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1、1第四节 钢筋混凝土框架构件设计5.4.1 框架延性设计的概念一、延性结构的概念延性：是指构件和结构屈服后，具有承载能力不降低或基本不降低、且具有足够塑性变形能力的一种性能。一般用延性比表示。延性比：是指极限变形（曲率、转角或扰度）与屈服变形的比值。屈服变形：指钢筋屈服时的变形。极限变形：承载力降低10%-20%时的变形。2一、延性结构的概念 结构延性比：是指达到极限时顶点位移与屈服时顶点位移的比值。 “屈服” ：结构塑性铰达到一定数量以后，结构塑性变形迅速增大而承载能力略微增大的阶段。 “极限” ：整个结构不能维持其承载能力，即承载力下降到最大承载能力的80%-90%。 当时，延性比=1表示
2、结构屈服即坏，没有延性，是脆性破坏。延性比1时，越大，表示结构的延性越好。5.4.1 框架延性设计的概念345.4.1 框架延性设计的概念二、延性对结构抗震性能的影响延性越好，结构的抗震能力也就越好。 在大震下，即使结构构件达到屈服，仍然可以通过屈服截面的塑性变形来消耗地震能，避免发生脆性破坏。在大震后的余震发生时，因为塑性铰的出现，结构的刚度明显变小，周期变长，所受地震力会明显减小，震害减轻。 因此在地震区，结构必须具备一定的延性。并且设防烈度越高、结构高度越大，对延性的要求也越高。55.4.1 框架延性设计的概念二、延性对结构抗震性能的影响结构的耗能能力用往复荷载作用下构件或结构的力-变形
3、滞回曲线包含的面积度量。在相同的变形情况下，滞回曲线包含的面积越大，则耗能能力越大，对抗震有利。 6弯曲破坏滞回曲线压弯破坏滞回曲线剪切破坏滞回曲线由图可知：梁的耗能能力大于柱的耗能能力，构件弯曲破坏的耗能能力大于剪切破坏的耗能能力。 滞回曲线呈滞回曲线呈“梭形梭形”或捏或捏拢不严重的，拢不严重的，构件的耗能能构件的耗能能力大，为延性力大，为延性破坏；破坏； 滞回曲线捏滞回曲线捏拢严重的，构拢严重的，构件的耗能能力件的耗能能力差，为脆性破差，为脆性破坏。坏。75.4.1 框架延性设计的概念三、延性框架设计的一般原则1、强柱弱梁 从抗弯角度来讲，要求柱端截面的屈服弯矩要大于梁端截面的屈服弯矩，使
4、塑性铰尽可能出现在梁的端部，从而形成强柱弱梁。 在梁端出现塑性铰，一方面框架结构不会变成倒塌机制，而且塑性铰的数目多，消耗地震能的能力强；另一方面，受弯构件具有较高的延性，结构的延性有保障。85.4.1 框架延性设计的概念 梁端塑性铰梁端塑性铰 柱端塑性铰柱端塑性铰9弱柱型弱梁型5.4.1 框架延性设计的概念10重力荷载弯矩地震弯矩组合弯矩承承载载能能力力右端塑性铰形成反向地震弯矩反向组合弯矩承承载载能能力力左端塑性铰形成地震力消失地震力消失11121314151617 1999年台湾南投县集集镇发生了年台湾南投县集集镇发生了7.3级级大地震，有些建筑的破坏几乎全是底层柱混大地震，有些建筑的破
5、坏几乎全是底层柱混凝土压碎，而少有钢筋拉断的现象。可判断凝土压碎，而少有钢筋拉断的现象。可判断是建筑物混凝土强度不足，或混凝土拌和不是建筑物混凝土强度不足，或混凝土拌和不均匀，或是混凝土浇灌不密实，或是混凝土均匀，或是混凝土浇灌不密实，或是混凝土蜂窝缺陷严重等导致握裹力丧失，钢筋无法蜂窝缺陷严重等导致握裹力丧失，钢筋无法发挥其应有的效用。显然未达到发挥其应有的效用。显然未达到“强柱弱梁强柱弱梁”的设计要求。的设计要求。18必须注意以下几点：必须注意以下几点：1、对工人的管理不亚于对混凝土强度的控制；、对工人的管理不亚于对混凝土强度的控制；2、柱子与楼板体系的混凝土应分别浇灌；、柱子与楼板体系的
6、混凝土应分别浇灌；3、混凝土的保护层必须得到保证；、混凝土的保护层必须得到保证；4、钢筋的绑扎务必按照规定办理；、钢筋的绑扎务必按照规定办理；5、混凝土的蜂窝现象不可草率处理。、混凝土的蜂窝现象不可草率处理。195.4.1 框架延性设计的概念三、延性框架设计的一般原则2、强剪弱弯 要求构件的抗剪能力要比其抗弯承载能力对应的剪力强，从而推迟或避免梁、柱构件过早发生剪切破坏。20弯曲破坏滞回曲线压弯破坏滞回曲线剪切破坏滞回曲线由图可知：构件弯曲破坏的耗能能力大于剪切破坏的耗能能力。215.4.1 框架延性设计的概念三、延性框架设计的一般原则3、强节点（核芯区）、强锚固 节点区域受力复杂，容易发生破
7、坏。节点的可靠与否是关系梁、柱能否可靠工作的前提，必须做到强节点。钢筋锚固的好坏是构件能否发挥承载力的关键。22234、局部加强 提高和加强柱根部（加密箍筋）以及角柱、框支柱等受力不利部位的承载能力和抗震构造措施。5.4.1 框架延性设计的概念三、延性框架设计的一般原则245.4.1 框架延性设计的概念5、控制柱的轴压比 轴压比：柱组合的轴压力设计值与柱的全截面面积和混凝土抗压强度设计值乘积之比。三、延性框架设计的一般原则255.4.2 框架梁设计 框架的延性主要取决于框架梁，因此，在框架梁的设计中，应对梁的延性给予足够的重视。一、梁的破坏形态与延性1、破坏形态钢筋混凝土梁的破坏形态有两种形式
8、：弯曲破坏和剪切破坏。剪切破坏属于延性小、耗能能力差的脆性破坏，应通过强剪弱弯设计，避免剪切破坏。265.4.2 框架梁设计 2、弯曲破坏三种形态： 少筋破坏 超筋破坏 适筋破坏275.4.2 框架梁设计 3、梁截面配筋与延性 由力的平衡来看： 即使是适筋梁，梁的延性也与受拉钢筋的配筋率有直接的关系。受拉钢筋配筋率越低，梁的延性越好。受压钢筋配筋率越高，梁的压区高度就越小，塑性铰的转动能力就越强，梁的延性就越好。bxffAfAcmysys285.4.2 框架梁设计 二、梁截面抗弯验算1、无震组合00()()()2bssybsybxMAAfhA fha2、有震组合001()()()2bssybs
9、ybRExMAAfhA fhabMssAA、aRE组合的梁端截面弯矩设计值；分别为受拉钢筋和受压钢筋面积；受压钢筋中心至截面受压边缘的距离；承载力抗震调整系数，取0.75。295.4.2 框架梁设计 三、梁抗剪承载力验算1.框架梁箍筋与延性 须在梁的两端设置须在梁的两端设置箍筋加密区箍筋加密区，来保证塑性，来保证塑性区具有良好的塑性转动能力，同时为了防止混凝区具有良好的塑性转动能力，同时为了防止混凝土压溃前受压钢筋过早压屈。土压溃前受压钢筋过早压屈。30GbnrblbVbbVlMMV9 9度和一级框架结构尚应符合：度和一级框架结构尚应符合：一、二、三级框架梁一、二、三级框架梁Gbnrbualb
10、uabVlMMV1.1GbV-梁在重力荷载代表值（梁在重力荷载代表值（9 9度时高层建筑还应包括竖向地震作用标度时高层建筑还应包括竖向地震作用标 准值）作用下，按简支梁分析的梁端截面剪力设计值；准值）作用下，按简支梁分析的梁端截面剪力设计值；rblbMM、-分别为梁左、右端逆时针或顺时针方向正截面组合的弯矩设计值分别为梁左、右端逆时针或顺时针方向正截面组合的弯矩设计值; ;Vb-梁的剪力增大系数，一级为梁的剪力增大系数，一级为1.3,1.3,二级为二级为1.2,1.2,三级为三级为1.11.1。nl-梁的净跨；梁的净跨；rbualbuaMM、-分别为梁左、右端逆时针或顺时针方向根据实配钢筋面积
11、分别为梁左、右端逆时针或顺时针方向根据实配钢筋面积( (考考虑受压筋虑受压筋) )和材料强度标准值计算的抗弯承载力所对应的弯值；和材料强度标准值计算的抗弯承载力所对应的弯值；2.梁剪力设计值 为了避免梁在弯曲破坏前发生剪切破坏，应按“强剪弱弯”的原则调整框架梁端部截面组合的剪力设计值。313.受剪承载力验算svbtb0yvb0REyvsvRE10.421.250.851.0bAVf b hfhsfA箍筋抗拉强度设计值；同一截面箍筋各肢的全部截面面积；承载力抗震调整系数，一般取；对于一、二级框架短梁，取；000.71.25svbtbbyvbAVf b hfhS无地震作用有地震作用32跨高比大于跨
12、高比大于2.52.5时：时：0bhfVc 剪压比：剪压比：截面内平均剪应力与混凝土抗压强度设计值之截面内平均剪应力与混凝土抗压强度设计值之比，即比，即01(0.2)ccR EVf bh4.剪压比限值 剪压比过大剪压比过大, ,混凝土会过早发生斜压破坏混凝土会过早发生斜压破坏, ,箍筋不能充分箍筋不能充分发挥作用发挥作用, ,它对构件的变形能力也有显著影响。因此应控制。它对构件的变形能力也有显著影响。因此应控制。跨高比等于或小于跨高比等于或小于2.52.5时：时：01(0.15)ccR EVf bhV-梁端部截面组合的剪力设计值；梁端部截面组合的剪力设计值；0h-梁的截面有效高度；梁的截面有效高
13、度；cf-混凝土轴心抗压强度设计值；混凝土轴心抗压强度设计值；b-梁的截面宽度；梁的截面宽度；RE-承载力抗震调整系数。承载力抗震调整系数。335、提高梁延性的措施（1）梁截面尺寸的要求梁宽200mm梁宽/柱宽1/2粱的高宽比4粱净跨/截面高4；框架主梁一般h=(1/101/18)lb（2）梁端箍筋加密（3）梁纵筋的配筋率及纵筋配置 为了提高梁的正截面塑性铰转动延性，梁的纵向配筋率不宜过高。34 为此，框架梁的纵向配筋应符合下列要求：（a)抗震设计时，梁端纵向受拉钢筋的配筋率不宜大于2.5，不应大于2.75；当梁端受拉钢筋的配筋率大于2.5时，受压钢筋的配筋率不应小于受拉钢筋的一半。梁端截面最
14、大配筋率应使梁端截面的受压区相对高度（即截面受压区高度与有效高度比）应满足：一级不应大于0.25，二、三级不应大于0.35；（b)梁端或任何可能屈服截面处，下部与上部配筋量的比值（As/As），一级不应小于0.5，二、三级不应小于0.3。35（d）为防止粘结破坏，一、二级框架梁内贯通中柱的每根纵向钢筋直径，对矩形截面柱，不宜大于柱在该方向截面尺寸的1/20，对圆形截面柱，不宜大于纵向钢筋所在位置柱截面弦长的1/20 为此，框架梁的纵向配筋应符合下列要求：（c)沿梁全长顶面和底面的配筋，一二级不应少于 且分别不应少于梁两端顶面和底面纵向配筋中较大截面面积的1/4，三四级不应少于 。1421223
15、65.4.2 框架梁设计 （1）箍筋加密区长度一级抗震 且500mmbh2二四级抗震 且500mmbh5 . 1箍筋构造375.4.2 框架梁设计 框架梁箍筋构造要求抗震等级梁端箍筋加密区非加密区箍筋最大间距(mm)箍筋最小直径最小面积配箍率一hb/4，6d，100mm10，d/40.3ft/fyv二hb/4，8d，100mm8，d/40.28ft/fyv三hb/4，8d，150mm8，d/40.26ft/fyv四hb/4，8d，150mm6，d/40.26ft/fyv表中d为纵筋直径，ft为混凝土抗拉强度设计值。 （2）箍筋加密区的构造要求385.4.2 框架梁设计 （2）箍筋加密区的构造要
16、求不能采用弯起钢筋抗剪；箍筋的数量和间距应满足表6-2的要求，当纵筋配筋率大于2%时，箍筋直径比表内数值还要增加2mm；为了防止破坏转移到箍筋加密区之外，沿梁全长箍筋面积配箍率应符合表中非加密区的要求，同时不小于加密区箍筋数量的一半。箍筋必须采用封闭式，加135弯钩，且保证弯钩长度和施工质量。3910d和75mm的较大者 第一个箍筋应设置在距构件节点边缘不大于50mm处4041一、框架柱的破坏形态一、框架柱的破坏形态 框架柱的破坏一般发生在柱的上下端。框架柱的破坏一般发生在柱的上下端。 短柱短柱柱的长细比不大于柱的长细比不大于4的柱子。的柱子。（由（由于它的线刚度大，在地震作用下会产生较大的剪
17、于它的线刚度大，在地震作用下会产生较大的剪力，容易产生斜向或交叉的剪切裂缝，其破坏时力，容易产生斜向或交叉的剪切裂缝，其破坏时脆性的）。脆性的）。 角柱角柱的破坏比中柱和边柱严重。因为是双向的破坏比中柱和边柱严重。因为是双向偏心受压，并有扭转的作用。偏心受压，并有扭转的作用。5.4.3 框架柱设计 4243短柱的剪切破坏445.4.3 框架柱设计 一、柱子的破坏形态 1.弯曲破坏 通常发生在柱顶或柱底截面。破坏时压区混凝土压碎、主筋压屈；受拉钢筋有时能达到屈服，有时则达不到屈服。 2.剪切受压破坏 在荷载作用下，水平弯曲裂缝向斜向发展，形成斜裂缝。当箍筋配置较多时，斜裂缝不会迅速开展。455.
18、4.3 框架柱设计 一、柱子的破坏形态 3.剪切受拉破坏 当剪跨比较小、且配箍率较低时，在主筋受拉屈服后，随着反复荷载的作用，会产生一条较宽大的斜裂缝，导致箍筋屈服、柱子剪坏。 4.剪切斜拉破坏 一般发生在短柱中。斜裂缝往往沿柱子对角出现，箍筋达到屈服甚至被拉断，柱子被剪坏。465.4.3 框架柱设计 一、柱子的破坏形态 5.粘结开裂破坏粘结破坏有两种类型，一是由于钢筋锚固不足被拔出而破坏；另一种是在柱子弯曲裂缝或剪切裂缝出现后，在反复荷载作用下，沿主筋出现粘结裂缝，使混凝土沿主筋酥裂脱落导致柱子破坏。475.4.3 框架柱设计 一、柱子的破坏形态比较而言，剪切斜拉破坏和剪切受拉破坏属于脆性破
19、坏，设计中应避免；粘结破坏延性较差，也应当避免；弯曲破坏和剪切受压破坏属于延性破坏。在实际工程中，柱子的破坏常常是几种破坏形态的综合反映。只是有时某一种破坏形态表现的突出一些。485.4.3 框架柱设计 二、影响柱子延性的几个因素1、剪跨比剪跨比是反映柱截面弯矩与剪力相对大小的参数。其表达式为：0MVh02hHn495.4.3 框架柱设计 剪跨比是影响钢筋混凝土柱子破坏形态的重要因素。剪跨比较小的柱子往往会出现斜裂缝而导致剪切破坏。试验研究发现： 当 2时，柱子称为长柱，其破坏形式多为弯曲破坏；当 2时，称为短柱，其破坏形式多为剪切破坏。但当混凝土强度等级较高、箍筋配置量足够时，有可能出现稍有
20、延性的剪切受压破坏；当 1.5时,称为极短柱，一般都会发生剪切斜拉破坏，几乎没有延性。502、轴压比 轴压比：柱组合的轴压力设计值与柱的全截面面积和混凝土抗压强度设计值乘积之比,即： 随着轴压比的增大，柱子的极限抗弯承载力会提高，但变形能力、耗散地震能量的能力明显下降。 值。混凝土抗压强度设计边尺寸；分别为柱的短边、长、组合压力设计值；ccfhbhbfNccccNN/二、影响柱子延性的几个因素51)(kNP)(mm255075100755025n=0.17n=0.24n=0.31长柱的轴压比对柱强度及变形性能的影响长柱的轴压比对柱强度及变形性能的影响52)(kNP)(mm10203040150
21、10050n=0.15n=0.27n=0.52短柱的轴压比对柱强度及变形性能的影响短柱的轴压比对柱强度及变形性能的影响20053轴压比过大导致的事故：轴压比过大导致的事故： 1995年年12月四川德阳市一栋月四川德阳市一栋8层的框架结构房屋在装修时层的框架结构房屋在装修时突然一跨到底，引起严重人员伤亡。突然一跨到底，引起严重人员伤亡。720072007200960072002400粗略估算：粗略估算：中柱的平面受荷面积约为：中柱的平面受荷面积约为：212.69)6 . 34 . 26 . 3(2 . 7m楼层平均荷载（包括永久荷载楼层平均荷载（包括永久荷载和可变荷载）为和可变荷载）为16.75
22、2/mKN中柱底层轴力为：中柱底层轴力为：KNN9262812.6975.16柱的轴压比限值为柱的轴压比限值为0.9，混凝土强度等级为，混凝土强度等级为C30，底层柱的截面，底层柱的截面面积约需要：面积约需要：2686074)159 . 0/(9262000mm即需要的柱截面是即需要的柱截面是850 x850mm，但实际柱截面只有但实际柱截面只有450 x550mm。545.4.3 框架柱设计 二、影响柱子延性的几个因素3、剪压比剪压比是指截面平均剪应力与混凝土轴心抗压强度的比值，表达式为 剪压比越大，斜裂缝出现的越早，要求配置的箍筋量也就越多。 ccchbfV /555.4.3 框架柱设计 二、影响柱子延性的几个因素4、箍筋 在柱子中，钢箍的作用体现在以下三个方面： 与纵
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