中华人民共和国国家标准混凝土结构设计规范GB 50010-2002 18
11.1.5 本条对各种结构体系中的剪力墙,以及部分框支剪力墙结构中落地剪力墙底部加强部位的高度做出了规定。为简化规定,其中只考虑了高度因素。规范除规定底部加强部位的高度可取墙肢总高度的 1/8 外,考虑到层数较少的结构,其加强部位的高度不宜过小,因此,对各种结构体系中的剪力墙,还规定需不小于底部两层的高度。对部分框支剪力墙结构的落地剪力墙还需满足加强部位高度不小于框支层加框支层以上两层高度的要求。另外,考虑到高层建筑的特点,还增加了底部加强部位的高度不超过 15m 的规定。
11.1.6 表11.1.6中各类构件的承载力抗震调整系数是根据《建筑抗震设计规范》 GB50011 的规定给出的。表中各类构件的承载力抗震调整系数是在该规范采用的常遇地震下的地震作用取值和地震作用分项系数取值的前提下,使考虑常遇地震作用组合的各类构件承载力具有适宜的安全性水准而采取的对抗力项进行必要调整的措施。
11.1.7 在较强地震作用过程中,梁、柱端截面和剪力墙肢底部截面中的纵向受力钢筋可能处于交替拉、压的状态下。根据试验结果,这时钢筋与其周围混凝土的粘结锚固性能将比单调受拉时不利。因此,根据不同的抗震等级给出了增大钢筋受拉锚固长度的规定。受拉钢筋搭接长度也相应增大。
由于梁、柱端和剪力墙肢底部截面可能出现塑性铰的部位纵向受力钢筋在屈服后可能产生很大的塑性变形,且拉、压屈服可能交替出现,加之塑性铰区受力比较复杂,在强震下可能形成一定损伤,因此建议钢筋的各类连接接头应尽量避开构件端部的箍筋加密区。当出于工程原因不能避开时,仅允许采用机械连接接头,且应对该接头提出严格质量要求,同时规定在同一连接区段内有接头钢筋的截面面积不应大于全部钢筋截面面积的 50%。
11.1.8 对箍筋末端弯钩的构造要求,是保证箍筋对混凝土核心起到有效约束作用的必要条件。
11.2 材 料
11.2.1 根据混凝土的基本材料性能,提出构件抗震要求的最高和最低混凝土强度等级的限制条件,以保证构件在地震力作用下有必要的承载力和延性。近年来国内对高强混凝土完成了较多的试验研究,也积累了一定的工程经验。基于高强度混凝土的脆性性质,对地震高烈度区高强混凝土的应用应有所限制。
11.2.2 结构构件中纵向受力钢筋的变形性能直接影响结构构件在地震力作用下的延性。本条规定有抗震设防要求的框架梁、框架柱、剪力墙等结构构件的纵向受力钢筋宜选用 HRB400 级、HRB335 级热轧钢筋;箍筋宜选用 HRB335 级、 HRB400级、HPB235 级热轧钢筋。
11.2.3 按一、二级抗震等级设计的各类框架,当采用普通钢筋配筋时,要求按纵向受力钢筋检验所得的强度实测值确定的强屈比不应小于 1.25 ,目的是使结构某个部位出现塑性铰以后有足够的转动能力;同时,要求钢筋屈服强度实测值与钢筋的强度标准值的比值不应大于 1.3 ,不然, "强柱弱梁"、"强剪弱弯"的设计要求不易保证。
11.3 框 架 梁
11.3.1 试验资料表明,在低周反复荷载作用下,框架梁的正截面受弯承载力与一次加载的正截面受弯承载力相近,因此,地震作用组合的正截面受弯承载力可按静力公式除以相应的承载力抗震调整系数计算。
设计框架梁时,控制混凝土受压区高度的目的是控制梁端塑性铰区有较大的塑性转动能,以保证框架梁有足够的曲率延性。根据国内的试验结果和参考国外经验,当相对受压区高度控制在 0.25 至 0.35 时,梁的位移延性系数可达到 3~4 。在确定混凝土受压区高度时,可把截面内的受压钢筋计算在内。
11.3.2 框架结构设计中,应力求做到在罕遇地震作用下的框架中形成以梁端塑性铰为主的塑性耗能机构。这就需要尽可能避免梁端塑性铰区在充分塑性转动之前发生脆性剪切破坏。为此,对框架梁提出了"强剪弱弯"的设计概念。
为了实现以上要求,首先是在剪力设计值的确定中,考虑了梁端弯矩的增大。同时,对 9 度设防烈度的各类框架和一级抗震等级的框架结构,还考虑了工程设计中梁端纵向受拉钢筋有超配的可能,要求梁左、右端取用实配钢筋截面面积和强度标准值。考虑承载力抗震调整系数的受弯承载力值所对应的弯矩值 Mbua则可按下式计算:
其他抗震等级框架梁剪力设计值的确定,则直接取用梁端考虑地震作用组合的弯矩设计值的平衡剪力值,并乘以不同的增大系数。
11.3.3 矩形、T 形和 I 形截面框架梁,其受剪要求的截面控制条件是在静力受剪要求的基础上,考虑反复荷载作用的不利影响确定的。在截面控制条件中还对较高强度的混凝土考虑了混凝土强度影响系数。
11.3.4 国内外低周反复荷载作用下钢筋混凝土连续梁和悬臂梁受剪承载力试验表明,低周反复荷载作用使梁的斜截面受剪承载力降低,其主要原因是混凝土剪压区剪切强度降低,以及斜裂缝间混凝土咬合力及纵向钢筋暗销力的降低。箍筋项承载力降低不明显。为此,仍以截面总受剪承载力试验值的下包线作为计算公式的取值标准,其中将混凝土项取为非抗震情况下混凝土受剪承载力的 60%,而箍筋项则不考虑反复荷载作用的降低。同时,为便于设计应用,对各抗震等级均取用相同的抗震受剪承载力计算公式。
11.3.5 为了保证框架梁对框架节点的约束作用,框架梁的截面宽度不宜过小。为了减少在非线性反应时,框架梁发生侧向失稳的危险,对梁的截面高宽比作了限制。
考虑到净跨与梁高的比值小于 4 的梁,适应较大塑性变形的能力较差,因此,对框架梁的跨高比作了限制。
11.3.6 本次规范修订,对非抗震设计的受弯构件提高了纵向受拉钢筋最小配筋率的取值,并引入了与混凝土抗拉强度设计值和钢筋抗拉强度设计值相关的特征值参数 (ft/fy) 。由此,抗震设计按纵向受拉钢筋在梁中的不同位置和不同抗震等级,给出了相对于非抗震设计留有不同裕度的纵向受拉钢筋最小配筋率的规定。
在梁端箍筋加密区内,下部纵向钢筋不宜过少,下部和上部钢筋的截面面应符合一定的比例。这是考虑由于地震作用的随机性,在较强地震下梁端可能出现较大的正弯矩,该正弯矩有可能明显大于考虑常遇地震作用的梁端组合正弯矩。若梁端下部纵向钢筋配置过少,将可能发生下部钢筋的过早屈服甚至拉断。提高梁端下部纵向钢筋的数量,也有助于改善梁端塑性铰区在负弯矩作用下的延性性能。本条规定的梁端下部钢筋的最小配置比例是根据我国试验结果及设计经验并参考国外规范规定确定的。
框架梁的抗震设计除应满足计算要求外,梁端塑性铰区箍筋的构造要求极其重要。本规范对梁端箍筋加密区长度、箍筋最大间距和箍筋最小直径的要求作了规定,其目的是从构造上对框架梁塑性铰区的受压混凝土提供约束,并约束纵向受压钢筋,防止它在保护层混凝土剥落后过早压屈,以保证梁端具有足够的塑性铰转动能力。
11.3.7~11.3.9 沿梁全长需配置一定数量的通长钢筋是考虑框架梁在地震作用过程中反弯点位置可能变化。这里"通长"的含义是保证梁各个部位的这部分钢筋都能发挥其受拉承载力。
考虑到梁端箍筋过密,难于施工,本次规范修订对梁箍筋加密区长度内的箍筋肢距规定作了适当放松,且考虑了箍筋直径与肢距的相关性。
沿梁全长箍筋的配筋率ρsv,在原规范 1993 年局部修订中解释为"承受地震作用为主的框架梁,应满足配筋率ρsv的规定"。考虑到此规定在概念上不太明确,本次规范修订规定沿梁全长箍筋的配筋率ρsv应符合规范要求,其值在非抗震设计要求基础上适当增加。
11.4 框架柱及框支柱
11.4.1 考虑地震作用的框架柱,与框架梁在正截面计算上采用相同的处理方法,即其正截面偏心受压、偏心受拉承载力计算方法与不考虑地震作用的框架柱相同,但在计算公式右边均应除以承载力抗震调整系数。
11.4.2 由于框架柱受轴向压力作用,其延性通常比梁的延性小,如果不采取"强柱弱梁"的措施,柱端不仅可能提前出现塑性铰,而且有可能塑性转动过大,甚至形成同层各柱上、下端同时出现塑性铰的"柱铰机构",从而危及结构承受竖向荷载的能力。因此,在框架柱的设计中,有目的地增大柱端弯矩设计值,降低柱屈服的可能性,是保证框架抗震安全性的关键措施。
考虑到原规范给出的柱弯矩增大措施偏弱,本次修订适度提高了各类抗震等级的柱弯矩增大系数。但因 8 度设防烈度框架柱未按梁端实际配筋截面面积确定 Mbua和柱端调整后的弯矩,而是用考虑地震作用梁端弯矩设计值直接乘以增大系数的方法确定调整后的柱端弯矩,因此,当梁端出于构造原因实际配筋数量比计算需要超出较多时,实现"强柱弱梁"的柱弯矩增大系数应取用进一步适当增大的数值。
考虑到高层建筑底部柱的弯矩设计值的反弯点可能不在柱的层高范围内,柱端弯矩设计值可直接按考虑地震作用组合的弯矩设计值乘以增大系数确定。
11.4.3 为了推迟框架结构底层柱下端截面、框支柱顶层柱上端和底层柱下端截面出现塑性铰,在设计中,对此部位柱的弯矩设计值采用直接乘以增大系数的方法,以增大其正截面承载力。
11.4.4 由于按我国设计规范规定的柱弯矩增大措施,只能适度推迟柱端塑性铰的出现,不能避免出现柱端塑性铰,因此,对柱端也应提出"强剪弱弯"要求,以保证在柱端塑性铰达到预期的塑性转动之前,柱端塑性铰区不出现剪切破坏。对 9 度设防烈度的各类框架和一级抗震等级的框架结构,考虑了柱端纵向钢筋的实配情况和材料强度标准值,要求柱上、下端取用考虑承载力抗震调整系数的正截面抗震受弯承载力值所对应的弯矩值为柱的正截面受弯承载力标准值,取实配钢筋截面面积和材料强度标准值并按第 7 章的有关公式计算。
对称配筋矩形截面大偏心受压柱柱端考虑承载力抗震调整系数的正截面受弯承载力值 Mcua,可按下列公式计算:
式中 N--重力荷载代表值产生的柱轴向压力设计值;
fck--混凝土轴心受压强度标准值;
f'yk--普通受压钢筋强度标准值;
Aas'--普通受压钢筋实配截面面积。
对其他配筋形式或截面形状的框架柱,其Mcua值可参照上述方法确定。
11.4.5~11.4.6 为保证框支柱能承受一定量的地震剪力,规定了框支柱承受的最小地震剪力应满足的条件。同时对一、二级抗震等级的框支柱,规定由地震作用引起的附加轴力应乘以增大系数,以保证框支柱的受压承载力。
11.4.7 对框架角柱,考虑到在历次强震中其震害相对较重,加之,角柱还受有扭转、双向剪切等不利影响,在设计中,其弯矩、剪力设计值应取经调整后的弯矩、剪力设计值乘以不小于1.1 的增大系数。
11.4.8 本条规定了框架柱的受剪承载力上限值,也就是从受剪的要求提出了截面尺寸的限制条件,它是在非抗震受剪要求基础上考虑反复荷载影响得出的。
11.4.9 国内有关反复荷载作用下偏压柱塑性铰区的受剪承载力试验表明,反复加载使构件的受剪承载力比单调加载降低约10%~30%,这主要是由于混凝土受剪承载力降低所致。为此,按框架梁相同的处理原则,给出了混凝土项抗震受剪承载力相当于非抗震情况下混凝土受剪承载力的 60%,而箍筋项受剪承载力与非震情况相比不予降低的考虑地震作用组合的框架柱受剪承载力计算公式。
11.4.10 框架柱出现拉力时,斜截面承载力计算中,考虑了拉力的不利作用。
11.4.11 从抗震性能考虑,给出了框架柱合理的截面尺寸限制条件。
11.4.12 框架柱纵向钢筋最小配筋率是工程设计中较重要的控制指标。此次修订适当提高了框架柱纵向受力钢筋最小配筋率的取值。同时,考虑到高强混凝土对柱抗震性能的不利影响,规范规定对不低于C60的混凝土,最小配筋百分率应提高 0.1 ;对HRB400 级钢筋,最小配筋百分率应降低 0.1 。但为防止每侧的配筋过少,故要求每侧钢筋配筋百分率不小于0.2 。
为了提高柱端塑性铰区的延性、对混凝土提供约束、防止纵向钢筋压屈和保证受剪承载力,对柱上、下端箍筋加密区的箍筋最大间距、箍筋最小直径做出了规定。
11.4.13 为防止纵筋配置过多,对框架柱的全部纵向受力钢筋的最大配筋率根据工程经验做出了规定。
柱净高与截面高度的比值为 3~4 的短柱试验表明,此类框架柱易发生粘结型剪切破坏和对角斜拉型剪切破坏。为减少这种脆性破坏,柱中纵向钢筋的配筋率不宜过大。因此,对一级抗震等级,且剪跨比不大于 2 的框架柱,规定其每侧的纵向受拉钢筋配筋率不大于 1.2%。对其他抗震等级虽未作此规定,但也宜适当控制。
11.4.14~11.4.15 框架柱端箍筋加密区的长度,是根据试验及震害所获得的柱端塑性铰区的长度适当增大后确定的,在此范围内箍筋需加密。同时,对箍筋肢距也做出了规定,以提高塑性铰区箍筋对混凝土的约束作用。
11.4.16 国内外的试验研究表明,受压构件的位移延性随轴压比增加而减小。为了满足不同结构类型的框架柱、框支柱在地震作用组合下位移延性的要求,本章规定了不同结构体系的柱轴压比限值要求。
在结构设计中,轴压比直接影响柱截面尺寸。本次修订以原规范的限值为依据,根据不同结构体系进行适当调整。考虑到框架-剪力墙结构、筒体结构,主要依靠剪力墙和内筒承受水平地震作用,因此,作为第二道防线的框架,反映延性要求的轴压比可适度放宽;而框支剪力墙结构中的框支柱则必须提高延性要求,其轴压比应加严。
近年来,国内外的试验研究表明,通过增加柱的配箍率、采用复合箍筋、螺旋箍筋、连续复合矩形螺旋箍筋以及在截面中设置矩形核心柱,都能增加柱的位移延性。这是因为配置复合箍筋、螺旋箍筋、连续复合矩形螺旋箍筋加强了箍筋对混凝土的约束作用,提高了柱核心混凝土的抗压强度,增大了其极限压应变,从而改善了柱的延性和耗能能力。而柱截面中设置矩形核心柱不仅增加了柱的受压承载力,也可提高柱的变形能力,且有利于在大变形情况下防止倒塌,在某种程度上类似于型钢 混凝土结构中型钢的作用。为此,本次规范修订考虑了这些改善柱延性的有效措施,在原则上不降低柱的延性要求的基础上,对柱轴压比限值适当给予放宽。但其箍筋加密区的最小体积配筋率,应满足放宽后轴压比的箍筋配筋率要求。
对 6 度设防烈度的一般建筑,规范允许不进行截面抗震验算,其轴压比计算中的轴向力,可取无地震作用组合的轴力设计值;对于 6 度设防烈度,建造于Ⅳ类场地上较高的的高层建筑,在进行柱的抗震设计时,轴压比计算则应采用考虑地震作用组合的轴向力设计值。
11.4.17 为增加柱端加密区箍筋对混凝土的约束作用,对其最小体积配筋率做出了规定。本次规范修订给出了柱轴压比在 0.3~1.05 范围内的箍筋最小配箍特征值再按下式,即ρv=λvfc/fyv,计算箍筋的最小体积配筋率,以考虑不同强度等级的混凝土和不同等级钢筋的影响。
11.4.18 本条规定了框架柱箍筋非加密区的箍筋配置要求。
11.5 铰接排架柱
11.5.1~11.5.2 国内的地震震害调查表明,单层厂房屋架或屋面梁与柱连接的柱顶和高低跨厂房交接处柱牛腿损坏较多,阶形柱上柱的震害往往发生在上下柱变截面处(上柱根部)和与吊车梁上翼缘连接的部位。为了避免排架柱在上述区段内产生剪切破坏并使排架柱在形成塑性铰后有足够的延性,在这些区段内的箍筋应加密。按此构造配箍后,铰接排架柱在一般情况下可不进行抗震受剪承载力计算。
根据排架结构的受力特点,对排架结构柱不需要考虑"强柱弱梁"措施和"强剪弱弯"措施。对设有工作平台等特殊情况,剪跨比较小的铰接排架柱,斜截面受剪承载力可能起控制作用此时,可按本规范公式 (11.4.9) 进行抗震受剪承载力计算。
11.5.3 震害调查表明,排架柱头损坏最多的是侧向变形受到限制的柱,如靠近生活间或披屋的柱、或有横隔墙的柱。这种情况改变了柱的侧移刚度,使柱头处于短柱的受力状态。由于该柱的侧移刚度大于相邻各柱,当受水平地震作用的屋盖发生整体侧移时,该柱实际上承受了比相邻各柱大得多的水平剪力;使柱顶产生剪切破坏。对屋架与柱顶连接节点进行的抗震性能试验结果表明,不同的柱顶连接型式仅对节点的延性产生影响,不影响柱头本身的受剪承载力;柱顶预埋钢板的大小和其在柱顶的位置对柱头的水平承载力有一定影响。当柱顶预埋钢板长度与柱截面高度相等时,水平受剪承载力大约是柱顶预埋钢板长度为柱截面高度一半时的 1.65 倍。故在条文中规定了对柱顶预埋钢板长度和直锚筋的要求。试验结果还表明,沿水平剪力方向的轴向力偏心距对受剪承载力亦有影响,要求不得大于h/4 。当h/6 ≤e0≤h/4时,一般要求柱头配置四肢箍,并按不同的抗震等级,规定不同的体积配箍率,以此来满足受剪承载力要求。
11.5.4 不等高厂房支承低跨屋盖的柱牛腿 ( 柱肩梁 ) 亦是震害较重的部位之一,最常见的是支承低跨的牛腿被拉裂。试验结果与工程实践均证明,为了改善牛腿和肩梁抵抗水平地震作用的能力,可在其顶面钢垫板下设水平锚筋,直接承受并传递水平力,这是一种比较好的构造措施。承受竖向力所需的纵向受拉钢筋和承受水平拉力的水平锚筋的截面面积,仍按公式 (10.8.2) 计算;其锚固长度及锚固构造可按本规范第 10.8 节的规定取用, 但应以受拉钢筋抗震锚固长度ιaE代替ιa。
11.6 框架梁柱节点及预埋件
11.6.1~11.6.2 地震震害分析表明,不同烈度地震作用下,钢筋混凝土框架节点的破坏程度不同。对于未按抗震要求进行设计的节点,在 7 度地震作用下,破坏较少;在 8 度地震作用下,部分节点尤其是角柱节点发生程度不同的破坏;在 9 度以上地震作用下,多数框架节点震害严重。因此,对节点应提出不同的抗震受剪承载力要求以使其适应与其相连接的梁端和柱端塑性铰区的塑性转动要求。条文规定,对一、二级抗震等级的框架节点必须进行抗震受剪承载力计算,而三、四级抗震等级的框架节点按照规定配置构造箍筋,不再进行抗震受剪承载力计算。
对于纵横向框架共同交汇的节点,可以按各自方向分别进行节点计算。
地震作用对节点产生的剪力与框架的延性及耗能程度有关。对于延性要求很严格的 9 度设防烈度的各类框架以及一级抗震等级的框架结构,考虑到节点侧边梁端已出现塑性铰,节点的剪力应完全由梁端实际的屈服弯矩所决定,在其剪力设计值的计算中梁端弯矩应取实际的抗震受弯承载力所对应的弯矩值。
11.6.3~11.6.6 规定节点截面限制条件,是为了防止节点截面太小,核心区混凝土承受过大的斜压应力,致使节点混凝土首先被压碎而破坏。
框架节点的抗震受剪承载力由混凝土斜压杆和水平箍筋两部分受剪承载力组成。
依据试验,节点核心区内混凝土斜压杆截面面积虽然可随柱端轴力的增加而稍有增加,使得在节点剪力较小时,柱轴压力的增大对节点抗震性能起一定有利作用;但当节点剪力较大时,因核心区混凝土斜向压应力已经较高,轴压力的增大反而会对节点抗震性能产生不利影响。本次修订综合考虑上述因素后,适度降低了轴压力的有利作用。
节点在两个正交方向有梁时,增加了对核心区混凝土的约束,因而提高了节点的受剪承载力。但若两个方向的梁截面较小,则其约束影响就不明显。因此,规定在两个正交方向有梁,梁的宽度、高度都能满足一定要求且有现浇板时,才可考虑梁与现浇板对节点的约束影响,并对节点的抗震受剪能力乘以大于1.0 的约束系数。对于梁截面较小或只有一个方向有直交梁的中间节点以及边节点、角节点均不考虑梁对节点的约束影响。
根据国外资料,对圆柱截面框架节点提出了抗震受剪承载力计算方法。
11.6.7 本条对抗震框架节点的配筋构造规定作了如下修改和补充:
1 近期国内足尺节点试验表明,当非弹性变形较大时,仍不能避免梁端的钢筋屈服区向节点内渗透,贯穿节点的梁筋粘结退化与滑移加剧,从而使框架刚度和耗能性能进一步退化。这一结论与国外试验结果相符。为此,要求贯穿节点的每根梁筋直径不宜大于柱截面高度的 1/20 。同时补充了圆柱节点纵筋直径与贯穿长度比值的限制条件。
2 原规范对伸人框架中间层端节点的梁上部钢筋建议当水平锚固长度不足时,可以在 90°弯弧内侧加设横向短粗钢筋。经近期国内试验证明,这种钢筋只能在水平锚固段发生较大粘结滑移时方能发挥部分作用,故取消。另经国内近期试验证实,水平锚固长度取为 0.4ιaE正能够满足对抗震锚固端的承载力和刚度要求,故将水平锚固长度由不小于 0.45ιaE改为不小于 0.4 ιaE。
3 在顶层中间节点处,塑性铰亦允许且极有可能出在柱端(因顶层中间柱上端轴压力小而弯矩相对较大)。故根据近期国内试验结果给出了柱筋在顶层中间节点处的锚固规定,要求柱纵向钢筋宜伸到柱顶,当采用直线锚固方式时,自梁底边算起,满足ιaE要求;当直线锚固长度不足时,要求柱纵向钢筋伸至柱顶,且满足 0.5ιaE要求后可向内弯折 12d ;当楼板为现浇混凝土,且混凝土强度等级不低于 C20 ,板厚不小于 80mm 时,可向外弯折12d 。
经近期国内顶层中间节点试验证明,贯穿顶层中间节点的上部梁筋较之贯穿中间层中间节点的上部梁筋更易发生粘结退化和滑移,在地震引起的结构非弹性变形较大时,将明显降低节点区的耗能能力。为此采用比中间层中间节点更严的限制钢筋直径的办法。
4 根据国内足尺顶层端节点抗震性能试验结果,给出了对顶层端节点的相应构造措施。当梁上部纵向钢筋与柱外侧纵向钢筋在节点处搭接时,提出两种做法供工程设计应用。一种做法是将梁上部钢筋伸到节点外边,向下弯折到梁下边缘,同时将不少于外侧柱筋的65%的柱筋伸到柱顶并水平伸入梁上边缘。从梁下边缘经节点外边到梁内的折线搭接长度不应小于1.5ιaE。此处为钢筋100%搭接,其搭接长度之所以较小,是因为梁柱搭接钢筋在搭接长度内均有 90°弯折,这种弯折对搭接传力的有效性发挥了较重要作用。采用这种搭接做法时,节点处的负弯矩塑性铰将出在柱端。这种搭接做法梁筋不伸入柱内,有利于施工。另一种做法是将外侧柱筋伸到柱顶,并向内水平弯折不小于 12d ,梁上部纵筋伸到节点外边向下弯折,与柱外侧钢筋形成足够的直线搭接长度后截断。试验证明,此处直线搭接长度应取为不小于1.7ιaE。这一方案的优点是,柱顶水平纵向钢筋数量较少(只有梁筋),便于自上向下浇注混凝土。顶层端节点内侧柱筋和下部梁筋在节点中的锚固做法与顶层中间节点处柱纵向钢筋和中间层端节点处梁上部纵向钢筋相同。另外,需要强调的是,在顶层端节点处不能采用如同上部梁筋在中间层端节点处的锚固做法,因为这种做法不能满足顶层端节点处抗震受弯承载力的要求。
11.6.8 本条对节点核心区的箍筋最大间距和箍筋最小直径以及节点箍筋的配箍特征值和最小配筋率做了规定,其目的是从构造上保证在地震和竖向荷载作用下节点核心区剪压比偏低时为节点核心区提供必要的约束,以及在未预计的不利情况使节点保持基本抗剪能力。
11.6.9 预埋件反复荷载作用试验表明,弯剪、拉剪、压剪情况下锚筋的受剪承载力降低的平均值在 20%左右。对预埋件,规定取γRE=1.0 ,故考虑地震作用组合的预埋件的锚筋截面积应比本规范第 10 章的计算值增大 25%。构造上要求在靠近锚板的锚筋周围设置一根直径不小于 10mm 的封闭箍筋,以起到约束端部混凝土、提高受剪承载力的作用。
11.7 剪 力 墙
11.7.1 剪力墙结构的试验研究表明:反复荷载作用下大偏心受压剪力墙的正截面受压承载力与单调荷载作用下的正截面受压承载力比较接近,因此,考虑地震作用组合的剪力墙,其正截面抗震承载力和局部受压承载力仍按本规范第 7 章有关公式计算,但应除以相应的承载力抗震调整系数。
11.7.2 规范规定对一级抗震等级剪力墙墙肢截面组合弯矩设计值应进行调整,其目的是通过配筋迫使塑性铰区位于墙肢的底部。以往要求底部加强部位以上的剪力墙肢截面组合弯矩设计值按线性变化。这种做法对于较高的房屋会导致一部分剪力墙截面的弯矩值增加过多。为简化设计,本次修订规定,底部加强部位及以上一层的弯矩设计值均取墙底部截面的组合弯矩设计值,其他部位均采用墙肢截面组合弯矩设计值乘以增大系数 1.2 。
11.7.3 基于剪力墙"强剪弱弯"的要求,底部加强部位的剪力设计值应予以增大。 9 度设防烈度,除考虑弯矩增大系数外,并取墙底部出现塑性铰时受弯承载力所对应的弯矩值 Mwua与弯矩设计值的比值来增大剪力设计值。对不同抗震等级的非 9 度设防烈度的情况,底部加强部位的剪力设计值,取地震作用组合的剪力设计值V乘以不同的增大系数。
11.7.4 剪力墙的受剪承载力应该有一个上限值。国内外剪力墙承载力试验表明,剪跨比λ大于 2.5 时,大部分墙的受剪承载力上限接近于 0.25fcbh0,在反复荷载作用下,考虑受剪承载力上限下降 20%。
11.7.5 通过剪力墙的反复和单调加载受剪承载力对比试验表明,反复加载的受剪承载力比单调加载降低 15%~20%。因 1 忤将非抗震受剪承载力计算公式乘以降低系数0.8,作为抗震设计中偏心受压剪力墙的斜截面受剪承载力计算公式鉴于对高轴压力作用下的受剪承载力缺乏试验研究,公式中对轴压力的有利作用给予必要的限制,即当 N>0.2fcbh时,取 N=0.2fcbh。
11.7.6 偏心受拉剪力墙的抗震受剪承载力未进行试验,根据受力特性,参照偏心受压剪力墙的受剪承载力计算公式,给出了偏心受拉剪力墙的抗震承载力计算公式。
11.7.7 水平施工缝处的竖向钢筋配置数量需满足受剪要求。根据水平缝剪摩擦理论,及对剪力墙施工缝滑移问题的试验研究,参照国外有关规范的规定提出本条要求。
11.7.8 多肢剪力墙的承载力和延性与洞口连梁的承载力和延性有很大关系。为了避免连梁产生受剪破坏后导致剪力墙延性降低,规定跨高比大于 2.5 的连系梁,除应满足正截面抗震承载力要求外,还必须满足抗震受剪承载力的要求。对跨高比不大于2.5 的连系梁,因目前试验研究成果不够充分,其计算和构造要求可暂按专门标准采用。
试验表明,在剪力墙洞口连梁中配置斜向交叉钢筋对提高连梁的抗震性能效果较为明显。对一、二级抗震等级的简体结构,当连梁跨高比不大于 2.0 ,而连梁截面宽度不小于 400m 时,宜设置斜向交叉暗柱配筋,全部剪力由暗柱承担;而对一、二级抗震等级的一般剪力墙,当连梁跨高比不大于 2.0 时,也可配置斜向交叉构造钢筋,以改善连梁的抗剪性能。
11.7.9 为保证剪力墙的承载力和侧向稳定要求,给出了各种结构体系的剪力墙厚度的规定。
端部无端柱或翼墙的剪力墙相对于端部有端柱或翼墙的剪力墙在正截面受力性能、变形能力以及侧向稳定上减弱很多,试验表明,极限位移将减小一半,耗能能力降低 20%左右,因此,此次修订适度加大了一、二级抗震等级墙端无端柱或翼墙的剪力墙底部加强部位的墙厚,规定不小于层高的 1/12 。
11.7.10 为了提高剪力墙侧向稳定和受弯承载力,规定剪力墙厚度大于 140mm 时,应采用双排钢筋。
11.7.11 根据试验研究和设计经验,并参考国外有关规范的规定,按不同的结构体系和不同的抗震等级规定了水平和竖向分布钢筋最小配筋率的限值。本次修订,适度增大丁剪力墙分布钢筋的最小配筋率。对框架-剪力墙结构取 0.25%。
11.7.12~11.7.16 试验表明,剪力墙在周期反复荷载作用下的塑性变形能力,与截面纵向钢筋的配筋、端部边缘构件范围、端部边缘构件内纵向钢筋及箍筋的配置,以及截面形状、截面轴压比大小等因素有关,而墙肢的轴压比则是更重要的影响因素。当轴压比较小时,即使在墙端部不设约束边缘构件,剪力墙也具有较好的延性和耗能能力;而当轴压比超过一定值时,不设约束边缘构件的剪力墙,其延性和耗能能力降低。因此,对一、二级抗震等级的各种结构体系中的剪力墙,在塑性铰可能出现的底部加强部位,规定了在重力荷载代表值作用下的墙肢轴压比限值。
为了保证剪力墙肢底部塑性铰区的延性性能以及耗能能力,规定了一、二级抗震等级下,当剪力墙底部可能出现塑性铰的区域内轴压比较大时,应通过约束边缘构件为墙肢两端的混凝土提供足够的约束。而墙肢的其他部位及三、四级抗震等级的剪力墙肢,则可通过构造边缘构件对墙肢两端混凝土提供适度约束。
由于内筒或核心筒的角部在地震斜向作用下处在更为不利的受力状态,其四角的约束边缘构件的尺度应比一般墙肢更大,箍筋所提供的约束也应更强。
11.7.17 框架-剪力墙结构中的带边框剪力墙是该类结构中的主要抗侧力构件,它承受着大部分地震作用。为保证其延性和承载力,对边框柱和边框梁的截面尺寸作了规定。并给出了墙身洞口周边的构造措施。
11.8 预应力混凝土结构构件
11.8.1 原规范中未曾提及地震区使用预应力混凝土结构问题。随着近年来对预应力结构抗震性能的研究,以及对震害的调查证明,预应力混凝土结构只要设计得当,仍可获得较好的抗震性能。采用部分预应力混凝土;选择合理的预应力强度比和构造;重视概念设计;有保证延性的措施;精心施工,预应力混凝土结构就可以在地震区使用。因此,此次修订增加了抗震预应力结构构件的设计内容,规定预应力混凝土结构可用于设防烈度为 6 度、 7 度、 8 度地区。考虑到 9 度设防烈度地区,地震反应强烈,对预应力结构使用应慎重对待。故当 9 度地震区需要采用预应力混凝土结构时,应专门研究,采取保证结构具有必要延性的有效措施。
11.8.2 框架梁是框架结构的主要承重构件,应保证其必要的承载力和延性。同时,试验表明,在预应力混凝土框架梁中采用配置一定数量非预应力钢筋的混合配筋方式,对改善裂缝分布,提高承载力和延性的作用是明显的。为此规定地震区的框架梁,宜采用后张有粘结预应力,且应配置一定数量的非预应力钢筋。
11.8.3 为保证预应力混凝土框架梁在抗震设计中的延性要求,根据试验研究结果,应对梁的混凝土截面相对受压区高度x和纵向受拉钢筋配筋率作一定的限制。纵向受拉钢筋配筋率限值的规定是根据 HRB400 级钢筋的抗拉强度设计值折算得出的;当采用HRB335 级钢筋时,其限值可放松到 3.0%。
11.8.4 预应力强度比对框架梁的抗震性能有重要影响,对其选择要结合工程具体条件,全面考虑使用阶段和抗震性能两方面要求。从使用阶段看,该比值大一些好;从抗震角度,其值不宜过大。研究表明:采用中等预应力强度比 (0.5~0.7) ,梁的抗震性能与使用性能较为协调。因此,建议对一级抗震等级,该比值不大于 0.55 ,二、三级抗震等级不大于 0.75 。本条要求是在相对受压区高度、配箍率、非预应力筋面积 As、 A's等得到满足的情况下得出的。
11.8.5 梁端箍筋加密区内,梁端下部纵向非预应力钢筋和上部非预应力钢筋的截面面积应符合一定的比例,其理由同非预应力抗震框架。规范对预应力混凝土框架梁端下部非预应力钢筋和上部非预应力钢筋的面积比限值的规定,是参考了已有的试验研究和本规范有关钢筋混凝土框架梁的规定,经综合分析后确定的。
附录 A 素混凝土结构构件计算
本附录的内容与原规范附录二基本相同,但对素混凝土轴心抗压和轴心抗拉强度设计值作了修改。
原规范钢筋混凝土偏心受压构件正截面承载力计算中用fcm,本规范改用fc;原规范钢筋混凝土轴心受压构件正截面承载力计算中用fc,本规范也用fc且在计算公式中乘系数 0.9 ;这些修改提高了钢筋混凝土结构的安全度。素混凝土结构的安全度也作了相应提高,原规范fcc取 0.95fc,本规范fcc取 0.85fc等修改,使素混凝土结构与钢筋混凝土结构的安全度的提高幅度相当。
附录 B 钢筋的公称截面面积、计算截面面积及理论重量
本附录根据现行国家标准增加了预应力钢绞线和钢丝方面的内容。
附录 C 混凝土的多轴强度和本构关系
本附录为新增内容,专用于混凝土结构的非线性分析和二维、三维结构的承载力验算。所给的计算方程和参数值,以我国的试验研究成果为依据,也与国外的试验结果相符合。
C.1 总 则
C.1.1 由于混凝土材料的地方性、现场进行配制,以及其强度和变形性能的离散性较大,确定其强度和本构关系的方法宜按本条所列先后作为优选次序。
C.1.2 混凝土的强度和本构关系都是基于正常环境下的短期试验结果。若结构混凝土的材料种类、环境和受力条件等与标准试验条件相差悬殊,例如采用轻混凝土或重混凝土、全级配或大骨料的大体积混凝土、龄期变化、高温、截面非均匀受力、荷载长期持续、快速加载或冲击荷载作用等情况,混凝土的强度和本构关系都将发生不同程度的变化。应自行试验测定或参考有关文献做相应的修正。
C.1.3 采用线弹性方法进行分析的结构,在验算承载能力极限状态或正常使用极限状态时,混凝土的强度和变形指标可按本规范第 5.2.8 条取值。
在结构的非线性分析中,为了保证计算的准确性,混凝土的强度和变形指标宜取为实测值或平均值,详见本规范第 5.3.4 条和相应的条文说明。
C.2 单轴应力-应变关系
本节的内容主要用于杆系结构的非线性分析,也可作为混凝土多轴本构关系中的等效单轴应力-应变关系。
C.2.1 混凝土单轴受压应力-应变曲线分作上升段和下降段,二者在峰点连续。理论曲线的几何特征与试验曲线的完全符合。两段曲线方程中各有一个参数,可适合不同强度等级混凝土的曲线形状变化。
曲线的参数值,即峰值压应变 (εc) 、上升段和下降段参数(αa、αd) 、下降段应变 (εu) 等都随混凝土的单轴抗压强度值(f*c、N/mm2) 而变化,计算式如下:
结构中的混凝土常受到横向和纵向应变梯度、箍筋约束作用、纵筋联系变形等因素的影响,其应力-应变关系与混凝土棱柱体轴心受压试验结果有差别,可根据构件或结构的力学性能试验结果对混凝土的抗压强度和峰值应变值以及曲线形状 (αa、αd) 作适当修正。
C.2.2 混凝土单轴受拉应力-应变曲线也分上升段和下降段给出。峰值拉应变 (εt) 和下降段参数 (αt) 的计算式如下:
式中f*t为混凝土的单轴抗拉强度 (N/ mm2) 。
C.3 多轴强度
C.3.1 混凝土的多轴强度 (fi,i=1~3) 按其与单轴强度( f*c或f*t) 的比值给出,单轴强度的取值见本规范第 C.1.3条。
结构按线弹性或非线性方法分析的结果,均可采用本规范公式 (C.3.1) 进行验算。
C.3.2 混凝土的二轴强度包络图确定为简单的折线形,取值比试验结果偏低,可保证安全。包络图的压-压区和拉-拉区与Tasuji-Slate-Nilson 准则相同,拉-压区的强度稍作调整,与Kupfer-Gerstle 准则相近:
C.3.3 混凝土三轴抗压强度 ( f3,图 C.3.3) 的取值显著低于试验值,且略低于一些国外设计规范所规定的值,又有最高强度(5f*c) 的限制,用于承载力验算可确保结构安全。
为了简化计算,三轴抗压强度未计及中间主应力 ( σ2 ) 的影响。如需更充分地利用混凝土的三轴抗压强度,可按本规范第C.4.1 条所列破坏准则另行计算。
混凝土的三轴抗压强度也可按下列公式计算:
C.3.4 混凝土的三轴拉-拉-压和拉-压-压强度受中间主应力 (σ2) 的影响不大 (<10% ) ,可按二轴拉-压强度 (σ2=0)、即本规范图 C.3.2 的拉-压区计算。
混凝土的三轴受拉应力状态在实际结构中罕见,试验数据也极少,取f1=0.9f*t约为试验平均值。
C.4 破坏准则和本构模型
C.4.1 所列混凝土破坏准则 ( 本规范公式 C.4.1) 的几何特征与试验包络曲面一致,建议的参数值系依据国内外的、全应力范围内大量试验数据所标定;对于特定的混凝土材料、或者结构的应力范围较窄时,可根据混凝土的多轴强度试验值或给定的特征强度值用迭代法另行计算其中的参数值、以提高计算的准确度。
此混凝土破坏准则计算式为一超越方程,难有显式解,可用计算机计算多轴强度。
C.4.2 混凝土的非线性本构模型见诸文献者种类多样、概念和形式迥异、简繁程度悬殊、计算结果的差别不小,难以求得统一。至今,各国的设计规范中、惟有 CEB-FIP MC90 模式规范给出了具体的混凝土本构模型,即Ottosen( 三维 ) 和 Darwin-Pecknold( 二维 ) 模型,二者均属非线弹性类模型。此类模型比较简明实用,但有一定局限性,在某些应力范围内有一定误差。
本条文原则上建议采用非线弹性的正交异性类本构模型,其优点是以试验结果为依据、概念简明、符合混凝土的材性和受力特点。其他本构模型可由设计和分析人员研究选用。
附录 D 后张预应力钢筋常用束形的预应力损失
后张法构件的曲线预应力钢筋放张时,由于锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失值,必须考虑曲线预应力钢筋受到曲线孔道上反摩擦力的阻止,按变形协调原理,取张拉端锚具的变形和预应力钢筋内缩值等于反摩擦力引起的钢筋变形值,求出预应力损失值σι1的范围和数值。在不同条件下,同一根曲线预应力钢筋不同位置处的σι1各不相同。在原规范中,仅对常用的圆弧形曲线预应力钢筋给出了计算公式。该公式在推导时,假定正向摩擦与反向摩擦系数相等,并且未考虑在预应力钢筋张拉端有一直线段的情况。
本次修订增补了预应力钢筋在端部为直线、直线长度等于ι0而后由两条圆弧形曲线组成的曲线筋及折线筋的预应力损失σι1的计算公式。该计算公式适用于忽略长度ι0中摩擦损失影响的情况。
附录 E 与时间相关的预应力损失
考虑预加力时的龄期、理论厚度等多因素影响的混凝土收缩、徐变引起的预应力损失计算方法,是参考"部分预应力混凝土结构设计建议"的计算方法,并经过与本规范公式 (6.2.5-1) 至 (6.2.5-4) 计算结果分析比较后给出的。所采用的方法考虑了非预应力钢筋对混凝土收缩、徐变所引起预应力损失的影响,考虑预应力钢筋松弛对徐变损失计算值的影响,将徐变损失项按 0.9 折减。考虑预加力时的龄期、理论厚度影响的混凝土收缩应变和徐变系数终极值,以及松弛损失和收缩、徐变中间值系数取自《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》TB10002.3 。一般适用于水泥用量为400~500kg/m3、水灰比为0.34~0.42 、周围空气相对湿度为 60%~80%的情况。在年平均相对湿度低于 40%的条件下使用的结构,收缩应变和徐变系数终极值应增加 30%。当无可靠资料时,混凝土收缩应变和徐变系数终极值可按表 E.0.1 采用。对坍落度大的泵送混凝土,或周围空气相对湿度为 40%~60%的情况,宜根据实际情况考虑混凝土收缩和徐变引起预应力损失值增大的影响,或采用其他可靠数据。
对受压区配置预应力钢筋A'p及非预应力钢筋A's的构件,可近似地按公式 (E.0.1-1) 计算,此时,取A'p=A's=0;σ'ι5 则按公式 (E.0.1-2) 求出。在计算公式 (E.0.1-1)、(E.0.1-2) 中的σpc及σ'pc时,应采用全部预加力值。本附录 E所列混凝土收缩和徐变引起的预应力损失计算方法,供需要考虑施加预应力时混凝土龄期、理论厚度影响,以及需要计算松弛及收缩、徐变损失随时间变化中间值的重要工程设计使用。
录 F 任意截面构件正截面承载力计算
附录给出了任意截面任意配筋的构件正截面承载力计算的一般公式:
着计算机的普遍使用,对任意截面、外力和配筋的构件,正截面承载力的一般计算方法,可按第 7.1.2 条的基本假定,用数值积分通过反复迭代进行计算。在计算各单元的应变时,通常应通过混凝土极限压应变为εcu 的受压区顶点作一与中和轴平行的直线;在另一种情况下,尚应通过最外排纵向受拉钢筋极限拉应变 0.01 为顶点作一与中和轴平行的直线,然后再作一与中和轴垂直的直线,以此直线作为基准线按平截面假定确定各单元的应变及相应的应力。
在建立公式时,为使公式形式简单,坐标原点取在截面重心处;在具体进行计算或编制计算程序时,可根据计算的需要,选择合适的坐标系。
附录 G 板柱节点计算用等效集中反力设计值
G.0.1 在垂直荷载、水平荷载作用下,板柱结构节点传递不平衡弯矩时,其等效集中反力设计值由两部分组成:
1 由柱所承受的轴向压力设计值减去冲切破坏锥体范围内板所承受的荷载设计值,即Fι;
2 由节点受剪传递不平衡弯矩而在临界截面上产生的最大剪应力经折算而得的附加集中反力设计值,即τmaxumh0。
本条的公式 (G.0.1-1) 、公式 (G.0.1-3) 、公式 (G.0.1- 5) 就是根据上述方法给出的。
竖向荷载、水平荷载对图 G.0.1 中的轴线 2 产生的不平衡弯矩,取等于竖向荷载、水平荷载产生的对轴线1的不平衡弯矩与Fιeg之代数和,此处eg是轴线 1 与轴线 2 的距离。本条的公式 (G.0.1-2) 、公式 (G.0.1-4) 就是按此原则给出的;在应用上述公式中应注意两个弯矩的作用方向,当两者相同时,应取加号,当两者相反时,应取减号。
G.0.2~G.0.3 条文中提供了图 G.0.1 所示的中柱、边柱和角柱处临界截面的几何参数计算公式。这些参数是按《无粘结预应力混凝土结构技术规程》的规定给出的,其中对类似惯性矩的计算公式中,忽略了h30项的影响,即在公式 (G.0.2-1) 、公式 (G.0.2-5) 中略去了αth30/6 项;在公式 (G.O.2-10) 、公式 (G.O.2-14) 中略去了αth30/12 项,这表示忽略了临界截面上水平剪应力的作用,对通常的板柱结构的板厚而言,这样近似处理是可以的。
G.0.4 当边柱、角柱部位有悬臂板时,在受冲切承载力计算中,可能是取边柱、角柱的临界截面周长,也可能是如中柱的冲切破坏而形成的临界截面周长,应通过计算比较,以取其不利者作为设计计算的依据。