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一般常规钢筋混凝土结构的抗震设计之二



第二节  框架结构
7.13  框架结构设计中,若在平面内和竖向许多框架柱不对齐,设计中应注意哪些事项?
震害表明,若设计中许多框架柱在平面内或沿高度方向不对齐,形不成一榀完整的框架,地震中因扭转效应和传力路经中断等原因可能造成结构的较大损坏,设计时应视抽柱或柱子错位的情况,按规范3.4.3条进行不规则结构的设计计算。集集地震中一座九层钢筋混凝土框架结构由于单跨框架且不封闭,传力路经中断造成底部倒塌(参见附录B照片7)。
7.14  抗震规范6.3.4条l款关于框架梁的纵向钢筋配置规定中,沿梁全长顶面的配筋是否一定要求为通长钢筋?
按抗震规范6.3.4条的规定,沿梁全长顶面和底面的配筋,一、二级不应少于2Φ14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2Φ12。
条文中沿梁全长顶面的最小配筋没有要求一定为通长钢筋,只需满足抗震规范6.3.4条1款要求。即:
  (1)在梁全长范围内,顶面、底面的纵向钢筋数量各不少于2根;
  (2)对一、二级框架梁,顶面(底面)的每根纵筋,直径不小于14mm,也不小于左右两端顶面(底面)纵筋总截面面积较大值的l/8;
  (3)对三、四级框架梁,每根纵筋的直径不小于12mm。
因此,梁跨中部分顶面的纵向钢筋直径可以小于支座处梁顶面的钢筋,不同直径的钢筋可以通过可靠措施进行连接或符合钢筋搭接的要求。
7.15  框架柱的抗震等级为四级,其箍筋应如何控制?
2001规范6.3.12条规定柱箍筋加密区的体积配箍率应符合公式(6.3.12)要求,但没有规定抗震等级四级的最小配箍特征值λV,此时柱的箍筋设置按如下掌握。
抗震规范6.3.1-2条规定了柱加密区的最小体积配筋率要求,并采用双控;
其一,对一、二、三级,根据混凝土和钢筋强度等级,由最小配箍特征值按公式ρV≥λVfC/fyV(规范6.3.12式)换算得到最低要求,以C30混凝土和HPB235级复合箍筋为例计算,最小体积配箍率如表7-2所示。
框架柱采用复合箍的最小体积配籀率(%)举例    表7-2
抗 震 等 级 柱  轴  压  比
<0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.05
一  级 0.80 0.88 1.03 1.19 1.35 1.59 1.83
二  级 0.63 0.72 0.88 1.03 1.19 1.35 1.51 1.75 1.91
三  级 0.48 0.56 0.72 0.88 1.03 1.19 1.35 1.59 1.75
 
其二,不论混凝土和钢筋强度等级如何,直接规定最低要求:一级不应小于0.8%,二级不应小于0.6%,三、四级不应小于0.4%;以避免钢筋强度等级较高时,一、二、三级按公式(6.3.12)计算的要求偏低。
因此,抗震等级为四级时,不论柱的混凝土和钢筋的强度等级如何,只要求体积配箍率满足最低要求0.4%,不需要按ρV≥λVfC/fyV进行换算。 
7.16  对剪跨比小于1.5的柱,轴压比应专门研究并采取特殊构造措施,如何应用?增强箍筋和附加钢筋芯柱的措施可否算作“特殊构造措施”?
2001抗震规范对框架柱的轴压比限制,采取了有条件放松的原则:增加必要的墙体减少框架柱的地震力,通过箍筋增强柱的约束。附加钢筋芯柱减少混凝土的平均压应力等。规范6.3.7条规定,剪跨比大于2的柱最大轴医比限值如表7-3所示。
对于剪跨比小于2的柱,轴压比限值应按表7-3减少0.05采用。如果遇到剪跨比小于1.5的柱,宜首先调整结构布置,改善其受力性能。当无法调整结构设计时,轴压比限值至少比规范表6.3.7中数值降低0.1采用。规范表6.3.7注3、4中加强箍筋和附加钢筋芯柱的做法,是比较有效的提高框架柱延性的构造措施之一,因此可在剪跨比小于l.5的框架柱设计中参考;还可参照《构筑物抗震设计规范》的做法,设置交叉斜向钢筋承担剪力。
各类结构中框架柱的轴压比限值    表7-3
结  构  类  型 抗  震  等  级
一级 二级 三级
框架结构 0.7 0.8 0.9
框架-抗震墙、板柱-抗震墙及筒体 0.75 0.85 0.95
部分框支抗震墙 0.6 0.7
 
7.17  2001抗震规范中对钢筋混凝土框架结构的角柱有一些特殊要求,是不是转角处的框架柱均应按角柱对待?
考虑到角柱承受双向地震作用,扭转效应对内力影响较大且受力复杂,对其抗震措施有一些专门的要求。
2001规范中的角柱是指位于建筑角部、与柱的正交的两个方向各只有一根框架梁与之相连接的框架柱。因此位于建筑平面凸角处的框架柱一般均为角柱,而位于建筑平面凹角处的框架柱,若柱的四边各有一根框架梁与之相连,则不按角柱对待。
 
第三节  抗震墙结构
7.18  “重力荷载代表值作用下墙肢的轴压比”该怎样理解?
重力荷载代表值作用下,是指结构和构配件自重标准值和各可变荷载的组合,可变荷载的组合值系数按表7-4(规范11.3条)采用,墙肢轴压比计算时,组合后的重力荷载分项系数取1.2。
可变荷载组合值系数    7-4
可变荷载种类 组合值系数
雪荷载 0.5
屋面积灰荷载 0.5
屋面活荷载 不计入
按实际情况计算的楼面活荷载 1.0
按等效均布荷载计算的楼面活荷载 藏书库、档案库 0.8
其他民用建筑 0.5
吊车悬吊物重力 硬钩吊车 0.3
软钩吊车 不计入
 
7.19  按200l规范6.1.10条设置钢筋混凝土抗震墙底部加强部位时,若有地下室时,是否仍从首层算起,地下室部分的加强部位如何设置?
设置抗震墙的底部加强部位,是指在抗震墙底部的一定高度内,适当提高承载力和加强抗震构造措施。弯曲型和弯剪型结构的抗震墙,塑性铰一般出现在墙肢底部,将塑性铰及其以上的一定高度范围作为加强部位,在此范围内采取增加边缘构件箍筋和墙体横向钢筋等加强措施,避免墙肢剪切破坏,改善整个结构的抗震性能。
200l规范6.1.10条规定了抗震墙底部加强部位的高度范围,有地下室的房屋,在设置钢筋混凝土抗震墙底部加强部位时,根据地下室顶板是否作为上部结构的嵌固部位,分成以下两种情况:
1,地下室顶板作为上部结构的嵌固部位
抗震墙底部加强部位的高度从首层向上算,按6.1.10条的规定取值,同时将加强部位向地下室延伸一层(具有多层地下室的房屋可仅延伸至地下一层,地下二层以下可不按加强部位对待)。
2,地下室顶板不能作为上部结构的嵌固部位
震害调查发现,地表附近震害较严重,地下室较轻。若地下室顶板无法满足嵌固要求,通常地下一层底板处可基本满足。此时一般抗震墙底部加强部位的高度应从该处向上算,取墙肢总高度的1/8及地下一层加首层高度的较大值,且不大于15m取值。此时若有多层地下室,不必再向下延伸至地下二层以下。
7.20  200l规范6.4.1条、6.5.1条对抗震墙结构的抗震墙厚度作了规定,该类结构的电梯井筒壁厚及井筒内隔墙厚是否应服从此规定?抗震墙结构方案进行调整时,对抗震墙应注意哪些问题?
200l规范6.4.1条、6.5.1条对结构的抗震墙厚度作了规定,如抗震墙结构一、二级时要求不小于160mm且不应小于层高的l/20,底部加强部位不宜小于200mm且不宜小于层高的l/25,一般采讲底部的层高一般比上部大,按此规定电梯井筒壁厚及井筒内隔墙厚相对于上部较大,考虑到一般电梯井筒内分隔空间的墙数量多而长度不大,两端嵌固较好,在满足抗震验算的情况下其墙体厚度可以适当减小。
电梯井筒作为重要的抗侧力构件,应保证有足够的刚度和延性,也不宜减薄太多。当筒内的某些墙肢不作为抗侧力构件时,可按《高层混凝土技术规程》(JGJ 3-2002)7.2.2条5款规定,厚度适当减薄,但不宜小于160mm。也可不采用钢筋混凝土而做成符合防火要求的其他材料的隔墙。
抗震墙结构当墙肢较多较长时,刚度一般较大,计算的地震作用也较大。为了降低地震作用,一般在调整结构方案时宜作“减法”,减少、减短墙肢,但不宜减薄,以保证地震作用下墙板的稳定。
7.21  《混凝土高规》第7.1.2条短肢剪力墙较多的剪力墙结构如何界定?
《混凝土高规》第7.1.2条中所说的“短肢剪力墙较多的剪力墙结构”,主要是指结构平面中部为剪力墙构成的薄壁筒体(常用作楼梯间、电梯间等)、其余部位基本为短肢剪力墙的一种结构布置形式,近几年来在非地震区以及6度、7度抗震设防地区的住宅建筑中逐渐被应用。要提出具体的量化判断指标是困难的,一般情况下,短肢剪力墙较多的剪力墙结构中,短肢剪力墙承受的倾覆力矩可占结构底部总倾覆力矩的40%~50%。因此,一般剪力墙结构中,如果存在少量的短肢剪力墙,则不必要遵守7.1.2条的规定。实际上,《混凝土高规》第7.2.5条对剪力墙结构中的独立小墙肢另有专门规定。
设计中,对于短肢剪力墙较多的剪力墙结构,结构布置上宜使两个主要受力方向的刚度和承载力相差不多。
7.1.2条第4款轴压比要求应按第3款提高后的抗震等级确定。
7.1.2条主要是针对抗震设计而言的。
7.22  剪力墙截面高度与厚度之比为3~5时,应遵守哪些规定设计?
剪力墙截面高度与厚度之比为3~5时,其轴压比应符合《混凝土高规》第7.2.5条的规定;其纵向钢筋的构造配筋率可按第7.1.2条第6款的规定设计,配筋方式可根据实际情况和设计习惯按框架柱或剪力墙设计;其箍筋可按剪力墙约束边缘构件或构造边缘构件的要求设计。
7.23  2001规范6.4.7条规定了抗震墙的约束边缘构件的配箍特征值,具体计算时,混凝土的体积是用箍筋内核心混凝土的体积,还是用整个墙外围的体积?
根据《混凝土结构设计规范》GB 50010-2002有关间接钢筋的体积配箍率计算,取箍筋内表面范围内的混凝土核心面积ACOr。当墙体水平分布钢筋在约束边缘构件内确有可靠锚固时,可与其他封闭箍筋、拉筋一起作为约束箍筋计算。
约束边缘构件箍筋配置见图7-1,分为阴影区和非阴影区两部分。在阴影区内应有封闭箍筋,可部分采用拉筋,拉筋可计人体积配箍率计算(如同框架柱中的井字复合筋);在非阴影区内,可采用箍筋和拉筋相结合的方式,也可完全采用拉筋,拉筋计入体积配箍率计算。
对约束边缘构件,无论阴影区或非阴影区,其箍筋沿竖向的间距,一级时不应大于 100mm,二级时不应大于150mm,要求是相同的。
约束边缘构件的配筋特性(尤其是箍筋配箍特征值和箍筋形式),还与边缘构件的形状和承受的轴向压力大小(即轴压比)有关。当墙肢的轴压比等于或接近2001规范6.4.5条的上限值时,箍筋配箍特征值取0.2;当剪力墙轴压比小于规范表6.4.6的限值时,不要求设置约束边缘构件;其他情况,箍筋配箍特征值可按轴压比大小在0.1和0.2之间内插取值。
对高层建筑混凝土结构,考虑到一般高层建筑建筑中,剪力墙的轴压比小于规范表 6.4.6规定的情况不多,需按《混凝土高规》第7.2.15条的规定进行约束边缘构件设计,但约束边缘构件的箍筋配箍特征值可取0.1,并且箍筋直径不小于8mm。
 
7.24  如何定义抗震墙的约束边缘构件的暗柱、翼墙、端柱?
按2001规范6.4.7条定义,暗柱一般指抗震墙开洞口后形成的一字墙、窗间墙的边缘与墙肢等厚部位的矩形截面;当有翼墙或端柱时,如果翼墙长度小于3倍翼墙厚度或端柱截面边长小于2倍墙厚度时,视为无翼墙、无端柱(参见图7-1)。
7.25  按《混凝土高规》第7.2.16条的条文说明,剪力墙约束边缘构件箍筋的配箍特征值可随剪力墙轴压比的大小有所不同,如何执行?当剪力墙轴压比不大于《抗震规范》表 6.4.6规定的数值时,可否仅按构造边缘构件设计?
剪力墙约束边缘构件的延性,除与混凝土和配筋特性(尤其是箍筋配箍特征值和箍筋形式)有关外,还与边缘构件的形状和承受的轴向压力大小(即轴压比)有关。《混凝土高规》第7.2.16条的条文说明,反映的就是剪力墙轴压比的影响。当剪力墙轴压比等于或接近《混凝土高规》表7.2.16的限值时,箍筋配箍特征值取0.2(特一级为0.24);当剪力墙轴压比小于2001规范表6.4.6条的限值时。箍筋配箍特征值可取0.1;其他情况,箍筋配箍特征值可按轴压比大小在0.1和0.2(特一级为0.24)之间内插取值。
《混凝土高规》第7.2.15条的规定比《抗震规范》严,除了高层建筑结构的重要性相对较高外,主要考虑到一般高层建筑建筑中,剪力墙的轴压比小于2001规范表6.4.6规定的情况不多。对于这种情况,仍应按《混凝土高规》第7.2.15条的规定进行边缘构件设计,但约束边缘构件的箍筋配箍特征值可取0.1,并且箍筋直径不小于8mm、箍筋间距不大于lOOmm(特一级和一级)或150mm(二级),约束边缘构件阴影范围内的纵向钢筋最低配置要求同第7.2.16条第2款的要求。
对于多层建筑,剪力墙边缘构件的设计可仅符合2001规范的要求。
7.26  《混凝土高规》第7.2.17条第3款中,“箍筋的无支长度不应大300mm”,何谓“无支长度”?
首先应明确,构造边缘构件中箍筋无支长度的要求对约束边缘构件也是适用的。箍筋的无支长度是同一水平面内两个相邻约束点之间的箍筋长度,因此,一般应有与之垂直方向的箍筋或拉筋约束。在剪力墙边缘构件中,箍筋无支长度不大于300mm的要求是容易满足的。 7.27  连梁受弯纵向钢筋构造配筋率如何取用?
抗震墙连梁受弯纵向钢筋构造配筋率的取值问题,因为相关研究工作尚不充分,因此在《混凝土高规》中暂时没有反映。从“强剪弱弯”的角度,对抗震设计的连梁建议按表7-5采用。
抗震设计时连梁纵向钢筋构造配筋率    表7-5
连梁跨高比β 纵向钢筋构造配筋率(%) 连梁跨高比β 纵向钢筋构造配筋率(%)
β≤0.5 0.20 1.0<β≤1.5 0.25~0.30
0.5<β≤1.0 0.25 β>1.5 0.25~0.40
 
7.28  要否限制剪力墙分布钢筋和边缘构件内纵向钢筋的最大配筋率?
约束边缘构件和构造边缘构件阴影区(见图7-1)内纵向钢筋的最大配筋率,因为尚没有充分的研究成果,在相关规范中没有明确规定,目前可参考《混凝土高规》第6.4.4条第3款关于框架柱的规定,以保证钢筋混凝土构件的基本性能。当纵向钢筋直径较大、配筋率较高时,约束箍筋的配置应与之相配套。
剪力墙竖向分布钢筋一般按构造要求配置,配筋率不会太大。
剪力墙水平分布钢筋最大配筋率虽然无明确规定,但根据《混凝土高规》第7.2.2条第6款的受剪截面限制条件和第7.2.11~7.2.12条的截面受剪承载力计算公式,可以推算出水平分布钢筋Ash的最大值,因此其最大配筋率实际上是有限制的。
另外,《混凝土高规》第7.2.19条对剪力墙分布钢筋的最大直径也作了限制。
 
第四节  框架-抗震墙和框架-核心筒结构
7.29  框架-抗震墙结构在楼层标高处,抗震墙内是否必须设置框架梁或暗梁?
2001规范6.5.1条规定,框架-抗震墙结构中的抗震墙的周边应设置梁(或暗梁)和端柱组成的边框;端柱截面宜与同层框架柱相同,并应满足2001规范6.3节对框架柱的要求;抗震墙底部加强部位的端柱和紧靠抗震墙洞口的端柱宜按柱箍筋加密区的要求沿全高加密箍筋。
按照抗震规范的概念设计,框架应与抗震墙形成完整的抗侧力体系。因此,与抗震墙平面重合的框架梁应连续穿过抗震墙,或在墙内设置暗框架梁;与框架平面不重合的抗震墙内,是否设置暗框架梁,可根据实际情况具体确定。
7.30  框架-核心筒外周为何要求设置边框架梁?当核心筒以外有两周框架柱时,外部框架与核心筒之间的中部框架柱是否也必须设置框架梁?
为了避免出现板柱-抗震墙结构,增加结构的整体刚度尤其是抗扭刚度,尽量避免纯板柱节点,提高节点的抗剪、抗冲切性能。对高层建筑,这个要求是强制性条文,必须严格执行。
对核心筒外围有两圈框架柱的框架-核心筒结构,如果内圈框架柱设计上以承受楼面竖向荷载为主,则允许不设置框架梁。
7.31  一般的框架-抗震墙中的墙的抗震等级比柱要求高,8度时板柱-抗震墙结构中为什么柱的抗震等级却比抗震墙的抗震等级高?
板柱-抗震墙结构内部通常无框架梁,仅有暗梁,梁柱节点受力性能比较差。震害和试验研究均证明没有抗震墙的板柱结构的抗侧力系统单薄,违反了“多道抗震设防”的原则,对抗震不利。
图7-2给出了在8度地震下倒塌的三层板柱结构。该结构由9根柱子支承,外墙为预制混凝土墙板,窗户周边连续,将上下层的外墙完全分离。首层柱采用十字形截面,但箍筋不封闭,受剪承载力较差,地震中柱子破坏导致结构倒塌。
 
根据多道设防的原则,设计时应利用抗震墙分担板柱框架的地震作用,2001规范 6.6.5条要求板柱结构中的抗震墙承担全部地震作用(作为第一道防线),同时板柱应能承担各层全部地震作用的20%以上(作为第二道防线)。
从规范表6.1.2可以看出,一般的框架-抗震墙中的墙的抗震等级比柱高,8度时板柱-抗震墙结构中柱的抗震等级却比抗震墙的抗震等级高,主要原因有以下几点:
(1)在板柱-抗震墙结构房屋的适用范围中。8度区属于高烈度区,框架柱的抗震措施需要加强,因此柱的抗震等级为一级,要求最高。
(2)8度时板柱-抗震墙结构房屋的适用最大高度为30m,抗震墙的抗震等级为二级已可以满足要求。
(3)由于柱和抗震墙属于不同的混凝土构件,它们的抗震措施和抗震构造措施要求的内容不同,二者之间的抗震等级不具有可比性。