中华人民共和国行业标准高层建筑混凝土结构技术规程JGJ 3-2002条文说明 4
6.3 框架梁构造要求
6.3.1 过去规定框架主梁的截面高度为计算跨度的 1/8~1/12 ,此规定已不能满足近年来大量兴建的高层建筑对于层高的要求。
近来我国一些设计单位,已大量设计了梁高较小的工程,对于 8m 左右的柱网,框架主梁截面高度为 450mm 左右,宽度为 350~400mm 的工程实例也较多。
国外规范规定的框架梁高跨比,较我们更小。例如美国 ACI 318-99 规定梁的高度为:
以上数字适用于钢筋屈服强度 420MPa 者,其他钢筋,此数字应乘以 (0.4+fyk/700) 。
新西兰 DZ 3101-94 之规定为:
从以上数据可以看出,我们规定的高跨比下限 1/18 ,比国外规范要严得多。因此,不论从国内已有的工程经验以及与国外规范相比较,这次规定的 1/10~1/18 ,是可行的。我们提出的数值,在选用时,上限 1/10 仅适用于荷载较大的情况。当设计入确有可靠依据,且工程上有需要时,梁的高跨比也可小于 1/18 。
在工程中,如果梁的荷载较大,可以选择较大的高跨比。在计算挠度时,可考虑梁受压区有效翼缘的作用,并可将梁的合理起拱值从其计算所得挠度中扣除。
6.3.2 抗震设计中,要求框架梁端的纵向受压与受拉钢筋的比例 A's/As不小于 0.5( 一级 ) 或 0.3( 二、三级 ) ,因为梁端有箍筋加密区,箍筋间距较密,这对于发挥受压钢筋的作用,起了很好的保证作用。所以在验算本条的规定时,可以将受压区的实际配筋计入,则受压区高度x不大于 0.25h0( 一级 ) 或 0.35h0( 二、三级 ) 的条件较易满足。
6.3.3 本条第 2 款的规定主要是防止梁在反复荷载作用时钢筋滑移。
6.3.6 梁的纵筋与箍筋、拉筋等作十字交叉形的焊接时,容易使纵筋变脆,对于抗震不利,因此作此规定。国外规范,如美国 ACI 318-99 规范,也在抗震设计一章中增加了类似的条文。钢筋与构件端部锚板可采用焊接。
6.4 框架柱构造要求
6.4.2 抗震设计时,限制框架柱的轴压比主要是为了保证柱的延性要求。本次修订中,对不同结构体系中的柱提出了不同的轴压比限值;根据国内外的研究成果,当配箍量、箍筋形式满足一定要求,或在柱截面中部设置配筋芯柱且配筋量满足一定要求时,柱的延性性能有不同程度的提高,因此对柱的轴压比限值适当放宽。
本规程所说的"较高的高层建筑"是指,高于 40m 的框架结构或高于 60m 的其他结构体系的混凝土房屋建筑。
6.4.5 本条之理由,同本规程第 6.3.6 条。
6.4.7 规程 JGJ 3-91 仅给出了柱最小体积配箍率,本次修订给出了箍筋的配箍特征值,可适应钢筋和混凝土强度的变化,更合理的采用高强钢筋;同时,为了避免由此计算的配箍率过低,还规定了最小体积配箍率。
本条给出的箍筋最小配箍特征值,除与柱抗震等级和轴压比有关外,还与箍筋形式有关。井式复合箍、螺旋箍、复合螺旋箍、连续复合螺旋箍对混凝土具有更好的约束性能,因此其配箍特征值可比普通箍、复合箍低一些。本条所提到的柱箍筋形式举例如图 3 所示。
6.4.8~6.4.9 规程 JGJ 3-91 曾规定:当柱内全部纵向钢筋的配筋率超过 3%时,应将箍筋焊成封闭箍。考虑到此种要求在实施时,常易将箍筋与纵筋焊在一起,使纵筋变脆,如 6.3.6 条的解释;同时每个箍皆要求焊接,费时费工,增加造价,于质量无益而有害。目前,国际上主要结构设计规范,皆无类似规定。
因此本规程对柱纵向钢筋配筋率超过 3%时,未作必须焊接的规定。抗震设计以及纵向钢筋配筋率大于 3%的非抗震设计的柱,其箍筋只需做成带 135°弯钩之封闭箍,箍筋末端的直段长度不应小于 10d 。
在柱截面中心,可以采用拉条代替部分箍筋。
6.4.10 为使梁、柱纵向钢筋有可靠的锚固条件,框架梁柱节点核心区的混凝土应具有良好的约束。考虑到节点核心区内箍筋的作用与柱端有所不同,其构造要求与柱端有所区别。
6.5 钢筋的连接和锚固
6.5.1~6.5.3 关于钢筋的连接,本次修订与过去相比,有较大的变化:
1 过去对于结构的关键部位,钢筋的连接皆要求焊接,现在改为宜采用机械连接。这是因为目前焊接质量较难保证,而机械连接技术已比较成熟,质量和性能比较稳定。另外,1995年日本阪神地震震害中,观察到多处采用气压焊的柱纵向钢筋在焊接部位拉断的情况。
2 采用搭接接头时,对非抗震设计,允许在构件同一截面100%搭接,但搭接长度应适当加长。这对于柱纵筋的搭接接头较为有利。此外,对于后浇带内的钢筋,也可以在同一截面搭接而无需像过去某些做法那样,对钢筋逐根焊接。
6.5.4 本条图 6.5.4 梁顶面负弯矩钢筋的延伸长度,当相邻梁的跨度相差较大时,应根据实际受力情况另行确定。
7 剪力墙结构设计
7.1 一般规定
7.1.1 高层建筑应有较好的空间工作性能,剪力墙结构应双向布置,形成空间结构。特别强调在抗震结构中,应避免单向布置剪力墙,并宜使两个方向刚度接近。剪力墙的抗侧刚度及承载力均较大,为充分利用剪力墙的能力,减轻结构重量,增大剪力墙结构的可利用空间,墙不宜布置太密,使结构具有适宜的侧向刚度。
7.1.2~7.1.3 近年兴起的短肢剪力墙结构,有利于住宅建筑布置,又可进一步减轻结构自重。但是在高层住宅中,剪力墙不宜过少、墙肢不宜过短,因此,不应设计仅有短肢剪力墙的高层建筑,要求设置剪力墙筒体(或一般剪力墙),形成短肢剪力墙与筒体(或一般剪力墙)共同抵抗水平力的结构。
由于短肢剪力墙抗震性能较差,地震区应用经验不多,为安全起见,本条中对这种结构抗震设计的最大适用高度、使用范围、抗震等级、简体和一般剪力墙承受的地震倾覆力矩、墙肢厚度、轴压比、截面剪力设计值、纵向钢筋配筋率作了相应规定。
对于非抗震设计,除要求建筑最大适用高度适当降低外,对墙肢厚度和纵向钢筋配筋率也作了限制,目的是使墙肢不致过小。
一字形短肢剪力墙延性及平面外稳定均十分不利;因此规定不宜布置单侧楼面梁与之平面外垂直或斜交,同时要求短肢剪力墙尽可能设置翼缘。
7.1.4 剪力墙洞口的布置,会极大地影响剪力墙的力学性能。规则开洞,洞口成列、成排布置,能形成明确的墙肢和连梁,应力分布比较规则,又与当前普遍应用程序的计算简图较为符合,设计结果安全可靠。错洞剪力墙应力分布复杂,计算、构造都比较复杂和困难。剪力墙底部加强部位,是塑性铰出现及保证剪力墙安全的重要部位,一、二和三级不宜采用错洞布置。其他情况如无法避免错洞墙,宜控制错洞墙洞口间的水平距离不小于 2m ,设计时应仔细计算分析,并在洞口周边采取有效构造措施(图 4a、b)。一、二、三级抗震设计的剪力墙不宜采用叠合错洞墙;当无法避免叠合错洞布置时,应按有限元方法仔细计算分析并在洞口周边采取加强措施(图 4c)或采用其他轻质材料填充将叠合洞口转化为规则洞口(图4d,其中阴影部分表示轻质填充墙体)。
错洞墙的内力和位移计算应符合本规程第5章的有关规定。对结构整体计算中采用杆系、薄壁杆系模型或对洞口作了简化处理的其他有限元模型时,应对不规则开洞墙的计算结果进行分析、判断,并进行补充计算和校核。目前除了平面有限元方法外,尚没有更好的简化方法计算错洞墙。采用平面有限元方法得到应力后,可不考虑混凝土的抗拉作用,按应力进行配筋,并加强构造措施。
7.1.5 剪力墙结构应具有延性,细高的剪力墙(高宽比大于2) 容易设计成弯曲破坏的延性剪力墙,从而可避免脆性的剪切破坏。当墙的长度很长时,为了满足每个墙段高宽比大于2的要求,可通过开设洞口将长墙分成长度较小、较均匀的联肢墙或整体墙,洞口连梁宜采用约束弯矩较小的弱连梁 ( 其跨高比宜大于6) ,使其可近似认为分成了独立墙段。此外,墙段长度较小时,受弯产生的裂缝宽度较小;墙体的配筋能够较充分地发挥作用。因此墙段的长度(即墙段截面高度)不宜大于8m。
7.1.6 剪力墙布置对结构的抗侧刚度有很大影响,剪力墙沿高度不连续,将造成结构沿高度刚度突变。
7.1.7 剪力墙的特点是平面内刚度及承载力大,而平面外刚度及承载力都相对很小。当剪力墙与平面外方向的梁连接时,会造成墙肢平面外弯矩,而一般情况下并不验算墙的平面外的刚度及承载力。当梁高大于2倍墙厚时,梁端弯矩对墙平面外的安全不利,因此应当采取措施,以保证剪力墙平面外的安全。
本条所列措施,均可增大墙肢抵抗平面外弯矩的能力。另外,对截面较小的楼面梁可设计为铰接或半刚接,减小墙肢平面外弯矩。铰接端或半刚接端可通过弯矩调幅或梁变截面来实现,此时应相应加大梁跨中弯矩。
7.1.8 跨高比小于5的连梁,竖向荷载下的弯矩所占比例较小,水平荷载作用下产生的反弯使它对剪切变形十分敏感,容易出现剪切裂缝。本章针对连梁设计作了一些规定。当连梁跨高比不小于5时,竖向荷载作用下的弯矩所占比例较大,宜按框架梁设计。
7.1.9 抗震设计时,为保证出现塑性铰后剪力墙具有足够的延性,该范围内应当加强构造措施,提高其抗剪切破坏的能力。由于剪力墙底部塑性铰出现都有一定范围,因此对其作了规定。一般情况下单个塑性铰发展高度为墙底截面以上墙肢截面高度hw的范围,为安全起见,本条规定的加强部位范围适当扩大。
7.1.10 楼板主梁支承在连梁或框架梁上时,一方面主梁端部约束达不到要求,另一方面对支承梁不利,因此要尽量避免。楼板次梁支承在连梁或框架梁上时,次梁端部可按铰接处理。
7.1.11 梁与墙的连接有两种情况:当梁与墙在同一平面内时,多数为刚接,梁钢筋在墙内的锚固长度应与梁、柱连接时相同。当梁与墙不在同一平面内时,多数为半刚接,梁钢筋锚固应符合锚固长度要求;当墙截面厚度较小时,可适当减小梁钢筋锚固的水平段,但总长度应满足非抗震或抗震锚固长度要求。
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7.2 截面设计及构造
7.2.1 为了保证剪力墙的承载能力及变形能力,剪力墙混凝土的强度等级不宜太低。
7.2.2 本条第 1、2、3 款规定剪力墙最小厚度的目的是保证剪力墙出平面的刚度和稳定性能。当墙平面外有与其相交的剪力墙时,可视为剪力墙的支承,有利于保证剪力墙出平面的刚度和稳定性能,因而可在层高及无支长度二者中取较小值计算剪力墙的最小厚度。无支长度是指沿剪力墙长度方向没有平面外横向支承墙的长度。而两端无翼墙和端柱的一字形剪力墙,只能按层高计算墙厚,最小厚度也要加大。如果无法满足本条 1、2、3 的厚度要求,可按本规程附录D作墙体稳定计算。
一般剪力墙井筒内分隔空间的墙数量多而长度不大,两端嵌固好,为了减轻结构自重,第5款规定其墙厚可减小。
第 6 款给出的限制条件,目的是规定剪力墙截面尺寸的最小值,或者说限制了剪力墙截面的最大名义剪应力值。剪力墙的名义剪应力值过高,会在早期出现斜裂缝,抗剪钢筋不能充分发挥作用,即使配置很多抗剪钢筋,也会过早剪切破坏。
7.2.3 高层建筑的剪力墙厚度大,为防止混凝土表面出现收缩裂缝,同时使剪力墙具有一定的出平面抗弯能力,高层建筑的剪力墙不允许单排配筋。当剪力墙厚度超过400mm时,如仅采用双排配筋,形成中间大面积的素混凝土,会使剪力墙截面应力分布不均匀,因此本条提出了可采用三排或四排配筋方案,所需的设计配筋可均匀分布在各排中,或靠墙面的配筋略大。
7.2.4 一般情况下主要验算剪力墙平面内的承载力,当平面外有较大弯矩时,也应验算平面外的抗弯承载力。
7.2.5 在剪力墙结构中截面高厚比不大于5的独立墙肢,往往是薄弱部位,一、二、三级抗震等级均应控制墙肢轴压比。剪力墙截面的高厚比小于3时,其受力性能与柱类似,构造措施从严。
7.2.6 一级抗震等级的剪力墙,应按照设计意图控制塑性铰出现部位,在其他部位则应保证不出现塑性铰,因此对一级抗震等级的剪力墙的设计弯矩包线作了近似的规定。
7.2.7 如果双肢剪力墙中一个墙肢出现小偏心受拉,该墙肢可能会出现水平通缝而失去抗剪能力,则由荷载产生的剪力将全部转移到另一个墙肢而导致其抗剪承载力不足。当墙肢出现大偏心受拉时,墙肢易出现裂缝,使其刚度降低,剪力将在墙肢中重分配,此时,可将另一墙肢按弹性计算的剪力设计值增大(乘以 1.25 系数),以提高其抗剪承载力。
7.2.8~7.2.9 钢筋混凝土剪力墙正截面受弯计算公式是依据现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB 50010中偏心受压和偏心受拉构件的假定及有关规定,又根据中国建筑科学研究院结构所等单位所做的剪力墙试验进行了简化。试验研究表明,在墙体发生破坏时,剪力墙腹板中受压区的分布钢筋应力仍然很小,因此在计算时忽略受压区分布筋作用。
按照平截面假定,不考虑受拉混凝土的作用,受压区混凝土按矩形应力图块计算。大偏压时受拉区分布钢筋应力及受拉、受压端部钢筋都达到屈服,在 1.5 倍受压区范围之外,假定受拉区分布钢筋全部屈服;小偏压时端部受压钢筋屈服,而受拉分布钢筋及端部钢筋均未屈服。
条文中分别给出了工字形截面的两个基本平衡公式 (ΣN = 0,ΣM = 0) ,由此可得到各种情况下的设计计算公式。偏心受拉正截面计算公式直接采用了现行国家标准《混凝土结构设计规范》 GB 50010 的有关公式。
7.2.10 抗震设计时,为体现强剪弱弯的原则,剪力墙底部加强部位的剪力设计值要乘以增大系数,按一、二、三、四级的不同要求,增大系数不同。9度抗震设计时,剪力墙底部加强部位要求用实际配筋计算的抗弯承载力计算其剪力增大系数。
7.2.11~7.2.12 在剪力墙设计时,通过构造措施防止发生剪拉破坏和斜压破坏,通过计算确定墙中水平钢筋,防止发生剪切破坏。
偏压构件中,轴压力有利于抗剪承载力,但压力增大到一定程度后,对抗剪的有利作用减小,因此对轴力的取值加以限制。
偏拉构件中,考虑了轴向拉力的不利影响。
7.2.13 按一级抗震等级设计的剪力墙,要防止水平施工缝处发生滑移。考虑了摩擦力的有利影响后,要验算通过水平施工缝的竖向钢筋是否足以抵抗水平剪力,已配置的端部和分布竖向钢筋不够时,可设置附加插筋,附加插筋在上、下层剪力墙中都要有足够的锚固长度。
7.2.14~7.2.15 由于高层建筑的高度不断增高,钢筋混凝土剪力墙的高度也逐渐加大,其轴压应力也随之加大。清华大学结构工程研究所及国内外其他研究单位所做试验表明,当偏心受压剪力墙轴力较大时,压区高度增大,与钢筋混凝土柱相同,其延性下降。研究表明,剪力墙的边缘构件(暗柱、明柱、翼柱)有横向钢筋约束,可改善混凝土受压性能,增大延性;以前对于剪力墙边缘构件的规定过于笼统,以致在某些情况下不够安全,在另外一些情况下又过于保守。为了保证在地震作用下的钢筋混凝土剪力墙具有足够的延性,本规程增加了有关剪力墙轴压比的规定。
首先,第 7.2.14 条对一、二级抗震等级的剪力墙底部加强部位(一般为塑性铰区)的最大轴压比作了限制。因为要简化设计计算,规程采用了重力荷载代表值作用下的轴力设计值(不考虑地震作用组合),即考虑重力荷载分项系数后的最大轴力设计值,计算剪力墙的名义轴压比。
应当说明的是,截面受压区高度不仅与轴压力有关,而且与截面形状有关,在相同的轴压力作用下,带翼缘的剪力墙受压区高度较小,延性相对要好些,矩形截面最为不利。但为了简化设计规定,条文中未区分工形、 T 形及矩形截面,在设计时,对矩形截面剪力墙墙肢(或墙段)应从严掌握其轴压比。
当一、二级抗震等级底部加强部位轴压比小于限值(表 7.2.14) 时,需要设置约束边缘构件,其长度及箍筋配置量都需要进行计算,并从加强部位顶部向上延伸一层。其他情况都可按构造要求设置剪力墙构造边缘构件,包括一、二级抗震等级的其他部位和三、四级抗震等级的全部以及非抗震设计剪力墙的全部。
7.2.16 对剪力墙设置的约束边缘构件提出了要求,主要措施是加大边缘构件的长度ιc及其体积配箍率ρv,体积配箍率ρv由配箍特征值λv计算,ρv的计算范围及边缘构件中的纵向钢筋配置范围即图 7.2.16 中的阴影部分。
当墙肢轴压比达到或接近本规程表7.2.14的限值时,约束边缘构件的配箍特征值λv按本规程表 7.2.16 采用;当墙肢轴压比较小时,约束边缘构件的配箍特征值λv可适当降低。
对于十字形剪力墙,可按两片墙分别在端部设置边缘约束构件,交叉部位只要按构造要求配置暗柱。
约束边缘构件中的纵向钢筋宜采用 HRB335 或HRB400 钢筋。
7.2.17 剪力墙构造边缘构件按构造要求设置。第 3、4、5 款分别规定了抗震设计剪力墙与非抗震设计剪力墙的构造要求。设计时需注意计算边缘构件竖向最小配筋所用的面积Ac的取法和配筋范围。构造边缘构件中的纵向钢筋宜采用HRB335或HRB400钢筋。
抗震设计时,对于复杂高层建筑结构、混合结构、框架-剪力墙结构、简体结构以及B级高度的剪力墙结构中的剪力墙(筒体),因为剪力墙(筒体)比较重要或者房屋高度较高,所以其构造边缘构件的最小配筋比一般剪力墙结构中的剪力墙适当加强,宜采用箍筋或箍筋与拉筋相结合,不宜全部采用拉筋。