05多層溷凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì).ppt

第5章多層混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì) 返回總目錄 教學(xué)提示 多層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)在于達(dá)到抗震設(shè)防 三水準(zhǔn) 的設(shè)防目標(biāo) 特別是 第三水準(zhǔn) 即在罕遇地震作用下防止結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌的設(shè)防目標(biāo)的實(shí)現(xiàn) 防倒塌是建筑抗震設(shè)計(jì)的最低設(shè)防標(biāo)準(zhǔn) 也是最重要而必須得到確實(shí)保證的要求 教學(xué)要求 本章要求學(xué)生了解多層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn) 抗震計(jì)算方法及構(gòu)造措施 5 1概述 5 2一般要求 5 3框架內(nèi)力分析 5 4框架截面設(shè)計(jì) 5 5框架計(jì)算實(shí)例 5 6習(xí)題 本章內(nèi)容 5 1概述 多層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)主要指多層框架結(jié)構(gòu) 近年來還有異形柱框架結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)形式得到應(yīng)用 框架結(jié)構(gòu)體系是指由鋼筋混凝土框架梁和框架柱所組成的結(jié)構(gòu)體系 如果框架柱的截面形式是十字形 T形 L形 一字形等非矩形或圓形的形狀 則構(gòu)成異形柱框架結(jié)構(gòu)體系 如圖5 1所示 框架結(jié)構(gòu)既負(fù)擔(dān)豎向重力荷載 又承擔(dān)水平荷載 按施工方法不同 框架結(jié)構(gòu)又可以分為如下幾類 梁 板 柱全部現(xiàn)澆的全現(xiàn)澆框架 樓板預(yù)制 梁 柱現(xiàn)場澆筑的現(xiàn)澆框架 梁 板預(yù)制 柱現(xiàn)場澆筑的半裝配式框架 梁 板 柱全部預(yù)制的全裝配式框架等 a 框架結(jié)構(gòu) b 異形柱框架結(jié)構(gòu)圖5 1框架結(jié)構(gòu)體系 框架結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)點(diǎn)是建筑平面布置靈活 可以提供較大的內(nèi)部空間 在豎向可以通過框架梁的外挑或內(nèi)收 或者設(shè)置構(gòu)架等方法 形成較為豐富的立面 因此框架結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于商場 餐廳 展覽館 教學(xué) 辦公等公共建筑及多層工業(yè)廠房 隨著我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力的加強(qiáng)和人民生活水平的不斷提高 鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)也越來越多地代替砌體結(jié)構(gòu)應(yīng)用于別墅 多層住宅等民用建筑中 由于框架結(jié)構(gòu)抵抗水平荷載的構(gòu)件是由梁 柱構(gòu)成的框架 構(gòu)件截面小 因而側(cè)向剛度低 在房屋高度增加的情況下其內(nèi)力和側(cè)移增加很快 從而導(dǎo)致梁柱截面尺寸和配筋量增加 到一定程度 將給建筑平面布置和空間處理上帶來困難 影響建筑空間的正常使用 在經(jīng)濟(jì)上也趨于不合理 因此框架結(jié)構(gòu)只適用于多層或較低的高層建筑 多次地震經(jīng)驗(yàn)表明 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋一般具有較好的抗震性能 只要經(jīng)過合理的抗震設(shè)計(jì)和正常的施工程序 在一般烈度區(qū)建造多層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋是可以保證安全的 但是如果設(shè)計(jì)不合理或施工質(zhì)量欠佳的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋在地震中遭遇震害的情況 也是經(jīng)常見到的 主要的震害情況有如下幾種 5 1概述 1 結(jié)構(gòu)布置不合理產(chǎn)生的震害包括如圖2 22所示的扭轉(zhuǎn)破壞 如圖2 15 圖2 21所示的塑性變形集中產(chǎn)生的薄弱層破壞以及防震縫之間的結(jié)構(gòu)碰撞產(chǎn)生的破壞 詳見2 2 4節(jié) 等 2 共振效應(yīng)引起的震害1976年唐山地震中 位于塘沽地區(qū) 烈度為8度強(qiáng) 的7 10層框架結(jié)構(gòu) 因其自振周期0 6 1 05與該場地土 海濱 的自振周期0 8 1 05相一致 發(fā)生共振 導(dǎo)致該類框架破壞嚴(yán)重 1985年9月墨西哥太平洋岸發(fā)生8 1級(jí)地震 震中東面約350km處的墨西哥城 建在古湖床深厚軟土層上的高層建筑 出人意外地遭到嚴(yán)重破壞 共有164幢6 20層房屋倒塌或?yàn)l臨倒塌 而5層以下的房屋破壞較輕 23層以上的樓房也未破壞 市內(nèi)一幢高181m自振周期為3 9s的42層拉丁美洲大廈 基本上沒有遭到損害 詳細(xì)考察后發(fā)現(xiàn) 這些中高層房屋的大量倒塌 是由于地震動(dòng)引起房屋共振造成的 3 框架柱 梁和節(jié)點(diǎn)的震害未經(jīng)抗震設(shè)計(jì)的框架的震害主要反映在梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū) 柱的震害重于梁 柱頂震害重于柱底 角柱震害重于內(nèi)柱 短柱震害重于一般柱 5 1概述 由于在水平地震作用下 柱端處的彎矩 剪力和軸力都比較大 柱的箍筋配置不足或錨固不好 在彎 剪共同作用下 使箍筋失效 混凝土剝落 甚至壓碎崩落 縱向力使縱筋壓曲呈燈籠狀 如圖5 2所示 圖5 2柱端震害 當(dāng)有錯(cuò)層 夾層或有半高的填充墻 或不適當(dāng)?shù)卦O(shè)置某些連系梁時(shí) 容易形成短柱 當(dāng)反彎點(diǎn)在層高范圍內(nèi)時(shí) 柱凈高 柱截面的邊長 4的柱 一方面由于短柱的側(cè)向剛度大 相應(yīng)地承擔(dān)了較大的地震剪力 另一方面短柱變形能力差 常發(fā)生剪切破壞 形成交叉裂縫乃至脆斷 如圖5 3所示 5 1概述 圖5 3柱剪切破壞 5 1概述 梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)的破壞大都是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)區(qū)無箍筋或少箍筋 在剪 壓作用下混凝土出現(xiàn)斜裂縫甚至擠壓破碎 縱向鋼筋壓曲成燈籠狀 如圖5 4所示 圖5 4節(jié)點(diǎn)的破壞 5 1概述 在地震中房屋不可避免地要發(fā)生扭轉(zhuǎn) 因此角柱所受剪力最大 同時(shí)角柱又受有雙向彎矩作用 而其約束又較其他柱小 所以震害重于內(nèi)柱 4 框架磚填充墻的震害框架中嵌砌磚填充墻 容易發(fā)生墻面斜裂縫 并沿柱周邊開裂 端墻 窗間墻和門窗洞口邊角部位破壞更加嚴(yán)重 烈度較高時(shí)墻體容易倒塌 由于框架側(cè)向變形屬剪切型 下部層間位移大 填充墻震害呈現(xiàn) 下重上輕 的現(xiàn)象 填充墻破壞的主要原因是 墻體受剪承載力低 變形能力小 墻體與框架缺乏有效的拉結(jié) 因此在往復(fù)變形時(shí)墻體易發(fā)生剪切破壞和散落圖5 2柱端震害 5 1概述 5 2 1房屋適用的最大高度對采用鋼筋混凝土材料的高層建筑 從安全和經(jīng)濟(jì)諸方面綜合考慮 其適用高度應(yīng)有限制 房屋的最大適用高度與設(shè)防烈度 結(jié)構(gòu)類型和場地類別等因素有關(guān) 抗震規(guī)范 要求現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋的最大高度應(yīng)符合表5 1的規(guī)定 表5 1現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋適用的最大高度 5 2一般要求 注 房屋高度指室外地面到主要屋面板板頂?shù)母叨?不包括局部突出屋頂部分 框架 核心筒結(jié)構(gòu)指周邊稀柱框架與核心筒組成的結(jié)構(gòu) 部分框支抗震墻結(jié)構(gòu)指首層或底部兩層框支抗震墻結(jié)構(gòu) 乙類建筑可按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度確定適用的最大高度 超過表內(nèi)高度的房屋 應(yīng)進(jìn)行專門研究和論證 采取有效的加強(qiáng)措施 平面和豎向均不規(guī)則的結(jié)構(gòu)或建造于IV類場地的結(jié)構(gòu) 其最大適用高度應(yīng)適當(dāng)降低 降低的高度一般為20 左右 當(dāng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的房屋高度超過最大適用高度時(shí) 應(yīng)通過專門研究 采取有效加強(qiáng)措施 必要時(shí)需采用型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)等 并按建設(shè)部部長令的有關(guān)規(guī)定上報(bào)審批 5 2一般要求 5 2 2抗震等級(jí)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震措施 包括內(nèi)力調(diào)整和抗震構(gòu)造措施 不僅要按建筑抗震設(shè)防類別區(qū)別對待 而且要按抗震等級(jí)劃分 因?yàn)橥瑯恿叶认虏煌Y(jié)構(gòu)體系 不同高度有不同的抗震要求 例如 次要抗側(cè)力構(gòu)件的抗震要求可低于主要抗側(cè)力構(gòu)件 如框架 抗震墻中的框架 其抗震要求低于框架結(jié)構(gòu)中的框架 而其抗震墻則比抗震墻結(jié)構(gòu)有更高的要求 原因是框架 抗震墻中的框架主要是為了承擔(dān)豎向荷載 水平荷載主要由抗震墻予以承擔(dān) 較高的房屋地震反應(yīng)大 位移延性的要求也較高 墻肢底部塑性鉸區(qū)的曲率延性要求也較高 場地不同時(shí)抗震構(gòu)造措施也有區(qū)別 如I類場地的所有建筑及IV類場地較高的高層建筑 抗震等級(jí)分為四級(jí) 并應(yīng)符合相應(yīng)的計(jì)算和構(gòu)造措施要求 它體現(xiàn)了不同設(shè)防烈度下不同結(jié)構(gòu)類型 不同高度有不同的抗震要求 其中一級(jí)抗震要求最高 丙類建筑的抗震等級(jí)按表5 2確定 5 2一般要求 表5 2現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋的抗震等級(jí) 5 2一般要求 注 建筑場地為 類時(shí) 除6度外可按表內(nèi)降低一度所對應(yīng)的抗震等級(jí)采取抗震構(gòu)造措施 但相應(yīng)的計(jì)算要求不應(yīng)降低 接近或等于高度分界時(shí) 應(yīng)允許結(jié)合房屋不規(guī)則程度及場地 地基條件確定抗震等級(jí) 部分框支抗震墻結(jié)構(gòu)中 抗震墻加強(qiáng)部位以上的一般部位 應(yīng)允許按抗震墻結(jié)構(gòu)確定其抗震等級(jí) 在確定鋼筋混凝土房屋抗震等級(jí)時(shí) 尚應(yīng)符合下列要求 框架 抗震墻結(jié)構(gòu) 在基本振型地震作用下 若框架部分承受的地震傾覆力矩大于結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的50 考慮到這時(shí)抗震墻側(cè)向剛度較小 框架要承擔(dān)較大的水平荷載 相應(yīng)地其框架部分的抗震等級(jí)應(yīng)按框架結(jié)構(gòu)確定 考慮到結(jié)構(gòu)體系中抗震墻的作用 其最大適用高度可比框架結(jié)構(gòu)適當(dāng)增加 但一般不超過20 框架承受的地震傾覆力矩可按下式計(jì)算 5 1 式中 Mc 框架 抗震墻結(jié)構(gòu)在基本振型地震作用下框架部分承受的地震傾覆力矩 n 結(jié)構(gòu)層數(shù) 5 2一般要求 5 2一般要求 m 框架i層的柱根數(shù) Vij 第i層j根框架柱的計(jì)算地震剪力 hi 第i層層高 裙房與主樓相連 除應(yīng)按裙房本身確定外 不應(yīng)低于主樓的抗震等級(jí) 主樓結(jié)構(gòu)在裙房頂層及相鄰上下各一層應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)抗震構(gòu)造措施 裙房與主樓分離時(shí) 應(yīng)按裙房本身確定抗震等級(jí)如圖5 5 a 圖5 5 b 所示 a b c 圖5 5裙房和地下室的抗震等級(jí) 帶地下室的多層和高層建筑 當(dāng)?shù)叵率医Y(jié)構(gòu)的剛度和受剪承載力比上部樓層相對較大時(shí) 地下室頂板可視作嵌固部位 在地震作用下的屈服部位將發(fā)生在地上樓層 同時(shí)將影響到地下一層 地面以下地震響應(yīng)雖然逐漸減小 但地下一層的抗震等級(jí)不能降低 因此地下一層的抗震等級(jí)應(yīng)與上部結(jié)構(gòu)相同 地下一層以下的抗震等級(jí)可根據(jù)具體情況采用三級(jí)或更低等級(jí) 地下室中無上部結(jié)構(gòu)的部分 可根據(jù)具體情況采用三級(jí)或更低等級(jí) 如圖5 5 c 所示 抗震設(shè)防類別為甲 乙 丁類的建筑 應(yīng)按第1章各抗震設(shè)防類別建筑的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的要求 即 甲 乙類建筑抗震措施 當(dāng)抗震設(shè)防烈度為6 8度時(shí) 應(yīng)符合本地區(qū)抗震設(shè)防烈度提高一度的要求 當(dāng)為9度時(shí) 應(yīng)符合比9度抗震設(shè)防更高的要求 丁類建筑 一般情況下 抗震措施應(yīng)允許比本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的要求適當(dāng)降低 但抗震設(shè)防烈度為6度時(shí)不應(yīng)降低和表5 2確定抗震等級(jí) 其中 8度乙類建筑高度超過表5 2規(guī)定的范圍時(shí) 應(yīng)經(jīng)專門研究采取比一級(jí)更有效的抗震措施 5 2一般要求 5 2 3防震縫當(dāng)建筑平面過長 結(jié)構(gòu)單元的結(jié)構(gòu)體系不同 高度或剛度相差過大以及各結(jié)構(gòu)單元的地基條件有較大差異時(shí) 應(yīng)考慮設(shè)置防震縫 其最小寬度應(yīng)滿足2 2 4節(jié)的要求 震害表明 即使?jié)M足規(guī)定的防震縫寬度 在強(qiáng)烈地震下由于地面運(yùn)動(dòng)變化 結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn) 地基變形等復(fù)雜因素 相鄰結(jié)構(gòu)仍可能局部碰撞而損壞 但寬度過大會(huì)給立面處理造成困難 因此 高層建筑宜選用合理的建筑結(jié)構(gòu)方案而不設(shè)置防震縫 同時(shí)采用合適的計(jì)算方法和有效的措施 以消除不設(shè)防震縫帶來的不利影響 防震縫可以結(jié)合沉降縫要求貫通到地基 當(dāng)無沉降問題時(shí)也可以從基礎(chǔ)或地下室以上貫通 當(dāng)有多層地下室形成大底盤 上部結(jié)構(gòu)為帶裙房的單塔或多塔結(jié)構(gòu)時(shí) 可將裙房用防震縫自地下室以上分隔 地下室頂板應(yīng)有良好的整體性和剛度 能將上部結(jié)構(gòu)地震作用分布到地下室結(jié)構(gòu) 圖5 6說明在罕遇地震作用下 防震縫處發(fā)生碰撞時(shí)的不利部位 不利部位產(chǎn)生的后果包括地震剪力增大 產(chǎn)生扭轉(zhuǎn) 位移增大 部分主要承重構(gòu)件撞壞等 5 2一般要求 圖5 6設(shè)置防震縫后的不利部位震害和試驗(yàn)研究都表明框架結(jié)構(gòu)對抗撞不利 特別是防震縫兩側(cè) 房屋高度相差較大或兩側(cè)層高不一致的情況 針對上述情況 對8 9度框架結(jié)構(gòu)房屋防震縫兩側(cè)結(jié)構(gòu)高度 剛度或?qū)痈呦嗖钶^大時(shí) 可在防震縫兩側(cè)房屋的盡端沿全高設(shè)置垂直于防震縫的抗撞墻 每一側(cè)抗撞墻的數(shù)量不應(yīng)少于兩道 宜分別對稱布置 墻肢長度可不大于一個(gè)柱距 框架和抗撞墻內(nèi)力應(yīng)按考慮和不考慮抗撞墻兩種情況進(jìn)行分析 并按不利情況取值 防震縫兩側(cè)抗撞墻的端柱和框架邊柱 箍筋應(yīng)沿房屋全高加密 圖5 7所示 5 2一般要求 圖5 7框架結(jié)構(gòu)采用抗撞墻示意圖5 2 4結(jié)構(gòu)布置鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋結(jié)構(gòu)布置的基本原則是 結(jié)構(gòu)平面應(yīng)力求簡單規(guī)則 結(jié)構(gòu)的主要抗側(cè)力構(gòu)件應(yīng)對稱均勻布置 盡量使結(jié)構(gòu)的剛心與質(zhì)心重合 避免地震時(shí)引起結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)及局部應(yīng)力集中 結(jié)構(gòu)的豎向布置 應(yīng)使其質(zhì)量沿高度方向均勻分布 避免結(jié)構(gòu)剛度突變 并應(yīng)盡可能降低建筑物的重心 以利結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性 合埋地設(shè)置變形縫 加強(qiáng)樓屋蓋的整體性 5 2一般要求 一般框架結(jié)構(gòu)均采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土 設(shè)防烈度為6 8度時(shí) 可采用裝配式樓蓋 板與梁應(yīng)有可靠連接 板面應(yīng)有現(xiàn)澆配筋面層 框架結(jié)構(gòu)的梁 柱沿房屋高度宜保持完整 不宜抽柱或抽梁 使傳力途徑突然變化 柱截面變化 不宜位于同一樓層 在同一結(jié)構(gòu)單元 宜避免由于錯(cuò)層形成短柱 局部突出屋頂?shù)乃遣灰瞬贾迷诜课荻瞬?且不應(yīng)做成磚混結(jié)構(gòu) 可將框架柱延伸上去或做鋼木輕型結(jié)構(gòu) 以防鞭端效應(yīng)造成結(jié)構(gòu)破壞 樓電梯間不宜設(shè)在結(jié)構(gòu)單元的兩端及拐角處 因?yàn)閱卧遣颗まD(zhuǎn)應(yīng)力大 受力復(fù)雜 容易造成破壞 電梯筒非對稱布置時(shí) 應(yīng)考慮其不利作用 必要時(shí)可采取措施 減小電梯筒的剛度 框架結(jié)構(gòu)由梁 柱構(gòu)成 構(gòu)件截面較小 因此框架結(jié)構(gòu)的承載力和剛度都較低 在地震中容易產(chǎn)生震害 因此 框架結(jié)構(gòu)應(yīng)在縱 橫兩個(gè)方向或多個(gè)斜交方向都布置為框架 不得采用橫向?yàn)榭蚣?縱向?yàn)殂q接排架的結(jié)構(gòu)體系 也不得采用某一斜交方向?yàn)殂q接排架的結(jié)構(gòu)體系 5 2一般要求 為保證形成工作可靠的抗側(cè)力結(jié)構(gòu) 防止產(chǎn)生過大的偏心彎矩和柱子的扭轉(zhuǎn) 框架梁 柱軸線宜在同一平面內(nèi) 盡量避免梁置柱的一側(cè) 更不得將梁跨出柱截面之外 梁 柱 軸線偏心距e不宜大于柱截面相應(yīng)邊長的1 4 偏心距過大 在地震作用下將導(dǎo)致梁柱節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)受剪面積不足 并對柱帶來不利的扭轉(zhuǎn)效應(yīng) 如圖5 8所示 有時(shí)由于建筑設(shè)計(jì)的需要 特別是框架邊節(jié)點(diǎn) 如偏心距大于該方向柱寬的1 4時(shí) 可采取增設(shè)梁的水平加腋等措施 如圖5 9所示 設(shè)置水平加腋后 仍須考慮梁柱偏心的不利影響 圖5 8梁 柱偏心的影響圖5 9水平加腋梁 5 2一般要求 梁的水平加腋厚度可取梁截面高度 其水平尺寸宜滿足下列要求 bx lx 5 2a bx bb 5 2b bx bb x 5 2c 在比較復(fù)雜平面中 框架梁的布置應(yīng)使結(jié)構(gòu)構(gòu)造盡量簡單 首先 盡量使框架梁直接伸入框架柱內(nèi) 避免 梁搭梁 的做法 如圖5 10所示 因?yàn)閮闪合嘟?會(huì)使梁中產(chǎn)生很大的剪力和扭矩 受力復(fù)雜 鋼筋錨固較為困難 在框架布置時(shí) 盡量避免五梁在1柱交匯 因?yàn)榱旱亩瞬控?fù)鋼筋很多 五梁交匯后主筋通過和錨固都十分困難 如圖5 11所示 5 2一般要求 圖5 10梁搭梁的修改圖5 11五梁交匯扁梁指梁截面高度不大于梁截面寬度的梁 扁梁寬度大于柱寬時(shí) 樓板應(yīng)采用現(xiàn)澆 為了減小偏心扭轉(zhuǎn)對梁 柱節(jié)點(diǎn)的不利效應(yīng) 梁中線宜與柱中線重合 扁梁宜雙向布置 且不宜用于一級(jí)框架結(jié)構(gòu) 沿框架周邊的梁采用扁梁時(shí) 應(yīng)考慮單側(cè)樓板對梁的扭轉(zhuǎn)效應(yīng) 扁梁的截面尺寸應(yīng)符合以下要求 bb 2bc 5 3a bb bc hb 5 3b hb 16d 5 3c 5 2一般要求 式中 bc 柱截面寬度 圓形截面取柱直徑的0 8倍 bb hb 分別為梁截面寬度和高度 d 柱縱筋最大直徑 扁梁的截面高度尚應(yīng)滿足撓度和裂縫寬度的有關(guān)規(guī)定 非承重墻體的材料 選型和布置 應(yīng)根據(jù)烈度 房屋高度 建筑體型 結(jié)構(gòu)層間變形 墻體自身抗側(cè)力性能的利用等因素 經(jīng)綜合分析后確定 非承重墻體應(yīng)優(yōu)先選用輕質(zhì)墻體材料 剛性非承重墻體的布置 應(yīng)避免使結(jié)構(gòu)形成剛度和強(qiáng)度分布上的突變 墻體與主體結(jié)構(gòu)應(yīng)有可靠的拉結(jié) 應(yīng)能適應(yīng)主體結(jié)構(gòu)不同方向的層間位移 8 9度時(shí)應(yīng)具有滿足層間變位的變形能力 與懸挑構(gòu)件相連時(shí) 尚應(yīng)具有滿足節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)引起的豎向變形的能力 外墻板的連接件應(yīng)具有足夠的延性和適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)動(dòng)能力 并宜滿足在設(shè)防烈度下主體結(jié)構(gòu)層間變形的要求 砌體墻應(yīng)采取措施減少其對主體結(jié)構(gòu)的不利影響 并應(yīng)設(shè)置拉結(jié)筋 水平系梁 圈梁 構(gòu)造柱等與主體結(jié)構(gòu)可靠拉結(jié) 5 2一般要求 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的砌體填充墻 宜與柱脫開或采用柔性連接 并應(yīng)符合下列要求 1 填充墻在平面和豎向的布置 宜均勻?qū)ΨQ 避免形成薄弱層或短柱 2 砌體的砂漿強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于M5 墻頂應(yīng)與框架梁密切結(jié)合 3 填充墻應(yīng)沿框架柱全高每隔500mm 設(shè)26拉筋 拉筋伸入墻內(nèi)的長度 6 7度時(shí)不應(yīng)小于墻長的1 5且不小于700mm 8 9度時(shí)宜沿墻全長貫通 如圖5 12所示 4 墻長大于5m時(shí) 墻頂與梁宜有拉結(jié) 如圖5 13所示 墻高超過4m時(shí) 墻體半高處宜設(shè)置與柱連接且沿墻全長貫通的鋼筋混凝土水平系梁 如圖5 14所示 圖5 12填充墻與柱拉結(jié) 5 2一般要求 圖5 13砌體填充墻頂部拉結(jié)圖5 14砌體填充墻中間設(shè)拉梁砌體女兒墻中宜設(shè)構(gòu)造柱 且墻頂宜設(shè)置通長的鋼筋混凝土壓頂 在人流出入口處應(yīng)與主體結(jié)構(gòu)錨固 5 2一般要求 5 2 5基礎(chǔ)及地下室1 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)基本要求基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)應(yīng)有足夠承載力承受上部結(jié)構(gòu)的重力荷載和地震作用 基礎(chǔ)與地基應(yīng)保證上部結(jié)構(gòu)的良好嵌固 抗傾覆能力和整體工作性能 在地震作用下 當(dāng)上部結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)應(yīng)保持彈性工作 此時(shí) 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)可按非抗震的構(gòu)造要求 多層和高層建筑帶有地下室時(shí) 在具有足夠剛度 承載力和整體性的條件下 地下室結(jié)構(gòu)可考慮為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的一部分 當(dāng)?shù)叵率也簧儆趦蓪訒r(shí) 地下室頂部可作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位 上部結(jié)構(gòu)與地下室結(jié)構(gòu)可分別進(jìn)行抗震驗(yàn)算 采用天然地基的高層建筑的基礎(chǔ) 根據(jù)具體情況應(yīng)有適當(dāng)?shù)穆裰蒙疃?在地基及側(cè)面土的約束下增強(qiáng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)抗側(cè)力穩(wěn)定性 高層建筑的基礎(chǔ)埋深應(yīng)按地基土質(zhì) 設(shè)防烈度及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)剛度等條件來確定 較高的烈度要求較深的基礎(chǔ) 土質(zhì)堅(jiān)硬則埋深可較淺 根據(jù)具體情況 基礎(chǔ)埋深可采用地面以上房屋總高度的1 18 1 15 為了保證在地震作用下 基礎(chǔ)的抗傾覆能力 高寬比大于4的高層建筑的天然地基在多遇地震作用和豎向荷載共同作用下 基礎(chǔ)底面不宜出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū) 其他建筑基礎(chǔ)底面的零應(yīng)力區(qū)面積不宜超過基礎(chǔ)底面面積的15 當(dāng)高層建筑與裙房相連 地基的差異沉降和地震作用下基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)動(dòng)都會(huì)給相連結(jié)構(gòu)造成損傷 因此在相連部位 高層建筑基礎(chǔ)底面在地震作用下亦不宜出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū) 同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)高低層之間相連基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的承載力 并采取措施減少高 低層之間的差異沉降影響 5 2一般要求 無整體基礎(chǔ)的框架 抗震墻結(jié)構(gòu)和部分框支抗震墻結(jié)構(gòu)是對抗震墻基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)非常敏感的結(jié)構(gòu) 為此必須加強(qiáng)抗震墻基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的整體剛度 必要時(shí)應(yīng)適當(dāng)考慮抗震墻基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)的不利影響 2 各類基礎(chǔ)的抗震設(shè)計(jì)單獨(dú)柱基 單獨(dú)柱基一般用于地基條件較好的多層框架 采用單獨(dú)柱基時(shí) 應(yīng)采取措施保證基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在地震作用下的整體工作 屬于以下情況之一時(shí) 宜沿兩個(gè)主軸方向 設(shè)置基礎(chǔ)系梁 1 一級(jí)框架和N類場地的二級(jí)框架 2 各柱基承受的重力荷載代表值差別較大 3 基礎(chǔ)埋置較深 或各基礎(chǔ)埋置深度差別較大 4 地基主要受力層范圍內(nèi)存在軟弱黏性土層或液化土層 5 樁基承臺(tái)之間 一般情況 系梁宜設(shè)在基礎(chǔ)頂部 當(dāng)系梁的受彎承載力大于柱的受彎承載力時(shí) 地基和基礎(chǔ)可不考慮地震作用 應(yīng)避免系梁與基礎(chǔ)之間形成短柱 當(dāng)系梁距基礎(chǔ)頂部較遠(yuǎn) 系梁與柱的節(jié)點(diǎn)應(yīng)按強(qiáng)柱弱梁設(shè)計(jì) 一 二級(jí)框架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)系梁除承受柱彎矩外 邊跨系梁尚應(yīng)同時(shí)考慮不小于系梁以上的柱下端組合的剪力設(shè)計(jì)值產(chǎn)生的拉力或壓力 彈性地基梁 無地下室的框架結(jié)構(gòu)采用地基梁時(shí) 一 二級(jí)框架結(jié)構(gòu)地基梁應(yīng)考慮柱根部屈服 超強(qiáng)的彎矩作用 5 2一般要求 樁基 樁的縱筋與承臺(tái)或基礎(chǔ)應(yīng)滿足錨固要求 樁頂箍筋應(yīng)滿足柱端加密區(qū)要求 上 下端嵌固的支承短樁 在地震作用下類似短柱作用 宜采取相應(yīng)構(gòu)造措施 采用空心樁時(shí) 宜將柱樁的上 下端用混凝土填實(shí) 計(jì)算地下室以下樁基承擔(dān)的地震剪力 可按第3章的方法計(jì)算 當(dāng)?shù)鼗霈F(xiàn)零應(yīng)力區(qū)時(shí) 不宜考慮受拉樁承受水平地震作用 3 地下室作為上部結(jié)構(gòu)嵌固部位的要求地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位時(shí) 地下室層數(shù)不宜少于兩層 并應(yīng)能將上部結(jié)構(gòu)的地震剪力傳遞到全部地下室結(jié)構(gòu) 地下室頂板不宜有較大洞口 地下室結(jié)構(gòu)應(yīng)能承受上部結(jié)構(gòu)屈服超強(qiáng)及地下室本身的地震作用 為此近似考慮地下室結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度與上部結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度之比不宜小于2 地下室柱截面每一側(cè)的縱向鋼筋面積 除滿足計(jì)算要求外 不應(yīng)小于地上一層對應(yīng)柱每側(cè)縱筋面積的1 1倍 地下室抗震墻的配筋不應(yīng)少于地上一層抗震墻的配筋 當(dāng)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí) 側(cè)向剛度比可用下列剪切剛度比估計(jì) 5 4 5 5 式中 G0 Gl 地下室及地上一層的混凝土剪變模量 A0 Al 地下室及地上一層折算受剪面積 5 2一般要求 Aw 在計(jì)算方向上 抗震墻全部有效面積 Ac 全部柱截面面積 h0 h1 地下室及地上一層的層高 地上一層的框架結(jié)構(gòu)柱底截面和抗震墻底部的彎矩均為調(diào)整后的彎矩設(shè)計(jì)值 考慮柱在地上一層的下端出現(xiàn)塑性鉸 該處梁柱節(jié)點(diǎn)的梁端受彎承載力之和不宜小于柱端受彎承載力之和 4 地下室結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)地下室結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì) 除考慮上部結(jié)構(gòu)地震作用以外 還應(yīng)考慮地下室結(jié)構(gòu)本身的地震作用 這部分地震作用與地下室埋置深度 不同土質(zhì)和基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)有關(guān) 日本規(guī)范規(guī)定建筑結(jié)構(gòu)埋置深度在20m以下可按地面處的50 考慮地震作用 我國規(guī)范明確了在一定條件下考慮地基與上部結(jié)構(gòu)相互作用 可考慮各樓層地震剪力的折減 對地下室結(jié)構(gòu)的地震作用如何取值未作明確規(guī)定 因此對一般埋置深度的地下室地震作用 可不考慮折減 當(dāng)?shù)叵率覍訑?shù)較多以及地基產(chǎn)生零應(yīng)力情況時(shí) 地下室部分的地震作用可考慮適當(dāng)折減 5 2一般要求 5 3框架內(nèi)力分析 框架結(jié)構(gòu)一般有按空間結(jié)構(gòu)分析和簡化成平面結(jié)構(gòu)分析兩種方法 近年來隨著微型計(jì)算機(jī)的日益普及和應(yīng)用程序的不斷出現(xiàn) 框架結(jié)構(gòu)分析時(shí)更多是采用空間結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行變形 內(nèi)力的計(jì)算 以及構(gòu)件截面承載力計(jì)算 但是采用平面結(jié)構(gòu)假定的近似的手算方法雖然計(jì)算精度較差 但概念明確 能夠直觀地反映結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn) 因此 工程設(shè)計(jì)中也常利用手算的結(jié)果來定性地校核判斷電算結(jié)果的合理性 在本節(jié)中 將介紹框架結(jié)構(gòu)的近似手算方法 包括豎向荷載作用下的分層法 彎矩二次分配法以及水平荷載作用下的反彎點(diǎn)法和D值法 以幫助讀者掌握結(jié)構(gòu)分析的基本方法 建立結(jié)構(gòu)受力性能的基本概念 5 3 1結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)是一個(gè)復(fù)雜的三維空間結(jié)構(gòu) 它是由垂直方向的抗側(cè)力構(gòu)件 與水平方向剛度很大的樓板相互連結(jié)所組成的 由于地震作用的隨機(jī)性 復(fù)雜性和動(dòng)力特性 以及鋼筋混凝土材料的彈塑性 其受力情況是非常復(fù)雜的 為了便于設(shè)計(jì)計(jì)算 在計(jì)算模型和受力分析上必須進(jìn)行不同程度的簡化 1 結(jié)構(gòu)分析的彈性靜力假定高層建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)力與位移均按彈性體靜力學(xué)方法計(jì)算 一般情況下不考慮結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性狀態(tài)所引起的內(nèi)力重分布 5 3框架內(nèi)力分析 按照 小震不壞 大震不倒 的抗震設(shè)計(jì)目標(biāo) 對于鋼筋混凝土房屋的抗震設(shè)計(jì) 在 小震不壞 方面要求 當(dāng)遭受到多遇小震影響時(shí) 建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)處于彈性階段內(nèi)工作 采用彈性分析法 進(jìn)行地震作用效應(yīng)計(jì)算 與其他荷載效應(yīng)進(jìn)行不利組合 按多系數(shù)截面承載力公式 驗(yàn)算構(gòu)件的截面承載力 為了防止裝修損壞 以小震作用下的層間彈性位移 驗(yàn)算結(jié)構(gòu)是否滿足建筑功能要求 因此 抗震建筑的結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析 按照彈性靜力分析方法進(jìn)行 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu) 是具有明顯彈塑性性質(zhì)的結(jié)構(gòu) 即使在較低應(yīng)力情況下也有明顯的彈塑性性質(zhì) 當(dāng)荷載增大 構(gòu)件出現(xiàn)裂縫或鋼筋屈服 塑性性質(zhì)更為明顯 但在目前 國內(nèi)設(shè)計(jì)規(guī)范仍沿用按彈性方法計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力 按彈塑性極限狀態(tài)進(jìn)行截面設(shè)計(jì) 因此 在實(shí)際工程抗震設(shè)計(jì)中 仍按彈性結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算 只在某些特殊情況下 考慮設(shè)計(jì)和施工的方便 才對某些鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有條件地考慮由彈塑性性質(zhì)引起的局部塑性內(nèi)力重分布 2 平面結(jié)構(gòu)假定在正交布置情況下 可以認(rèn)為每一方向的水平力只由該方向的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)承擔(dān) 垂直于該方向的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)不受力 如圖5 15所示 5 3框架內(nèi)力分析 a 平面結(jié)構(gòu) b y方向抗側(cè)力結(jié)構(gòu) c x方向抗側(cè)力結(jié)構(gòu)圖5 15平面結(jié)構(gòu)假定計(jì)算圖形當(dāng)抗側(cè)力結(jié)構(gòu)與主軸斜交時(shí) 簡化計(jì)算中 可將抗側(cè)力構(gòu)件的抗側(cè)剛度轉(zhuǎn)換到主軸方向上再進(jìn)行計(jì)算 對于復(fù)雜的結(jié)構(gòu) 又可進(jìn)一步適當(dāng)簡化 當(dāng)斜交構(gòu)件之間的角度不超過15 時(shí) 可視為一個(gè)軸線 當(dāng)兩個(gè)軸線相距不大 如小于300mm 500mm 考慮到樓板的共同工作 可視為在同一軸線 3 樓板在自身平面內(nèi)剛性假定各個(gè)平面抗側(cè)力結(jié)構(gòu)之間 是通過樓板聯(lián)系在一起而作為一個(gè)整體的 而樓板常假定在自身平面內(nèi)的剛度為無限大 這一假定的依據(jù)是 建筑的進(jìn)深較大 框架相距較近 樓板可視為水平放置的深梁 在水平平面內(nèi)有很大的剛度 并可按樓板在平面內(nèi)不變形的剛性隔板考慮 建筑在水平荷載作用下產(chǎn)生側(cè)移時(shí) 樓板只有剛性位移 平移和轉(zhuǎn)動(dòng) 而不必考慮樓板的變形 當(dāng)不考慮結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)時(shí) 根據(jù)剛性樓板的假定 在同一標(biāo)高處所有抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的水平位移都相等 對于有扭轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu) 由于樓板剛度無限大的假定 各個(gè)抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的位移 都可按樓板的三個(gè)獨(dú)立位移分量x y 來計(jì)算 使計(jì)算簡化 計(jì)算中采用了樓板剛度無限大的假定 就必須采取構(gòu)造措施 加強(qiáng)樓板剛度 使其剛性樓板位移假定成立 當(dāng)樓面有大的開洞或缺口 剛度受到削弱 樓板平面有較長的外伸段等情況時(shí) 應(yīng)考慮樓板變形對內(nèi)力與位移的影響 對簡化計(jì)算的結(jié)果給予修正 5 3框架內(nèi)力分析 4 水平荷載按位移協(xié)調(diào)原則分配將空間結(jié)構(gòu)簡化為平面結(jié)構(gòu)后 整體結(jié)構(gòu)上的水平荷載應(yīng)接位移協(xié)調(diào)原則 分配到各片抗側(cè)力結(jié)構(gòu)上 當(dāng)結(jié)構(gòu)只有平移而無扭轉(zhuǎn)發(fā)生時(shí) 根據(jù)剛性樓板的假定 在同一標(biāo)高處的所有抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的水平位移都相等 為此 對于框架結(jié)構(gòu)中各柱的水平力 按各柱的抗側(cè)剛度D值的比例分配 5 3 2框架在豎向荷載下的內(nèi)力計(jì)算有關(guān)框架的內(nèi)力和位移計(jì)算 在結(jié)構(gòu)力學(xué)中 都有詳細(xì)講述 可采用電算或手算 在工程設(shè)計(jì)中 為了便于手算 對于在豎向荷載作用下的框架內(nèi)力分析 常采用近似分析方法 即分層法和彎矩二次分配法 這二種近似分析都是從結(jié)構(gòu)彈性靜力分析的精確計(jì)算角度來簡化的 但對于實(shí)際工程 還要考慮到實(shí)際結(jié)構(gòu)的具體構(gòu)造 如現(xiàn)澆樓板對梁截面承載力的影響 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)材料的彈塑性特征 以及活荷載分布的不利位置等 使之內(nèi)力計(jì)算更符合工程實(shí)際 5 3框架內(nèi)力分析 1 分層法分層法計(jì)算豎向荷載下的框架內(nèi)力 其基本計(jì)算單元是取每層框架梁連同上 下層框架柱來考慮的 并假定柱遠(yuǎn)端為固定端的開口框架 由于原本的框架的柱端是彈性嵌固 故在計(jì)算中 除實(shí)際的固定端 如底層柱端 外 其他各層柱的線剛度均乘以折減系數(shù)0 9 同時(shí)柱端的彎矩傳遞系數(shù)也相應(yīng)地從原來的1 2改為1 3 豎向荷載產(chǎn)生的梁端彎矩 只在本單元內(nèi)進(jìn)行彎矩分配 單元之間不再進(jìn)行傳遞 基本單元彎矩分配后 梁端計(jì)算彎矩即為最終彎矩 而柱端彎矩 則應(yīng)取相鄰單元柱端彎矩之和 這是由于選取基本單元時(shí) 每根柱都在上 下兩個(gè)單元中各用了一次之故 整個(gè)框架的內(nèi)力由各分層的內(nèi)力疊加后求得 在剛結(jié)點(diǎn)上的各桿端彎矩之和可能不平衡 可對結(jié)點(diǎn)不平衡彎矩再進(jìn)行一次分配 2 彎矩二次分配法當(dāng)建筑層數(shù)不多時(shí) 采用彎矩二次分配法較為方便 所得結(jié)果與精確法比較 相差很小 其計(jì)算精度能滿足工程需要 5 3框架內(nèi)力分析 彎矩二次分配法就是將各節(jié)點(diǎn)的不平衡彎矩 同時(shí)作分配和傳遞 并以二次為限 其計(jì)算步驟是 首先計(jì)算梁端的固端彎矩 然后將各節(jié)點(diǎn)的不平衡彎矩同時(shí)按彎矩分配系數(shù)進(jìn)行分配 并假定遠(yuǎn)端固定同時(shí)進(jìn)行傳遞 即左 右 梁分配彎矩向右 左 梁傳遞 上 下 柱分配彎矩向下 上 柱傳遞 傳遞系數(shù)均為1 2 第一次分配彎矩傳遞后 必然在節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生新的不平衡彎矩 最后將各節(jié)點(diǎn)的不平衡彎矩再進(jìn)行一次分配 而不再傳遞 實(shí)際上 彎矩二次分配法 只是將不平衡彎矩分配二次 分配彎矩傳遞一次 3 框架梁的慣性矩取值當(dāng)框架梁與樓板整體現(xiàn)澆時(shí) 現(xiàn)澆樓板可作為框架梁的有效翼緣 如圖5 16所示 框架梁形成T形或L形截面 計(jì)算框架梁的截面慣矩時(shí) 在工程設(shè)計(jì)時(shí) 允許簡化計(jì)算 采用下列計(jì)算式 邊框架梁 I 1 5I0中框架梁 I 2I0式中 I0 矩形部分的慣性矩 圖5 16框架梁的有效剛度 5 3框架內(nèi)力分析 裝配式整體框架疊加梁 可視裝配式樓蓋與梁連結(jié)的整體性 取等于或小于上述值 一般裝配整體框架梁的慣性矩 邊框架梁取I 1 2I0 中框架梁取I 1 5I0 當(dāng)板與梁無可靠連結(jié)時(shí) 或雖有連結(jié)但開孔較多板面削弱較大的樓板 不考慮翼緣的作用 慣性矩僅按矩形截面計(jì)算 I I0 由于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有塑性內(nèi)力重分布的性質(zhì) 在豎向荷載下可以考慮適當(dāng)降低梁端彎進(jìn)行調(diào)幅 對現(xiàn)澆框架 調(diào)幅系數(shù)可取0 8 0 9 裝配整體式框架 可取0 7 0 8 支座彎矩調(diào)幅降低后 梁跨中彎矩應(yīng)相應(yīng)增加 且調(diào)幅后的跨中彎矩不應(yīng)小于簡支情況下跨中彎矩的50 只有豎向荷載作用下的梁端彎矩可以調(diào)幅 水平荷載作用下的梁端彎矩不能考慮調(diào)幅 因此 必須豎向荷載作用下的梁端彎矩調(diào)幅后 再與水平荷載產(chǎn)生的梁端彎矩進(jìn)行組合 據(jù)統(tǒng)計(jì) 國內(nèi)高層民用建筑重力荷載約12kN m2 15kN m2 其中活荷載約為2kN m2左右 所占比例較小 其不利布置對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響并不大 因此 當(dāng)活荷載不很大時(shí) 可按全部滿載布置 這樣 可不考慮框側(cè)移 以簡化計(jì)算 當(dāng)活荷載較大時(shí) 可將跨中彎矩乘以1 1 1 2系數(shù)加以修正 以考慮活荷載不利分布跨中彎矩的影響 5 3框架內(nèi)力分析 5 3 3框架在水平荷載下的內(nèi)力計(jì)算1 反彎點(diǎn)法框架在水平荷載作用下 框架結(jié)構(gòu)彎矩圖的形狀如圖5 17示 由圖中可以看出 各桿的彎矩圖都是呈直線形 并且一般均有一個(gè)彎矩為零的點(diǎn) 因?yàn)閺澗貓D在該處反向 故該點(diǎn)稱為反彎點(diǎn) 如果能夠確定該點(diǎn)的位置和柱端剪力 則可求出柱端彎矩 進(jìn)而通過節(jié)點(diǎn)平衡求出梁端彎矩和其他內(nèi)力 為此假定 梁柱線剛度之比為無窮大 即在水平力作用下 各柱上下端沒有角位移 相應(yīng)地 在確定柱反彎點(diǎn)位置時(shí) 除底層柱外 各層柱的反彎點(diǎn)位置處于層高的中點(diǎn) 底層柱的反彎點(diǎn)位于2 3柱高處 梁端彎矩由節(jié)點(diǎn)平衡條件求出 并按節(jié)點(diǎn)左右梁線剛度進(jìn)行分配 圖5 17框架在水平力作用下的彎矩圖 5 3框架內(nèi)力分析 一般認(rèn)為 當(dāng)梁的線剛度與柱的線剛度之比超過3時(shí) 由上述假定所引起的誤差能夠滿足工程設(shè)計(jì)的精度要求 下面說明任一樓層的層總剪力在該樓層各柱之間的分配方法 設(shè)框架結(jié)構(gòu)共有n層 每層內(nèi)有m個(gè)柱子 如圖5 18所示 將框架沿第j層各柱的反彎點(diǎn)處切開 則按水平力的平衡條件有 5 6 式中 Vj 外荷載F在第j層所產(chǎn)生的層總剪力 Vk 第j層第k柱所承受的剪力 m 第j層內(nèi)的柱子數(shù) 由于柱上下端沒有角位移 則框架柱在受到側(cè)向荷載作用時(shí)的變形如圖5 19所示 由結(jié)構(gòu)力學(xué)可知 在柱端產(chǎn)生單位位移時(shí) 柱內(nèi)的剪力為 12ic h2 也就是說要使柱端產(chǎn)生單位位移所需要的水平力是12ic h2 此項(xiàng)即為柱的抗側(cè)剛度 如果柱端水平位移是 則柱剪力為 設(shè)同樓層各柱的高度是相同的 5 7 5 3框架內(nèi)力分析 圖5 18柱剪力分配圖5 19柱抗側(cè)剛度 圖5 20節(jié)點(diǎn)平衡 5 3框架內(nèi)力分析 在剛性樓板的假定下 梁的軸向變形是忽略不計(jì)的 則同樓層各柱的水平位移是相同的 設(shè)層間位移為 有 5 8 將式 5 8 代入式 5 7 得 5 9 即層間剪力是按各柱的抗側(cè)剛度的比值分配給各柱的 在求得柱所承擔(dān)的剪力后 由柱的反彎點(diǎn)高度即可求出柱端彎矩 對于底層柱有 5 10a 5 10b 對于其余各層柱 有 5 11 求得柱端彎矩后 由節(jié)點(diǎn)平衡條件既可求出梁端彎矩 5 3框架內(nèi)力分析 求得柱端彎矩后 由節(jié)點(diǎn)平衡條件既可求出梁端彎矩 5 12a 5 12b 式中 節(jié)點(diǎn)左右的梁端彎矩 節(jié)點(diǎn)上下的柱端彎矩 節(jié)點(diǎn)左右的梁的線剛度 以各個(gè)梁為脫離體 將梁的左右端彎矩之和除以該梁的跨長 便得梁內(nèi)剪力 再以柱子為脫離體自上而下逐層至加節(jié)點(diǎn)左右的梁端剪力 即可得到柱內(nèi)軸向力 這樣就可以求得框架的全部內(nèi)力 反彎點(diǎn)法適用于低層建筑 因?yàn)榇祟惤ㄖ拥慕孛娉叽巛^小 而梁的剛度較大 容易滿足梁 柱的線剛度之比超過3的要求 5 3框架內(nèi)力分析 例5 1 用反彎點(diǎn)法計(jì)算圖5 21框架內(nèi)力 圖中括號(hào)內(nèi)數(shù)字為梁柱的相對線剛度 圖5 21例5 1插圖解 柱的剪力 二層層間剪力 V2 18kN二層柱 5 3框架內(nèi)力分析 底層層間剪力 V1 15 18 33kN底層柱 柱端彎矩 二層 5 3框架內(nèi)力分析 底層 梁端彎矩 二層 5 3框架內(nèi)力分析 底層 彎矩如圖5 22所示 圖5 22例5 1彎矩圖 5 3框架內(nèi)力分析 2 D值法反彎點(diǎn)法的基本假定是梁柱線剛度之比為無窮大 由此進(jìn)行框架在水平荷載下的內(nèi)力計(jì)算 計(jì)算方法也較為簡單 但在多層和高層建筑中 建筑的柱截面尺寸往往很大 無法滿足反彎點(diǎn)法中的梁 柱的線剛度之比超過3的要求 為此 日本武藤清教授提出了經(jīng)過改進(jìn)的反彎點(diǎn)法 D值法 改進(jìn)從兩方面進(jìn)行 一是考慮了柱端轉(zhuǎn)角的影響 即梁線剛度不是無窮大的情況下 對柱抗側(cè)剛度的修正 二是考慮了梁 柱的線剛度比 上下層橫梁線剛度比以及層高對柱端約束的影響 對反彎點(diǎn)高度的修正 1 修正后的柱抗側(cè)剛度 D值柱的D值是柱上下端產(chǎn)生單位水平位移時(shí) 柱承擔(dān)的剪力 如圖5 23 a 所示為多層框架 圖5 23 b 所示為AB柱受力變形的情況 為了推導(dǎo)出柱的D值 作如下假定 1 柱AB端節(jié)點(diǎn)以及相鄰桿件的桿端轉(zhuǎn)角均為 2 柱AB以及相鄰上下柱的線剛度均為ic 層間位移為 相應(yīng)地 柱的弦轉(zhuǎn)角 hj 3 與柱AB相交梁的線剛度為i1 i2 i3 i4 5 3框架內(nèi)力分析 圖5 23D值的推導(dǎo)由節(jié)點(diǎn)A的平衡條件 0 得 5 13a 由結(jié)構(gòu)力學(xué)的轉(zhuǎn)角位移方程 得 5 3框架內(nèi)力分析 將上述公式代入式 5 13a 整理后得 5 13b 同理 由節(jié)點(diǎn)B的平衡條件 0 得 5 13c 將式 5 13b 式 5 13c 相加 整理后得 5 13d 式中 K 一般層梁 柱線剛度比 由結(jié)構(gòu)力學(xué)的轉(zhuǎn)角位移方程 柱AB所受到的剪力為 5 13e 5 3框架內(nèi)力分析 將式 5 13d 代入式 5 13e 得令 5 14 則由此得柱AB的抗側(cè)剛度 D值 5 15 上式中系數(shù)反映了梁柱線剛度比值對柱的抗側(cè)剛度的影響 由式 5 14 知 當(dāng)K 時(shí) 1 此時(shí)柱的D值則變?yōu)榉磸濣c(diǎn)法中的柱抗側(cè)剛度 底層柱的抗側(cè)剛度修正系數(shù)可以同理得出 各種情況下的值匯總于表5 3 5 3框架內(nèi)力分析 表5 3柱剛度修正系數(shù)的計(jì)算 注 邊柱情況下 式中i1 i3取0 5 3框架內(nèi)力分析 2 修正后的反彎點(diǎn)高度各個(gè)柱的反彎點(diǎn)位置取決于該柱上下端轉(zhuǎn)角的比值 即柱上下端約束剛度的大小 如果柱下端轉(zhuǎn)角相同 反彎點(diǎn)就在柱高的中央 如果柱上下端轉(zhuǎn)角不同 則反彎點(diǎn)偏向轉(zhuǎn)角較大的一端 亦即偏向約束剛度較小的一端 影響柱兩端轉(zhuǎn)角大小的影響因素有 側(cè)向外荷載的形式 梁柱線剛度比 結(jié)構(gòu)總層數(shù)及該柱所在的層次 柱上下橫梁線剛度比 上下層層高的變化等 為分析上述因素對反彎點(diǎn)高度的影響 首先分析在水平力作用下 標(biāo)準(zhǔn)框架 各層登高 各跨相等 各層梁和柱的線剛度都不改變的框架 的反彎點(diǎn)高度 然后分析當(dāng)上述影響因素逐一發(fā)生變化時(shí) 求出柱底端至柱反彎點(diǎn)的距離 反彎點(diǎn)高度 并制成相應(yīng)的表格 以供查用 根據(jù)理論分析 D值法中反彎點(diǎn)高度比采用下式確定 5 16 式中 標(biāo)準(zhǔn)反彎點(diǎn)高度比 根據(jù)水平荷載作用形式 總層數(shù)m 該層位置n以及梁柱線剛度比的K值 查附表5 1求得 上下層梁剛度不同時(shí) 柱的反彎點(diǎn)高度比的修正值 5 3框架內(nèi)力分析 當(dāng) 時(shí) 令根據(jù)I和梁 柱的線剛度之比K 查附表5 2得 此時(shí)柱上部約束變小 反彎點(diǎn)上移 取正值 當(dāng) 時(shí) 令查表得 此時(shí)柱上部約束變大 反彎點(diǎn)下移 取負(fù)值 底層柱不考慮 上層層高與本層高度h不同時(shí)反彎點(diǎn)高度比的修正值 其值根據(jù) h和K的數(shù)值查附表5 3求得 下層層高與本層高度h不同時(shí)反彎點(diǎn)高度比的修正值 其值根據(jù) h和K的數(shù)值查附表5 3求得 綜上所述 利用D值法計(jì)算在水平荷載作用下框架內(nèi)力的步驟如下 1 根據(jù)表5 3 計(jì)算出各柱的梁柱剛度比K 及其相應(yīng)的抗側(cè)剛度影響系數(shù) 則抗側(cè)剛度 按式 5 15 計(jì)算各框架柱的抗側(cè)剛度D值 5 3框架內(nèi)力分析 綜上所述 利用D值法計(jì)算在水平荷載作用下框架內(nèi)力的步驟如下 1 根據(jù)表5 3 計(jì)算出各柱的梁柱剛度比K 及其相應(yīng)的抗側(cè)剛度影響系數(shù) 則抗側(cè)剛度 按式 5 15 計(jì)算各框架柱的抗側(cè)剛度D值 2 每層各柱剪力按其剛度D分配 當(dāng)j層的層剪力Vj 柱jk的剪力 3 計(jì)算柱jk的反彎點(diǎn)高度比y 按式 5 16 計(jì)算 4 計(jì)算柱jk上下端彎矩 Vjkyh Vjk 1 y h 5 任一節(jié)點(diǎn)處左右橫梁的端彎矩根據(jù)上下柱端彎矩的代數(shù)和按橫梁線剛度進(jìn)行分配 見式 5 12 5 3 4框架側(cè)移計(jì)算框架側(cè)移主要是由水平荷載引起的 由于設(shè)計(jì)時(shí)需要分別對層間位移及頂點(diǎn)側(cè)移加以限制 因此需要計(jì)算層間位移及頂點(diǎn)側(cè)移 一根懸臂柱在均布荷載作用下 可以分別計(jì)算彎矩作用和剪力作用引起的變形曲線 二者形狀不同 如圖5 24虛線所示 由剪切引起的變形形狀愈到底 相鄰兩點(diǎn)間的相對變形愈大 當(dāng)q向右時(shí) 曲線凹向左 由彎矩引起的變形愈到頂層 相對變形愈大 當(dāng)q向右時(shí) 曲線凹向右 5 3框架內(nèi)力分析 現(xiàn)在再看框架的變形情況 如圖5 25所示為一單跨9層框架 承受樓層處集中水平荷載 如果只考慮梁柱桿件變形產(chǎn)生的側(cè)移 則側(cè)移曲線如圖5 25 b 虛線所示 它與懸臂柱剪切變形的曲線形狀相似 可稱為剪切型變形曲線 如果只考慮柱軸向變形形成的側(cè)移曲線 如圖5 25 c 虛線所示 它與懸臂柱彎曲變形形狀相似 可稱為彎曲型變形曲線 為了便于理解 可以把如圖5 25所示的框架看成一根空腹的懸臂柱 它的截面高度為框架跨度 如果通過反彎點(diǎn)將某層切開 空腹懸臂柱的彎矩M和剪力V如圖5 25 d 所示 M是由柱軸向力NA NB這一力偶組成 V是由柱截面剪力VA VB組成 梁柱彎曲變形是由剪力VA VB引起 相當(dāng)于懸臂柱的剪切變形 所以變形曲線呈剪切型 柱軸向變形由軸力產(chǎn)生 相當(dāng)于彎矩M產(chǎn)生的變形 所以變形曲線呈彎曲形 框架的總變形應(yīng)由這兩部分變形組成 但由圖5 25可見 在層數(shù)不多的框架中 柱軸向變形引起的側(cè)移很小 常?？梢院雎?在近似計(jì)算中 只需計(jì)算由桿件彎曲引起的變形 即所謂剪切型變形 5 3框架內(nèi)力分析 圖5 24剪切變形與彎曲變形圖5 25剪切型變形曲線與彎曲型變形曲線 5 3框架內(nèi)力分析 按照 抗震規(guī)范 的規(guī)定 框架結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行在多遇地震作用下層間彈性位移的計(jì)算和對于7 9度時(shí)樓層屈服強(qiáng)度系數(shù)小于0 5的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在罕遇地震下層間彈塑性位移計(jì)算 多遇地震作用下 框架結(jié)構(gòu)的層間彈性位移的驗(yàn)算 應(yīng)按式 5 17 進(jìn)行 5 17 其中h為層高 為層間彈性位移角限值 對于鋼筋混凝土框架取1 550 式中可以根據(jù)柱D值的定義 按式 5 18 進(jìn)行計(jì)算 5 18 罕遇地震作用下 框架結(jié)構(gòu)薄弱層的層間彈塑性位移的驗(yàn)算 應(yīng)符合下式的要求 5 19 式中為層間彈塑性位移角限值 對于鋼筋混凝土框架取1 50 對于不超過12層 且剛度無突變的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu) 可采用簡化方法 驗(yàn)算框架薄弱層的彈塑性變形 即 5 20 式中是按罕遇地震作用下 框架結(jié)構(gòu)薄弱層的層間彈性位移 為彈塑性位移增大系數(shù) 其值與樓層屈服強(qiáng)度系數(shù)有關(guān) 5 3框架內(nèi)力分析 5 3 5內(nèi)力組合通過框架內(nèi)力分析 獲得了在不同荷載作用下產(chǎn)生的構(gòu)件內(nèi)力標(biāo)準(zhǔn)值 在進(jìn)行構(gòu)件截面設(shè)計(jì)時(shí) 應(yīng)求得控制截面上的最不利內(nèi)力作為配筋計(jì)算的依據(jù) 一般選梁的兩端和跨中截面以及柱的上下端作為控制截面 控制截面配筋量為最大的內(nèi)力組合就是內(nèi)力不利組合 在框架抗震設(shè)計(jì)時(shí) 一般應(yīng)考慮以下兩種基本組合 1 有地震效應(yīng)的組合 為實(shí)現(xiàn)抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)的第一水準(zhǔn)的要求 應(yīng)保證在多遇地震作用下使結(jié)構(gòu)有足夠的承載能力 在考慮地震組合時(shí) 重力荷載一律采用重力荷載代表值 對于多層框架 只需考慮水平地震作用與重力荷載代表值效應(yīng)的組合 其內(nèi)力組合設(shè)計(jì)值S可寫成 5 21 式中 重力荷載代表值效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值 水平地震作用效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值 5 3框架內(nèi)力分析 2 無地震效應(yīng)的組合 無地震作用時(shí) 結(jié)構(gòu)受到全部恒荷載和活荷載的作用 考慮到重力荷載代表值中的活荷載組合值系數(shù)為0 5 0 8 抗震組合時(shí)的內(nèi)力設(shè)計(jì)值要乘以承載力抗震調(diào)整系數(shù) 這樣 就有可能出現(xiàn)在正常豎向荷載下的內(nèi)力不利組合設(shè)計(jì)值要大于水平地震作用下的內(nèi)力不利組合設(shè)計(jì)值的情況 因此 應(yīng)進(jìn)行正常豎向荷載作用下的內(nèi)力組合 這種組合有可能對某些截面設(shè)計(jì)起控制作用 此時(shí) 內(nèi)力組合設(shè)計(jì)值S可寫成如下形式 由可變荷載效應(yīng)控制的組合 S 1 2SGK 1 4SQK 5 22 由永久荷載效應(yīng)控制的組合 S 1 35SGK 1 4 0 7SQK 5 23 式中 SGK 由恒荷載產(chǎn)生的內(nèi)力標(biāo)準(zhǔn)值 SQK 由活荷載產(chǎn)生的內(nèi)力標(biāo)準(zhǔn)值 在上述兩種荷載組合中 取最不利情況作為截面設(shè)計(jì)采用的內(nèi)力設(shè)計(jì)值 當(dāng)需要考慮豎向地震作用或風(fēng)荷載作用時(shí) 其內(nèi)力組合設(shè)計(jì)值可參考有關(guān)規(guī)定 現(xiàn)以框架梁 柱為例 說明內(nèi)力組合方法 5 3框架內(nèi)力分析 1 梁的組合內(nèi)力 梁端支座負(fù)彎矩 取下式三者較大值 5 24 梁端支座正彎矩 5 25 跨中正彎矩 取下式三者較大值 5 26 梁端剪力 取下式三者較大值 5 27 5 3框架內(nèi)力分析 式中 結(jié)構(gòu)重要性系數(shù) 對安全等級(jí)為一 二 三級(jí)的構(gòu)件分別為1 1 1 0 0 9 MEK VEK 水平地震作用下內(nèi)產(chǎn)生梁的彎矩和剪力 MGE VGE 重力荷載代表值作用下梁內(nèi)產(chǎn)生的彎矩和剪力 MGK VGK 永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下梁內(nèi)產(chǎn)生的彎矩和剪力 MQK VQK 可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下梁內(nèi)產(chǎn)生的彎矩和剪力 2 柱的組合內(nèi)力 現(xiàn)以橫向地震作用下 單向偏心受壓柱為例 說明柱的內(nèi)力組合方法 5 28 5 3框架內(nèi)力分析 式中 NEK NGE 水平地震 重力荷載代表值作用下的軸力 NGK NQK 永久 可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下的軸力 按上述三種組合計(jì)算柱截面配筋 取大值 在框架梁 柱端部截面配筋計(jì)算中 應(yīng)采用構(gòu)件端部控制截面的內(nèi)力 而不是軸線處的內(nèi)力 因此 在梁 柱內(nèi)力組合前 要先求出構(gòu)件端部截面內(nèi)力 再按上述方法求組合內(nèi)力 5 3框架內(nèi)力分析 5 4框架截面設(shè)計(jì) 5 4 1一般設(shè)計(jì)原則抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)在于達(dá)到抗震設(shè)防 三水準(zhǔn) 的設(shè)防目標(biāo) 特別是 第三水準(zhǔn) 即在罕遇地震作用下防止結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌的設(shè)防目標(biāo)的實(shí)現(xiàn) 防倒塌是建筑抗震設(shè)計(jì)的最低設(shè)防標(biāo)準(zhǔn) 也是最重要而必須得到確實(shí)保證的要求 因?yàn)橹灰课莶坏顾?哪怕破壞再嚴(yán)重 也不會(huì)造成大量的人員傷亡 眾所周知 只有當(dāng)結(jié)構(gòu)因某些桿件發(fā)生破壞而變成機(jī)動(dòng)構(gòu)架后 才會(huì)發(fā)生倒塌 結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)最佳破壞機(jī)制的特征是 結(jié)構(gòu)在其桿件出現(xiàn)塑性鉸之后 在承載能力基本保持穩(wěn)定的條件下 可以持續(xù)地變形而不倒塌 最大限度地吸收和耗散地震能量 結(jié)構(gòu)最佳破壞機(jī)制的判別條件如下 1 結(jié)構(gòu)的塑性發(fā)展 從次要構(gòu)件開始 或從主要構(gòu)件的次要桿件 或部位 開始 最后才在主要構(gòu)件或主要桿件上出現(xiàn)塑性鉸 從而形成多道抗震防線 2 結(jié)構(gòu)中所形成的塑性鉸的數(shù)目多 塑性變形發(fā)展的過程長 3 構(gòu)件中塑性鉸的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)量大 結(jié)構(gòu)的塑性變形量大 多層構(gòu)件 含高層 的屈服機(jī)制 可以劃歸為兩個(gè)基本類型 樓層屈服機(jī)制和總體屈服機(jī)制 若按構(gòu)件的總體變形性質(zhì)來定名 又稱為剪切型屈服機(jī)制和彎曲型屈服機(jī)制 若就構(gòu)件中桿件出現(xiàn)塑性鉸的位置和次序而論 又可稱為柱鉸機(jī)制和梁鉸機(jī)制 5 4框架截面設(shè)計(jì) 5 4框架截面設(shè)計(jì) 樓層屈服機(jī)制 是指構(gòu)件在側(cè)力作用下 豎桿件先于水平桿件屈服 導(dǎo)致某一樓層或某幾個(gè)樓層 發(fā)生側(cè)向整體屈服 可能發(fā)生此一屈服機(jī)制的多層構(gòu)件 有弱柱型框架 如圖5 26 a 所示 總體屈服機(jī)制則是指構(gòu)件在側(cè)力作用下 全部水平桿件先于豎桿件屈服 然后才是豎桿件底部的屈服 可能發(fā)生此一屈服機(jī)制的多層構(gòu)件 有強(qiáng)柱型框架 如圖5 26 b 所示 a 樓層屈服機(jī)制 b 總體屈服機(jī)制圖5 26框架的屈服機(jī)制 5 4框架截面設(shè)計(jì) 從圖5 26中可以清楚地看出 構(gòu)件發(fā)生總體屈服機(jī)制時(shí) 其塑性鉸的數(shù)量遠(yuǎn)比樓層屈服機(jī)制要多 發(fā)生總體屈服機(jī)制的構(gòu)件 層間側(cè)移沿豎向分布比較均勻 而發(fā)生樓層屈服機(jī)制的構(gòu)件 不僅層間側(cè)移沿豎向呈非均勻分布 而且柔弱樓層處存在著塑性變形集中 所以 不論是從構(gòu)件實(shí)際表現(xiàn)出來的超靜定次數(shù) 還是從構(gòu)件實(shí)際耗能能力和層間側(cè)移限值等哪個(gè)角度來衡量 屬于總體屈服機(jī)制的構(gòu)件 其耐震性能均優(yōu)于樓層屈服機(jī)制的構(gòu)件 從國內(nèi)外多次地震中建筑物破壞和倒塌的過程中認(rèn)識(shí)到 建筑物在地震時(shí)要免于倒塌和嚴(yán)重破壞 構(gòu)件中的桿件 發(fā)生強(qiáng)度屈服的順序應(yīng)該符合下列條件 桿先于節(jié) 梁先于柱 彎先于剪 就是說 一幢建筑遭遇地震時(shí) 其抗側(cè)力體系中的構(gòu)件 如框架的損壞過程應(yīng)該是 梁 柱的屈服先于框架節(jié)點(diǎn) 梁的屈服又先于柱的屈服 而且梁和柱又是彎曲屈服在前 剪切屈服在后 這