1、第10章框架設計與構造1作為抗震設計的指標，為什么應是雙控制條件？答：作為抗震設計的指標，應是雙控制條件，使結構能同時滿足極限強度和極限變形。這是因為一般結構并不具備足以抵抗強烈地震的強度儲備，而是利用結構的彈塑性性能吸收地震能量，以達到抗御強震的目的。2什么是延性結構？什么是截面曲率延性比？如何表示結構的延性？答：（1）如果結構在承載能力基本保持不變的情形下，仍能具有較大的塑性變形能力，則稱此結構為延性結構。（2）表示截面屈服時的曲率，表示截面極限曲率。截面的塑性變形能力常常用延性比來衡量，即截面曲率延性比（3）當承載能力明顯下降或結構處于不穩定狀態時，認為結構破壞，此時達到極限位移。結構的

2、延性通常用頂點位移延性比表示，即其中y為結構開始進入塑性狀態時的頂點位移。延性比是結構抗震性能的一個重要指標。對于延性比大的結構，在地震作用下結構進入彈塑性狀態時，能吸收、耗散大量的地震能量，此時結構雖然變形較大，但不會出現超出抗震要求的建筑物嚴重破壞或倒塌。相反，若結構延性較差，在地震作用下容易發生脆性破壞，甚至倒塌。3結構延性的作用如何？答：結構延性的作用：（1）防止脆性破壞由于鋼筋混凝土結構或構件的脆性破壞是突發性的，沒有預兆，所以為了保障人們生命財產安全，除了對構件發生脆性破壞時的可靠指標有較高要求以外，還要保證結構或構件在破壞前有足夠的變形能力。（2）承受某些偶然因素的作用結構在使用

3、過程中可能會承受設計中未考慮到的偶然因素的作用，比如說，偶然的超載、基礎的不均勻沉降、溫度變化和收縮作用引起的體積變化等。這些偶然因素會在結構中產生內力和變形，而延性結構的變形能力，則可作為發生意外情況時內力和變形的安全儲備。（3）實現塑性內力重分布延性結構容許構件的某些臨界截面有一定的轉動能力，形成塑性鉸區域，產生內力重分布，從而使鋼筋混凝土超靜定結構能夠按塑性方法進行設計，得到有利的彎矩分布，從而使配筋合理，節約材料，而且便于施工。（4）有利于結構抗震在地震作用下，延性結構通過塑性鉸區域的變形，能夠有效地吸收和耗散地震能量，同時，這種變形降低了結構的剛度，致使結構在地震作用下的反應減小，也

4、就是使地震對結構的作用力減小，因此延性結構具有較強的抗震能力。4提高結構延性的措施有哪些？答：根據震害以及近年來國內外試驗研究資料，延性框架設計時應注意以下幾點：（1）“強柱弱梁”設計原則控制塑性鉸的位置在地震作用下，框架中塑性鉸可能出現在梁上，也可能出現在柱上，但是不允許在梁的跨中出鉸。梁的跨中出鉸將導致局部破壞（圖3）。在梁端和柱端的塑性鉸，都必須具有延性，才能使結構在形成機構之前，結構可以抵抗外荷載并具有延性。(a) 強柱弱梁型(b) 強梁弱柱型圖3 框架局部破壞圖4 框架破壞機構圖由圖4可以看出，在框架結構中，塑性鉸出現的位置或順序不同，將使框架結構產生不同的破壞形式。圖4(b)所示是

5、一個強梁弱柱型結構，所以塑性鉸首先出現在柱中，當某薄弱層柱的上下端均出現塑性鉸時，該層就成為幾何可變體系，而引起上部結構的倒塌。這種結構破壞時只跟最薄弱層柱的強度和延性性能有關，而與其它各層梁柱的承載能力和耗能能力均沒有發揮作用。圖4(a)是一個強柱弱梁型結構，塑性鉸首先出現在梁中，當部分梁端甚至全部梁端均出現塑性鉸時，結構仍能繼續承受外荷載，而只有當柱子底部也出現塑性鉸時，結構才達到破壞。由此可知，柱中出現塑性鉸，不易修復而且容易引起結構倒塌；而塑性鉸出現在梁端，卻可以使結構在破壞前有較大的變形，吸收和耗散較多的地震能量，因而具有較好的抗震性能。震害調查發現：凡是具有現澆樓板的框架，由于現澆

6、樓板大大加強了梁的強度和剛度，地震破壞都發生在柱中，破壞較嚴重；而沒有樓板的構架式框架，裂縫出在梁中，破壞較輕,從而也證實強梁弱柱引起的結構震害比較嚴重。此外，梁的延性遠大于柱的延性。這是因為柱是壓彎構件，較大的軸壓比將使柱的延性下降，而梁是受彎構件，比較容易實現高延性比要求。因此，較合理的框架破壞機制應是梁比柱的塑性屈服盡可能早發生和多發生，底層柱柱根的塑性鉸較晚形成，各層柱子的屈服順序應錯開，不要集中在某一層。這種破壞機制的框架，就是強柱弱梁型框架。（2）梁柱的延性設計要使結構具有延性，就必需保證框架梁柱有足夠的延性，而梁柱的延性是以其截面塑性鉸的轉動能力來度量的。因此框架結構抗震設計的關

7、鍵是梁柱塑性鉸設計。為此，應遵循：1）“強剪弱彎”設計原則控制構件的破壞形態適筋梁或大偏壓柱，在截面破壞時可以達到較好的延性，可以吸收和耗散地震能量，使內力重分布得以充分發展；而鋼筋混凝土梁柱在受到較大剪力時，往往呈現脆性破壞。所以在進行框架梁、柱設計時，應使構件的受剪承載力大于其受彎承載力，使構件發生延性較好的彎曲破壞，避免發生延性較差的剪切破壞，而且保證構件在塑性鉸出現之后也不過早剪壞，這就是“強剪弱彎”的設計原則，它實際上是控制構件的破壞形態。2）梁、柱剪跨比限制剪跨比反映了構件截面承受的彎矩與剪力的相對大小。它是影響梁、柱極限變形能力的主要因素之一，對構件的破壞形態有很重要的影響。比如

8、，柱的剪跨比（M、V分別是截面承受的彎矩、剪力值，hc為柱截面高度）。試驗研究發現，剪跨比2的柱屬于長柱，只要構造合理，通常發生延性好的彎曲破壞；當剪跨比1.5<2的柱為短柱，柱子將發生以剪切為主的破壞，當提高混凝土強度等級或配有足夠的箍筋時，也可能發生具有一定延性的剪壓破壞；而當剪跨比<1.5時為極短柱，柱的破壞形態是脆性的剪切斜拉破壞，幾乎沒有延性，設計中應當避免。在一般框架結構中，柱內彎矩以地震作用產生的彎矩為主，所以可近似假定反彎點在柱高的中點，從而有柱端彎矩，即（Hn是柱的凈高），代入中，得。因此框架柱的分類又可用長細比表示為：時為長柱；時為短柱；時為極短柱。因此，為保證

9、柱子發生延性破壞，抗震設計時要求柱凈高與截面長邊尺寸之比宜大于4，若不滿足，應在柱全高范圍內加密箍筋。類似地，對框架梁而言，則要求其凈跨ln與截面高度hb之比不宜小于4。當梁的跨度較小而梁的設計內力較大時，宜首先考慮加大梁寬，這樣雖然會增加梁的縱筋用量，但對提高梁的延性卻是十分有利的。3）梁、柱剪壓比限制當構件的截面尺寸太小或混凝土強度太低時，按抗剪承載力公式計算的箍筋數量會很多，則箍筋在充分發揮作用之前，構件將過早呈現脆性斜壓破壞，這時再增加箍筋用量已沒有意義。因此，設計中應限制剪壓比（）即梁截面的平均剪應力，使箍筋數量不至于太多，同時，也可有效地防止斜裂縫過早出現，減輕混凝土碎裂程度。這實

10、質上也是對構件最小截面尺寸的要求。4）柱軸壓比限制及其它措施軸壓比N指柱有地震作用組合的柱軸壓力設計值N與柱的全截面面積Ac和混凝土軸心抗壓強度設計值fc乘積的比值，（bc、hc分別為柱截面的寬度和高度）。試驗研究表明，軸壓比的大小，與柱的破壞形態和變形能力是密切相關的。隨著軸壓比不同，柱將產生兩種破壞形態：受拉鋼筋首先屈服的大偏心受壓破壞和破壞時受拉鋼筋并不屈服的小偏心受壓破壞。而且，軸壓比是影響柱的延性的重要因素之一，柱的變形能力隨軸壓比增大而急劇降低（圖5），尤其在高軸壓比下，增加箍筋對改善柱變形能力的作用并不明顯。所以，抗震設計中應限制柱的軸壓比不能太大，其實質就是希望框架柱在地震作用

11、下，仍能實現大偏心受壓下的彎曲破壞，使柱具有延性性質。圖5 軸壓比與延性比關系圖 圖6芯柱尺寸示意圖 圖7 連續復合螺旋箍框架柱在豎向荷載與地震作用下的軸壓比宜滿足表1的規定。若不滿足，可加大截面尺寸或提高混凝土強度等級。表1 柱軸壓比限值抗震等級一二三軸壓比限值0.70.80.9在高層建筑中，底層柱往往承受很大的軸力，很難將軸壓比限制在較低水平。為此，近年來，國內外對改進柱的延性性能做了大量試驗研究。試驗表明，在矩形柱或圓形柱內設置矩形核心柱（圖6），不但可以提高柱的受壓承載力，還可以提高柱的變形能力。在壓、彎、剪作用下，當柱出現彎、剪裂縫，在大變形情況下芯柱可以有效地減小柱的壓縮，保持柱的

12、外形和截面承載力，特別對于承受高軸壓的短柱，更有利于提高變形能力，延緩倒塌。5）箍筋震害表明，梁端、柱端震害嚴重，是框架梁、柱的薄弱部位。所以按照強剪弱彎原則設計的箍筋主要配置在梁端、柱端塑性鉸區，稱為箍筋加密區。在塑性鉸區配置足夠的箍筋，可約束核心混凝土，顯著提高塑性鉸區混凝土的極限應變值，提高抗壓強度，防止斜裂縫的開展，從而可充分發揮塑性鉸的變形和耗能能力，提高梁、柱的延性；而且鋼箍作為縱向鋼筋的側向支承，阻止縱筋壓屈，使縱筋充分發揮抗壓強度。所以規范規定，在框架梁端、柱端塑性鉸區，箍筋必須加密。此外，框架結構構件的延性與箍筋形式有關。例如，西安建筑科技大學和日本川鐵株式會社的研究表明，在

13、其它條件相同的情況下，采用連續矩形復合螺旋箍比一般復合箍筋可提高柱的極限變形角25%。所以矩形截面柱采用連續矩形復合螺旋箍（圖7），可大大提高其延性。6）縱筋配筋率試驗表明：鋼筋混凝土單筋梁的變形能力，隨截面混凝土受壓區相對高度x/h0的減小而增大，而x/h0隨著配筋率的增大、鋼筋屈服強度的提高和混凝土強度等級的降低而增大，延性性能降低。為此，規范對一、二、三級抗震等級框架梁的x/h0和max作出了規定。同時，框架梁還應滿足最小配筋率的要求。而為了避免地震作用下框架柱過早地進入屈服階段，增大屈服時柱的變形能力，提高柱的延性和耗能能力，全部縱向鋼筋的配筋率不應過小。（3）“強節點弱構件”設計原則

14、由于節點區的受力狀況非常復雜，所以在結構設計時只有保證各節點不出現脆性剪切破壞，才能使梁、柱充分發揮其承載能力和變形能力。即在梁、柱塑性鉸順序出現完成之前，節點區不能過早破壞。 實際設計中，為了保證框架結構的延性，抗震設計規范是依據抗震等級對構件本身不同性質的承載力或構件間的相對的承載力進行內力調整，并依據規定的構造要求來達到延性要求。內力調整系數，依據抗震等級不同而異：一級抗震等級以實際配筋為基礎進行內力調整；二、三級抗震等級是在設計內力的基礎上進行調整。而構造要求，則根據不同的抗震等級，規定出截面形式、尺寸限制、材料規格、配筋率以及構造形式等。5正截面受彎承載力計算為什么結構構件的抗震承載

15、力設計值要除以承載力抗震調整系數？答：考慮到地震作用的時間很短，快速加載時，材料強度會有所提高，因此，抗震設計時框架梁的截面承載力應除以承載力抗震調整系數，即：式中： S荷載效應組合的設計值； R結構構件的抗震承載力設計值；一承載力抗震調整系數，按教材表2采用。6為什么建筑抗震設計規范對梁端混凝土相對受壓區高度及配筋率與梁端底面和頂面縱向鋼筋的比值加以限制？答：對強柱弱梁型框架，地震作用下將首先在框架梁的端部出現塑性鉸。由于梁的變形能力主要取決于梁端的塑性鉸轉動能力，從而需對梁端混凝土相對受壓區高度及配筋率加以限制，以保證框架梁有足夠的曲率延性。此外，梁端底面和頂面縱向鋼筋的比值，同樣對梁的變

16、形能力有較大影響。梁底面的鋼筋可增加負彎矩時的塑性轉動能力，還能防止在地震中梁底出現正彎矩時過早屈服或破壞過重，影響承載力和變形能力的正常發揮。因此，建筑抗震設計規范對梁端混凝土相對受壓區高度及配筋率與梁端底面和頂面縱向鋼筋的比值加以限制。7如何體現延性框架“強剪弱彎”的設計原則？答：為了減少梁端塑性鉸區發生脆性剪切破壞的可能性，體現延性框架“強剪弱彎”的設計原則，要求框架梁端的受剪承載力高于其受彎承載力。而梁端受剪承載力的提高，首先是在剪力設計值的確定中考慮了梁端彎矩的增大。對于一級抗震等級，因抗震要求高，并考慮工程設計中梁端縱向受拉鋼筋有可能出現超配筋等情況，在計算Vb時，要求框架梁的左端

17、和右端均取用考慮承載力抗震調整系數RE后的抗彎承載力。其次，在塑性鉸區，不僅有豎向裂縫，也有斜裂縫。在地震作用下，反復受彎，會產生交叉斜裂縫，豎向裂縫可能貫通，混凝土骨料的咬合作用會漸漸喪失，而主要依靠箍筋和縱筋的銷鍵作用傳遞剪力（圖9），這是十分危險的。因此加密區配筋設計時還應遵循：圖9 反復荷載作用下塑性鉸區 箍筋加密區長度不得小于2倍梁高（一級抗震）或1.5倍梁高（二四級抗震），且不應小于500mm； 不能用彎起鋼筋抗剪； 加密區箍筋除按受剪承載力計算外，尚應滿足表4的要求； 第一個箍筋應設置在距離節點邊緣50 mm或以內； 非加密區的箍筋最大間距不宜大于加密區箍筋間距的2倍；否則破壞可

18、能轉移到加密區之外。 在箍筋加密區范圍內，箍筋肢距一級抗震等級不宜大于200mm及20倍箍筋直徑較大值；二、三級不宜大于250mm及20倍箍筋直徑較大值；四級不宜大于300mm。表4 梁端加密區箍筋構造要求抗震等級箍筋最大間距(取最小值)箍筋最小直徑一二三四10886 注：表中為梁高；為縱筋直徑8什么是強柱弱梁？是不是當柱子的截面大于梁的截面或柱子線剛度大于梁的線剛度就是強柱弱梁？什么是強剪弱彎？設計中如何實現強剪弱彎？答：控制梁、柱的相對承載力，使塑性鉸首先在梁端出現，盡量避免或減少柱子中的塑性鉸，底層柱柱根的塑性鉸較晚形成，各層柱子的屈服順序應錯開，不要集中在某一層。這就是強柱弱梁。當柱子

19、的截面大于梁的截面或柱子線剛度大于梁的線剛度均不是強柱弱梁。在進行框架梁、柱設計時，應使構件的受剪承載力大于其受彎承載力，使構件發生延性較好的彎曲破壞，避免發生延性較差的剪切破壞，而且保證構件在塑性鉸出現之后也不過早剪壞，這就是“強剪弱彎”的設計原則，它實際上是控制構件的破壞形態。設計中，將剪力設計值乘以增大系數，實現強剪弱彎，推遲剪切破壞。9抗震設計時，框架梁端截面、梁跨中截面的混凝土受壓區高度應滿足什么要求？沿框架梁全長頂面和底面的縱向鋼筋配置有哪些規定和要求？為什么？答：（1）抗震設計時，框架梁端截面的混凝土受壓區高度應滿足下列要求：一級抗震等級 二、三級抗震等級 梁跨中截面： （2）框

20、架梁的兩端箍筋加密區范圍內，底面和頂面縱向受力鋼筋的截面面積比值，應符合下列要求：一級抗震等級 二、三級抗震等級 （3）之所以作上述規定，是因為對強柱弱梁型框架，地震作用下將首先在框架梁的端部出現塑性鉸。由于梁的變形能力主要取決于梁端的塑性鉸轉動能力，從而需對梁端混凝土相對受壓區高度及配筋率加以限制，以保證框架梁有足夠的曲率延性。此外，梁端底面和頂面縱向鋼筋的比值，同樣對梁的變形能力有較大影響。梁底面的鋼筋可增加負彎矩時的塑性轉動能力，還能防止在地震中梁底出現正彎矩時過早屈服或破壞過重，影響承載力和變形能力的正常發揮。因此，規范中作出了上述規定。10哪些截面是框架梁、柱的內力控制截面？答：框架

21、在恒載、樓面活荷載、屋面活荷載、風荷載作用下的內力求出以后，要計算各主要截面可能發生的最不利內力。這種計算各主要截面可能發生的最不利內力的工作，稱之為內力組合。框架每一根桿件都有許許多多截面，內力組合只需在每根桿件的幾個主要截面進行。這幾個主要截面的內力求出后，按此內力進行桿件的配筋便可以保證此桿件有足夠的可靠度。這些主要截面稱之為桿件的控制截面。每一根梁一般有三個控制截面：左端支座截面、跨中截面和右端支座截面。而每一根柱一般只有兩個控制截面：柱頂截面和柱底截面。11影響柱延性的因素有哪些？如何設計延性柱？答：（1）限制柱剪跨比柱的剪跨比（M、V分別是截面承受的彎矩、剪力值，hc為柱截面高度）

22、。試驗研究發現，剪跨比2的柱屬于長柱，只要構造合理，通常發生延性好的彎曲破壞；當剪跨比1.5<2的柱為短柱，柱子將發生以剪切為主的破壞，當提高混凝土強度等級或配有足夠的箍筋時，也可能發生具有一定延性的剪壓破壞；而當剪跨比<1.5時為極短柱，柱的破壞形態是脆性的剪切斜拉破壞，幾乎沒有延性，設計中應當避免。 （2）柱剪壓比限制當構件的截面尺寸太小或混凝土強度太低時，按抗剪承載力公式計算的箍筋數量會很多，則箍筋在充分發揮作用之前，構件將過早呈現脆性斜壓破壞，這時再增加箍筋用量已沒有意義。因此，設計中應限制剪壓比（）即截面的平均剪應力，使箍筋數量不至于太多，同時，也可有效地防止斜裂縫過早出現，減輕混凝土碎裂程度。這實質上也是對構件最小截面尺寸的要求。 （3）柱軸壓比限制軸壓比的大小，與柱的破壞形態和變形能力是密切相關的。而且，軸壓比是影響柱的延性的重要因素之一，柱的變形能力隨軸壓比增大而急劇降低，尤其在高軸壓比下，增加箍筋對改善柱變形能力的作用并不明顯。所以，抗震設計中應限制柱的軸壓比不能太大，其實質就是希望框架柱在地震作用下，仍能實現大偏心受壓下的彎曲破壞，使柱具有延