钢筋混凝土结构设计（钢筋混凝土结构的寿命）

　　钢筋混凝土结构设计（钢筋混凝土结构的寿命）
　　1.1建筑平面布置灵活，使用空间大。
　　1.2延性较好。
　　1.3整体侧向刚度较小，水平力作用下侧向变形较大（呈剪切型）。所以建筑高度受到限制。
　　1.4非结构构件破坏比较严重。
　　2、框架结构体系选择的因素及适用范围
　　2.1考虑建筑功能的要求。例如多层建筑空间大、平面布置灵活时。
　　2.2考虑建筑高度和高宽比、抗震设防类别、抗震设防烈度、场地条件等因素。
　　2.3框架结构体系是介于砌体结构与框架-剪力墙结构之间的可选结构体系。框架结构设计应符合安全适用、技术先进、经济合理、方便施工的原则（结构设计原则）。
　　2.4非抗震设计时用于多层及高层建筑。抗震设计时一般情况下框架结构多用多层及小高层建筑（7度区以下）。
　　2.5框架结构由于其抗侧刚度较差，因此在地震区不宜设计较高的框架结构。在7度（0.15g）设防区，对于一般民用建筑，层数不宜超过7层，总高度不宜超过28米。在8度（0.3g）设防区，层数不宜超过5层，总高度不宜超过20米。超过以上数据时虽然计算指标均满足规范要求，但是不经济。
　　3、结构平面、竖向布置
　　3.1为了保证框架结构的抗震安全，结构应具有必要的承载力、刚度、稳定性、延性及耗能等性能。设计中应合理地布置抗侧力构件，减少地震作用下的扭转效应；平面布置宜规则、对称，并应具有良好的整体性；结构的侧向刚度宜均匀变化，竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度宜自下而上逐渐减小（不应在同一层同时改变构件的截面尺寸和材料强度），避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变。
　　3.2框架结构宜设计成双向梁柱刚架体系以承受纵横两个方向的地震作用或风荷载。特殊情况下也可以采用一向为刚架，另一向为铰接排架的结构体系。但在铰接排架方向应设置支撑或抗震墙，以保证结构的承载力、刚度和稳定。
　　3.3抗震设计的框架结构，不宜采用单跨框架。如果不可避免的话，可设计为框架-剪力墙结构，多层建筑也可仅在单跨方向设置剪力墙。后者框架结构部分的抗震等级应按框架结构选用，而剪力墙部分的抗震等级应按框架-剪力墙结构选用。
　　3.4框架结构按抗震设计时，不应采用部分由砌体墙承重之混合形式。框架结构中的楼、电梯间及局部出屋顶的电梯机房、楼梯间、水箱间等，应采用框架承重，不应采用砌体墙承重。
　　3.5小高层结构体系采用框架结构，首先尽可能将过于狭长的结构用伸缩缝脱开。如果建筑专业不允许，可通过加大端部开间的抗侧刚度达到限制结构扭转效应的目的。具体可将边框架的角柱断面增大，加大框架梁的高度，如条件允许，中间增加框架住，既增加框架的跨数。这些方法可以显著增加结构的抗扭刚度。
　　4、建筑结构的规则性
　　4.1《建筑抗震设计规范》GB50011-2001（以下简称《抗规》）第3.4.1条规定：＂建筑设计应符合抗震概念设计的要求，不应采用严重不规则的设计方案＂。应注意这条规定是强制性条文，必须不折不扣地执行。
　　4.2当存在《抗规》表3.4.2-1、2所规定的平面或竖向不规则结构时，应符合第3.4.3条的规定。
　　4.3平面不规则建筑划分为三类：a、扭转不规则；b、凹凸不规则；c、楼板局部不连续。
　　竖向不规则建筑划分为三类：a、刚度不规则（有软弱层）；b、竖向抗侧力构件不连续；c、承载力非均匀变化（有薄弱层）。
　　4.3.1判断结构平面的扭转不规则，可通过计算来实现。在刚性楼板假定条件下，当计算小震作用下的楼层最大弹性水平位移（或层间位移）与该楼层两端弹性水平位移（或层间位移）平均值的比值大于1.2时，判断为扭转不规则；当比值接近1.5时，判断为特别不规则；比值大于1.5时，一般判断为严重不规则；此时计算的弹性水平位移（或层间位移）值小于规范限值的50﹪时，判断为严重扭转不规则的比值可以适当方松。
　　计算弹性水平位移（或层间位移）时，多层建筑可仅考虑双向地震作用。高层建筑单向地震作用应考虑偶然偏心的影响。
　　最大值和平均值的计算，均取楼层中同一轴线两端的竖向构件计算，不考虑楼板悬挑的端部。
　　4.3.2凹凸不规则或楼板局部不连续时，应采用符合楼板平面内实际刚度变化的计算模型。
　　当楼板平面过于狭长、有较大的凹入和开洞而使楼板有过大削弱时，楼板有可能产生显著的平面内变形，这时应在设计中考虑楼板削弱产生的不利影响。如在结构分析中考虑柔性或弹性楼板计算模型、采取相应的楼板加强构造措施等。
　　对于错层结构，如错层超过梁高，应按楼板开洞考虑。
　　4.3.3薄弱层：该楼层的层间受剪承载力（屈服抗剪强度）小于相邻上一层的80%。薄弱层属于＂楼层承载力突变＂不规则。以上比值不应小于65%。
　　4.3.4：软弱层：该楼层的侧向刚度小于相邻上一层的70%，或小于其上相邻三个楼层侧向刚度的80%；除顶层外，局部收进的水平尺寸大于相邻下一层的25%。软弱层属于＂侧向刚度＂不规则。楼层的侧向刚度计算采用弹性阶段层间剪力除以层间位移。调整楼层侧向刚度可以采用增大本层侧向刚度或减小上部楼层侧向刚度的方法。
　　4.3.5竖向抗侧力构件不连续：框架柱的内力由水平转换梁向下传递。该柱传递给水平转换梁的地震内力应乘以1.25~1.5的增大系数。
　　5、结构计算与分析
　　5.1 SATWE软件设计参数选用
　　5.1.1 总信息：
　　＂对所有楼层强制采用刚性楼板假定＂——判断结构扭转规则性、计算楼层弹性层间位移时选用，除此之外一般情况下不选用此项。
　　5.1.2风荷信息：
　　1、地面粗糙度类别——以拟建物座落地点为圆心，半经２公里迎风向以内建筑物的平均高度h来划分地面粗糙度类别。当h>18m为D类，当9m≤h≤18m为C类，当h<9m为B类。
　　2、修正后的基本风压——高层、高柔和门式刚架轻型建筑、山峰、与主导风向一致的山口、山谷应仔细计算。
　　3、结构基本周期——默认值是估算值。当风荷载起控制作用时，应按实际计算值修改；
　　5.1.3地震信息：
　　1、规则性——指平面与竖向。一般情况下不规则建筑较多；
　　2、扭转耦联信息——程序自动按耦联计算。所谓耦联是考虑平动＋扭转，而非耦联仅考虑平动或转动；
　　3、场地土类型——应为场地类别。其范围在城镇中通常指不小于１.０ｋ㎡的占地面积；
　　4、考虑偶然偏心——高层结构应考虑此项；多层结构应满足《抗规》第５.２．３条条文说明；
　　5、考虑双向地震作用——＂质量与刚度明显不对称时＂即最大位移与平均位移比值为１．２到１．５考虑；实际上任何情况下都存在双向地震作用，只不过质量与刚度对称时不考虑双向地震作用计算结果满足工程计算精度要求；
　　当即需考虑偶然偏心又考虑双向地震作用的情况下均填＂√＂；程序自动按不利情况考虑；
　　6、计算振型个数——振型数的多少与结构层数及结构形式有关。多层建筑不应少于3个；高层建筑至少取9，当考虑扭转耦联计算时，振型数不应小于15；对多塔结构则振型数不应小于塔楼数的9倍。单塔建筑考虑扭转耦联时不能超过３＊层数。
　　对于质量和刚度分布很不均匀的结构，振型分解反应普法所需的振型数一般可取为振型有效质量达到总质量的90%时所需的振型数。
　　7、周期折减系数——考虑填充墙的影响。《高规》第3.3.17条给出的数值是当非承重的填充墙主要是砖或空心砖砌体填充墙的经验总结；对于砖或小型砌块填充墙其取值可按下表采用。当填充墙为轻质材料或外挂墙板时取ψТ=0.8～0.9。
　　ψТ取值
　　注：1、ψc为有砌体填充墙框架榀数与框架总榀数之比；
　　2、无括号的数值用于一片填充墙长6m左右时，括号内数值用于一片填充墙长为5m左右时。
　　8、结构阻尼比——钢筋混凝土结构为0.05。钢结构在多遇地震下的阻尼比，对不超过12层的钢结构可采用0.035，对超过12层的钢结构可采用0.02；在罕遇地震下的分析，阻尼比可采用0.05。门式刚架轻型房屋钢结构为0.05。钢-砼结构为3.5％；
　　5.1.4梁活荷不利布置：当程序计算条件允许时，不论活荷载大小均考虑。
　　5.1.5调整信息：
　　1、梁端负弯矩调幅系数——装配整体式框架梁取0.7～0.8，现浇框架梁取0.8～0.9；
　　2、梁设计弯矩放大系数——当考虑活荷不利布置时填＂1＂；
　　当不考虑活荷不利布置时填＂>1＂；
　　一般高层建筑取1.0；活荷载较大（≥4.0kn/m²）的高层、一般多层建筑取1.1～1.2；活荷载较大的多层建筑取1.2～1.3；
　　3、剪力墙加强区起算层号——
　　4、连梁刚度折减系数——设防烈度为6、7度时取0.7，设防烈度为8、9度时取0.5。当结构位移风荷载起控制时，不宜小于0.8。
　　5、中梁刚度放大系数——装配整体式框架梁取1.5；现浇楼板框架梁取2；
　　6、0.2Qo——框架-剪力墙结构填；
　　5.1.6设计参数：
　　1、考虑Ｐ—Δ效应——《抗规》、《高规》均有规定；可查看程序计算结果的结论。
　　2、梁柱重叠部分简化为刚域——异型柱结构或短肢剪力墙结构中hw/bw≤3时的柱；
　　3、钢柱计算长度系数按有侧移计算——弱支撑考虑；强支撑不考虑；
　　4、混凝土柱的计算长度系数——一般考虑，填＂√＂；
　　5、柱配筋计算原则——框架柱宜按双偏压计算，排架柱则按单偏压计算；
　　5.2计算结果的分析、判断和调整
　　5.2.1合理性的判断
　　1、自振周期：
　　正常情况下，非耦联计算地震作用时，框架结构基本自振周期:T1=(0.12～0.15)N(N为结构计算层数)。如果计算周期偏离上述值太远，应当考虑本工程刚度是否合适，必要时调整结构截面尺寸。如果结构截面尺寸和布置正常，无特殊情况而计算周期相差太远，应检查输入数据有无错误，震动模型有无异常等。
　　自振周期应尽可能避开场地土卓越周期，否则会发生类共振。场地土卓越周期是根据覆盖层厚度H和土层剪切波速νs按公式T0=4H/νs计算的周期。塘沽地区场地土的自振周期为0.8～1.0s。1976年唐山地震中7～10层框架结构（自振周期为0.6～1.0s）破坏非常严中，许多甚至一塌到底。而3～5层的混合结构住宅（自振周期小于0.3s）却损毁轻微。这说明建筑物的自振周期与地面特征周期一致或接近时，由于共振作用会使震害更加严重。
　　研究表明，由于土在地震时的应力应变关系为非线性的，在同一地点，地震时场地的卓越周期并不是不变的，而将因震级大小、震源机制、震中距离的变化而不同。
　　《抗规》GB50011不要求结构自振周期避开场地卓越周期。事实上，多自由度结构体系具有多个自振周期，不可能完全避开场地卓越周期。
　　2、振型:
　　正常计算结果的振型曲线多为连续光滑曲线，当沿竖向有非常明显的刚度和质量突变时振型曲线可能有不光滑的畸变点。框架结构的基本振型为剪切型。
　　3、位移：
　　结构的弹性位移角需满足《抗规》第5.5.1条的要求。即Δue/h≤[θc]=1/550。此时位移是在＂楼板平面内刚度无限大＂假定条件下计算的，且应在单向水平地震作用时不考虑偶然偏心的影响。如果位移值偏小，则可以减小整体结构刚度。如果位移值偏大，则可以增加整体结构刚度。
　　5.2.2渐变性的判断
　　竖向刚度、质量变化较均匀的结构，在较均匀变化的外力作用下，其内力、位移等计算结果自上而下也应均匀变化，不应有较大的突变，否则应检查结构截面尺寸或输入数据是否正确、合理。
　　5.2.3平衡性的判断
　　在重力荷载作用下，柱轴力应基本符合近似计算的结果。即Ni=qAi。此处q为单位面积重力荷载，对框架结构约为12～14Kn/ m²，对框架-剪力墙结构约为13～15Kn/ m²，对剪力墙和筒体结构约为14～16Kn/m²。
　　5.2.4需要注意计算结果的如下数值
　　1、柱轴压比：N/ fcbh0。用于限制内力，保证延性。一般多层框架结构的柱截面是由水平地震作用下为满足位移（抗侧力刚度）确定，高层框架－剪力墙结构的柱截面一般是由柱轴压比要求确定。
　　2、刚度比：《抗规》第3.4.2条规定。控制刚度比是为了避免竖向刚度突变，形成薄弱层。
　　3、剪重比：《抗规》第5.2.5条规定。目的是为了控制楼层的最小地震剪力，保证结构的安全。
　　4、位移比：《抗规》第3.4.3条规定。控制结构的扭转程度。避免地震作用下扭转对结构造成的不利影响。
　　5、周期比：多层建筑无要求，但基本自振周期不能以扭转为主。对于高层建筑应满足《高规》第4.3.5条规定。
　　6、刚重比：《高规》第5.4.4条给出了刚重比的限值。控制刚重比的目的是为了控制结构的稳定性，避免结构产生整体失稳。
　　6有关概念及一些问题的处理
　　6.1角柱
　　位于建筑平面的凸角部、与柱的正交两个方向各只有一根框架梁与之相连接的框架柱。而位于建筑平面的凹角处，若柱的四边各有一根框架梁与之相连，则可不按角柱对待。
　　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等，抗震设计中对其抗震措施和抗震构造措施有一些专门的要求。
　　6.2梁的挠度、裂缝宽度较大时如何处理
　　当梁的挠度不满足规范要求时，可增加梁高或采用梁起拱的措施来解决。不要增加梁宽或加大纵筋。
　　当梁的裂缝宽度不满足规范要求时，首先在保证钢筋面积不变的情况下钢筋根数增加而直径减小，或者在钢筋相同外形情况下降低钢筋级别。
　　6.3非框架梁箍筋不加密
　　非框架梁主要承受竖向荷载作用，有无抗震设计均不考虑延性，梁端箍筋不加密，其箍筋按内力计算确定，不要求135度弯钩及10倍直径直段。当利用程序自动形成施工图时应选择非抗震计算。
　　6.4梁受压区高度x抗震设计与非抗震设计的区别
　　6.4.1非抗震设计：混凝土受压区高度应符合下列条件：
　　x≤ξbh0，x≥2a'
　　其中：ξb为相对界限受压区高度，见表6-1。
　　表6-1 相对界限受压区高度ξb
　　6.4.2抗震设计：混凝土受压区高度应符合下列条件：
　　在计算中，计入纵向受压钢筋的梁端混凝土受压区高度应符合下列要求：
　　一级抗震等级：x≤0.25h0
　　二、三级抗震等级：x≤0.35h0
　　6.4.3施工图设计时，应根据计算结果配筋，不应随意增加钢筋根数、直径或改变钢筋等级，否则有可能不满足上述要求，使梁出现超筋破坏。对于框架梁来说，地震时当梁出现塑性铰时有可能会是＂混凝土铰＂。
　　6.5板纵向受力钢筋最小配筋率与分布筋、构造筋的确定
　　6.5.1单向板及双向板的判定：四边支承的板，当长边(lx)与短边(ly)长度之比小于或等于2时，应按双向板计算；当长边与短边长度之比大于2，但小于3时，宜按双向板计算；当按沿短边方向受力的单向板计算时，应沿长边方向布置足够的构造钢筋；当长边与短边长度之比小于或等于3时，可按沿短边方向受力的单向板计算。
　　6.5.2荷载分配：假设四边简支板单位面荷载为q，沿x方向和y方向分配的荷载分别为qx和qy，则：
　　当lx/ly=1时，qx=qy=0.5q
　　当lx/ly=2时，qx=0.0588q qy=0.9412q
　　当lx/ly=3时，qx=0.0122q qy=0.9878q
　　6.5.3当受力方向计算配筋小于最小配筋率时，实配钢筋应不小于最小配筋率，即0.2﹪和45ft/fy﹪中的较大值。与单向板受力筋垂直的钢筋可按分布筋考虑。
　　6.5.4分布筋及构造筋选用可查手册。
　　6.6框架柱混凝土等级高而梁板混凝土等级低时的处理方法
　　可参照《北京市建筑设计技术细则》（结构专业）第5.3.18条处理。
　　考虑施工难度大的因素，不宜采用梁柱节点局部与柱同等级混凝土，而宜采用楼板和梁同一强度等级混凝土。对梁柱节点进行强度核算时，节点区混凝土强度可以按提高后的＂折算强度＂采用。
　　6.7关于梁柱中心线不重合时的处理方法
　　《抗规》第6.1.5条规定＂框架结构和框架-抗震墙结构中，框架和抗震墙均应双向设置，柱中线与抗震墙中线、梁中线与柱中线之间偏心距不宜大于柱宽的1/4＂。
　　《高规》第6.1.3条＂……非抗震设计和6～8度抗震设计时不宜大于柱截面在该方向宽度的1/4，如偏心距大于该方向柱宽的1/4时，可采取增设水平加腋等措施。……＂。
　　具体做法可参照《北京市建筑设计技术细则》（结构专业）第5.3.4条处理。
　　6.8钢筋、混凝土等级的选用
　　6.8．1钢筋、混凝土等级的选用既要考虑满足规范基本要求，又要考虑其经济性。例如框架梁混凝土，选用C20和C40都满足规范要求。但是选用C20时比较经济。异型柱结构的柱纵筋往往只是构造要求，选用HRB335已满足要求。这种情况下如果选用HRB400则不经济。