、多高層建筑的主要結(jié)構(gòu)形式 框架、抗震墻、框架-抗震墻，框架-筒體結(jié)構(gòu)等。 1）框架結(jié)構(gòu)：梁柱組成的桿系結(jié)構(gòu)，多層建筑中應(yīng)用很廣，特點(diǎn)是剛度小、變形大，布置靈活。 2）抗震墻：側(cè)向剛度大，布置不太靈活（空間分割受到影響）。 3）筒體結(jié)

2、構(gòu)：閉口截面（筒狀），剛度大、布置也相對比較靈活（電梯井等）。超高層、商業(yè)、辦公樓等 規(guī)范在大量的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)以及經(jīng)濟(jì)性、地震災(zāi)害調(diào)查等基礎(chǔ)上，對不同的結(jié)構(gòu)形式規(guī)定了地震區(qū)的最大適用高度、最大寬高比。立面要求（數(shù)據(jù)以規(guī)范為準(zhǔn)）1）建筑物側(cè)向剛度下大上小、逐漸變化。2）樓層側(cè)向剛度不宜小于相鄰樓層側(cè)向剛度的70%，或其上相鄰平均值的80%對立面尺寸都有明確的規(guī)定。6.2.2 現(xiàn)澆鋼筋混凝土房屋的抗震設(shè)計等級規(guī)范根據(jù)房屋設(shè)防類別、烈度、結(jié)構(gòu)形式和高度，把房屋抗震設(shè)計分為四個等級。不同抗震等級有相應(yīng)的計算方法和構(gòu)造措施。6.2.3 抗震設(shè)計的一般要求（框架結(jié)構(gòu)） 1) 承重框架雙向設(shè)置。2) 樓梯、電梯

3、不應(yīng)引起偏心。3) 高度方向剛度不宜突變。4) 避免鞭梢效應(yīng)。5) 遵守“強(qiáng)柱弱梁”、“強(qiáng)剪弱彎”、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、強(qiáng)錨固的原則。6) 柱截面不宜過小，控制側(cè)向變形和軸壓比。7) 梁與柱軸線盡量重合。8) 合理選用梁的截面尺寸。9) 用輕質(zhì)的填充墻材料等。（對于框-剪結(jié)構(gòu)）1）剪力墻(抗震墻)布置均勻、對稱。2）剪力墻沿結(jié)構(gòu)縱橫向布置，相互連接T、L、十形等，提高剛度。3）剪力墻與柱中心線盡量重合。4）剪力墻盡量布置在端部，但不宜布置在外墻。5）剪力墻開洞時盡量上下對齊。6）剪力墻在高度方向貫通，剛度不發(fā)生突變。7）剪力墻數(shù)量滿足結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度為宜，不宜太多等等。6.3、框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計步驟與計算與結(jié)

4、構(gòu)抗震設(shè)計相關(guān)的內(nèi)容1）結(jié)構(gòu)動力特性計算（自振周期、振型）2）地震作用（荷載）、結(jié)構(gòu)位移和內(nèi)力計算（效應(yīng)）3）結(jié)構(gòu)內(nèi)力組合計算4）截面設(shè)計（按組合的結(jié)果進(jìn)行截面設(shè)計，安全驗(yàn)算自動得到了保證）5）按規(guī)范規(guī)定滿足相關(guān)構(gòu)造的要求 6.3.1 水平地震作用下的樓層結(jié)構(gòu)計算1）地震荷載方向：橫向和縱向（建筑物主軸）2）計算單位：獨(dú)立的振動體（抗震縫作為分隔單位）3）地震作用位置：集中在樓層4）作用在樓層的地震荷載：振型分解反應(yīng)譜方法、底部剪力法、時程分析法。底部剪力法是一種適用于手算的簡化方法，根據(jù)自振頻率、假定的倒三角形振型計算地震作用。計算過程示意圖 6.3.2 水平地震作用下結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力計算在樓層

5、水平地震作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移，一般采用電算方法，也可以近似算法，框架結(jié)構(gòu)采用手算時，一般采用D值法計算。計算步驟：1）計算各層柱的側(cè)移剛度Kc為柱的線剛度，h為樓層高度，為節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動影響系數(shù)，根據(jù)梁柱線剛度計算。2）計算各柱分配的剪力VijVij 第i層第j根柱所分配的地震剪力Vi 第i層樓層剪力Dij 第i層第j根柱的側(cè)移剛度Dij 第i層所有柱側(cè)移剛度之后3）計算反彎點(diǎn)高度 y=(y0+y1+y2+y3)hy0 標(biāo)準(zhǔn)反彎點(diǎn)高度比（查表）y1 當(dāng)上下層梁線剛度不同時，對y0的修正（根據(jù)相對線剛度大小不同分兩種情形）y2 當(dāng)上層層高與本層層高不同時，對y0的修正y3 當(dāng)下層層高與本層層高不同時

6、，對y0的修正（4）計算柱端的彎矩（5）梁端的彎矩（6）計算梁端的剪力（7）計算柱的軸力：根據(jù)平衡條件計算得到 6.3.3 豎向荷載作用下框架內(nèi)力計算分層法和彎矩二次分配法。分層法：（1）該層梁與上下柱組成計算單元，每層只承受該層豎向荷載，不考慮其他層荷載。（2）考慮柱的遠(yuǎn)端為彈性約束，對柱子的線剛度折減0.9（底層除外）。（3）彎矩傳遞系數(shù)1/2改為1/3。（4）用彎矩分配法計算框架彎矩，疊加起來得到整個框架的彎矩。節(jié)點(diǎn)不平衡彎矩可再分配一次，但是不再傳遞。（5）柱的最終彎矩由上、下層單元框架彎矩的疊加。彎矩二次分配法：各節(jié)點(diǎn)的不平衡彎矩同時作分配和傳遞，第一次按梁柱線剛度分配固端彎矩，將分

7、配彎矩傳遞一次（傳遞系數(shù)1/2），再作一次彎矩分配。計算過程為：1）計算固端彎矩2）分配3）傳遞4）分配彎矩調(diào)幅：1）減小節(jié)點(diǎn)的彎矩，利于配筋2）有利于強(qiáng)柱弱梁設(shè)計，讓梁端首先進(jìn)入塑性范圍3）支點(diǎn)調(diào)幅以后，梁跨中的彎矩增加。4）只對豎向荷載作用下的內(nèi)力進(jìn)行調(diào)幅。6.3.4 內(nèi)力組合設(shè)計時根據(jù)可能出現(xiàn)的最不利情況確定內(nèi)力設(shè)計值，然后進(jìn)行截面配筋設(shè)計。（1）梁的組合內(nèi)力：支座負(fù)彎矩： -M=-RE(1.2MGE+1.3MEK) -M=-0(1.2MGk+1.4MQK)支座正彎矩： M=RE(1.3MEk-1.0MGE)跨間正彎矩： M=RE(1.2MGE+1.3MEK) M=0(1.2MGk+1.

8、4MQK)梁端剪力為： V=RE(1.2VGE+1.3VEK)vb V=0(1.2VGk+1.4VQK)Ek地震效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值GE重力效應(yīng)Qk活載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值vb剪力增大系數(shù)0結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)（2）柱的組合內(nèi)力：單向偏心受壓 Mx=RE(1.2MGEx+1.3MEx) N=RE(1.2NGE+1.3NEx) Mx=0(1.2MGkx+1.4MQKx) N=0(1.2NGk+1.4NQK)雙向偏心受壓（x方向地震力時） Mx=RE(1.2MGEx+1.3MEx) My=RE(1.2MGEy) N=RE(1.2NGE+1.4NEx)（詳細(xì)參照規(guī)范）設(shè)計采用的控制截面不是截面軸線處，而是構(gòu)件端部6.3.2

9、框架結(jié)構(gòu)位移驗(yàn)算框架為柔性結(jié)構(gòu)，變形問題突出，需要驗(yàn)算變形。框架結(jié)構(gòu)的位移驗(yàn)算包括：1）多遇地震時彈性層間位移2）罕遇地震下層間彈塑性位移1）多遇地震時彈性層間位移 ueeh e=1/550; h層高2）罕遇地震下層間彈塑性位移(薄弱層) 不超過12層，且剛度無突變的框架簡化計算得到 upph p=1/50（某些情況下可以提高） up=p uep彈塑性位移增大系數(shù)，與樓層屈服強(qiáng)度系數(shù)y有關(guān)。 y(i)=Vy(i)/Ve(i)Ve(i) 罕遇地震作用時第i層的彈性地震剪力（地震影響系數(shù)取max，罕遇地震）Vy(i)第i層根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計計算得到的樓層抗剪承載能力。樓層抗剪承載能力1）為樓層各柱屈服承

10、載力的相加2）每一根柱子的抗剪承載能力有上下兩端的抗彎承載能力確定3）節(jié)點(diǎn)的極限承載能力與節(jié)點(diǎn)破壞形式有關(guān)6.3.3 鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面設(shè)計基本要求：1）強(qiáng)柱、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、強(qiáng)錨固弱梁2）足夠的剪切強(qiáng)度（不發(fā)生彎剪破壞）3）良好的延性（核心混凝土，套箍作用）結(jié)構(gòu)安全驗(yàn)算（構(gòu)造要求）包括如下幾個部分：（1）梁剪切強(qiáng)度驗(yàn)算剪力設(shè)計值 V=vb(Mlb+Mrb) /ln+VGb9度和一級框架還應(yīng)符合 V=1.1(Mlbua+Mrbua) /ln+VGbln凈跨；vb為梁端剪力增大系數(shù)，一級1.3，二級1.2，三級1.1VGb在重力荷載代表值(9度時高層建筑包括豎向地震荷載標(biāo)準(zhǔn)值)作用下按簡支梁計算

11、得到的梁端截面剪力設(shè)計值。Mlb、Mrb 梁端彎矩順時針或反時針組合的設(shè)計值，一級框架兩端都是負(fù)值時，一端取零。Mlbua、Mrbua根據(jù)配筋、材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值計算得到的彎矩承載能力設(shè)計值。（2）梁剪壓比限值截面平均剪應(yīng)力與混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計值得比V/fcbh0為了限制梁塑性鉸區(qū)的截面剪應(yīng)力對延性影響（截面不能太?。?。剪力設(shè)計值滿足下式條件： 跨高比大于2.5 跨高比不大于2.5（3）梁斜截面受剪承載力在反復(fù)荷載作用下，混凝土的抗剪能力明顯降低。規(guī)范規(guī)定框架梁斜截面剪切承載力按下式驗(yàn)算(所有的公式要確認(rèn))Asv：箍筋面積fyv ：箍筋抗拉設(shè)計值主要是受集中荷載作用時（為計算截面的剪跨比）（4

12、）提高梁延性的構(gòu)造措施梁截面延性的主要因素：截面尺寸、縱向鋼筋配筋率、剪壓比、配箍率、材料的強(qiáng)度等級等。1）截面尺寸：不宜太小、跨高比不能太小2）縱向鋼筋配筋率：限制受壓區(qū)的高度（限制配筋率）3）梁縱筋配置：配置受壓區(qū)的縱筋（地震荷載為反復(fù)荷載；減小受壓區(qū)高度）。如何配置受壓區(qū)的縱筋，規(guī)范根據(jù)根據(jù)抗震等級作了比較具體的規(guī)定。4）箍筋加密：箍筋對混凝土具有套箍作用，在塑性鉸位置一般加密箍筋間距。（5）框架柱截面設(shè)計基本原則1）強(qiáng)柱弱梁，柱盡量不出現(xiàn)塑性鉸2）不發(fā)生剪切破壞3）控制軸壓比不要太大4）加強(qiáng)橫向約束（套箍作用）1）強(qiáng)柱弱梁的原則確定柱彎矩設(shè)計值上下柱端的極限抗彎承載力之和大于梁端極限抗

13、彎承載力之和。 設(shè)計彎矩Mc=cMb (c:彎矩增大系數(shù)，與等級有關(guān))設(shè)計時應(yīng)特別加強(qiáng)底層柱子的強(qiáng)度，不應(yīng)過早出現(xiàn)塑性2）強(qiáng)剪弱彎原則確定柱子設(shè)計剪力設(shè)計剪力按下式調(diào)整（考慮增大系數(shù)）9度和一級框架還要滿足3）限制剪壓比原則確定截面尺寸的要求設(shè)計剪力按下式調(diào)整（考慮增大系數(shù)）剪跨比大于2剪跨比不大于24）斜截面承受剪力承載力（考慮反復(fù)荷載影響）5）控制軸壓比和柱內(nèi)縱向鋼筋配。配筋率也不宜過大，規(guī)范同時也規(guī)定了最大配筋率。詳細(xì)參見規(guī)范。出現(xiàn)拉力時0.650.750.600.750.850.700.850.956）柱端箍筋配置加密 柱端為塑性鉸發(fā)生的位置，箍筋可以起到混凝土的套箍作用、防止縱筋屈服

14、作用、提高剪切作用等。 加密區(qū)間、構(gòu)造要求、與軸壓比關(guān)系等根據(jù)規(guī)范要求執(zhí)行（對抗震性能非常重要）。（6）框架節(jié)點(diǎn)抗震設(shè)計節(jié)點(diǎn)破壞對結(jié)構(gòu)抗震性能有影響嚴(yán)重。節(jié)點(diǎn)破壞形式：剪切破壞、錨固失效設(shè)計原則：強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、弱構(gòu)件設(shè)計的基本要求1）節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度高于其他連接構(gòu)件的承載力2）多遇地震時，節(jié)點(diǎn)在彈性范圍內(nèi)工作3）罕遇地震時，節(jié)點(diǎn)有足夠豎向荷載承載能力4）梁柱鋼筋在節(jié)點(diǎn)的錨固可靠5）考慮施工性1）剪力設(shè)計值（三、四級框架一般不需要計算）c：強(qiáng)節(jié)點(diǎn)系數(shù)，一級1.35，二級1.2Mb節(jié)點(diǎn)左右梁端反時針或順時針方向組合彎矩設(shè)計值之和Mbua節(jié)點(diǎn)左右梁端反時針或順時針方向根據(jù)實(shí)際鋼筋面積和材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值計算的受彎承載力所對應(yīng)的彎矩設(shè)計值之和梁彎曲產(chǎn)生的剪力減去柱的剪力2）剪壓比限值為了防止斜壓破壞，控制剪壓比