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1、框架柱及剪力墙结构设计2011年02月目录第一部分框架柱结构设计3一、框架柱的受力特点3二、框架柱的截面选择3三、框架柱的构造要求8四、框架柱配筋设计11五、框架柱施工图的绘制方法13六、框架柱设计容易出现的问题14第二部分剪力墙结构设计15一、剪力墙的特点15二、剪力墙布置18三、剪力墙墙厚21四、剪力墙配筋设计25五、剪力墙施工图绘制的几点规定40六、剪力墙设计中容易出现的问题41第三部分用探索者软件辅助施工图绘制43一、TSSD的特点43二、使用TSSD的要求43三、TSSD的主要设置参数43四、TSSD的实例45第一部分框架柱结构设计一、框架柱的受力特点楼面荷载通过楼板传递到梁后，需要
2、经过柱传递到基础，荷载向下传递过程中对柱会产生压力，因此受压是框架柱最重要的受力特点。楼面荷载在梁内传递过程中对梁会产生弯矩，为平衡梁端弯矩，柱也会受到弯矩的作用。此外，当结构受到风荷载或地震作用时，框架柱还要传递剪力，以及剪力产生的弯矩。因此，框架柱受到的内力有压力、剪力及弯矩，图一是框架在竖向荷载下的受力简图。 图一框架柱在竖向荷载作用下的内力简图二、框架柱的截面选择柱的截面选择与其受力特点有关，为保证柱在受压的前提下，还能发挥其抗剪、抗弯能力，需要将柱受到的压力限制在一定范围内，通常采用轴压比这个指标来定义这个限值。轴压比是一个比值，其分子项为柱所受到的压力，分母项为柱的砼抗压能力，计算
3、公式为：轴压比=N/fc*A式中N为轴压力，A为柱截面面积，fc*A为承载力。以C25砼为例，一根截面为1000mmx1000mm的砼柱，其受压承载力=fc*A= N=11900 kN=1190 t，若此柱受到的压力为11900 kN，此时轴压比为 N/fc*A=11900/11900=若控制此柱的轴压比为，说明该柱还有20%的安全储备。因此轴压比实际反映了构件抗压承载力的发挥程度，轴压比越小，构件的安全储备越高（抗震概念上称延性越好）。关于延性：延性是指材料超过弹性极限后破坏前抵抗变形的能力。影响延性的因素很多，以下仅讨论与轴压比的关系：框架柱同时受到压力、剪力及弯矩的作用，破坏形式有两种，
4、小偏心受压破坏和大偏心受压破坏。大偏心受压破坏是受拉钢筋先屈服然后混凝土被压碎，实际是受拉破坏，属于延性破坏。小偏心受压破坏由于混凝土压碎而产生，不发生钢筋受拉破坏，属于脆性破坏。构件轴压比越小，意味着受到的压力越小，构件发生小偏心受压破坏的可能性越小，发生大偏心受压的弯曲破坏可能性越大，符合抗震设计中延性设计的原则。轴压比与柱截面有关，因此通过轴压比指标可以确定框架柱截面的大小。现行抗震规范对轴压比的规定如表一，框架柱轴压比不宜超过表中数值，且不应大于。建造于类场地且较高的高层建筑，表中数值应适当减小。表一柱轴压比限值表结构类型抗震等级一二三四框架结构框剪结构框支结构表中红色数字表示新抗规的
5、要求，与原规范相比，新规范的变化主要体现在两个方面，一是四级框架柱的限值由调整到和，二是框架结构减小了。注意表中限值适用于剪跨比大于2、砼强度等级不高于C60的框架柱。剪跨比不大于2的框架柱，表中限值应降低。砼强度等级高于C60时，按抗规附录B设计。设置芯柱或箍筋加大加密时，可提高柱的变形能力，此时轴压比限值可适当放宽，详规范6.3.6条的注解3、4条。从该表可以看出，不同结构体系中的框架柱，轴压比限值不同。抗震等级越高，或者说要求在结构中发挥作用越大的框架柱，其安全储备要求越高。关于抗震等级：抗震等级反映了对结构的抗震要求。由于构件在结构中发挥的作用不同，同一结构不同构件、同一构件在不同结构
6、体系中的抗震要求可能不同。如框剪结构中的框架，其抗震要求就可低于框架结构中的框架，原因是框剪结构中主要是剪力墙发挥作用。柱截面大小与轴压比有关，轴压比影响到框架柱的延性，因此如何正确计算轴压比在框架柱设计中很重要。计算轴压比时轴力N取考虑地震作用组合的设计值，按抗规5.4.1条确定。按抗规注解1条，无需进行地震作用计算的结构，可取无地震作用组合的轴力设计值。按抗规条，6度区部分建筑可不进行截面抗震验算。根据条文说明，当地震作用在结构设计中基本上不起控制作用时，以及被地震经验所证明者，可不做抗震验算。考虑到电算速度较快，无论地震作用是否起控制作用，建议均进行地震作用计算。例如彰武项目，裙楼为四层
7、商业，框架结构，6度，类场地，乙类建筑，框架抗震等级为三级，查表一，框架柱轴压比限值为。采用SATWE计算，考虑地震作用时框架柱的最大轴压比为，不考虑地震作用时最大轴压比为。出现这种情况与工程条件有关，该工程为多层建筑，地震烈度低，活荷载较大。考虑地震作用时，按抗规5.4.1条，荷载效应组合的设计值为S重力荷载代表值水平地震作用 （恒载活载）水平地震作用 恒载活载水平地震作用（式一）不考虑地震作用时，按荷载规范3.2.3条，由可变荷载效应控制时，荷载效应组合的设计值为S=恒载活载风（式二）比较式一和式二，当地震作用较小，活荷载较大时，式二的计算结果可能大于式一，说明框架柱轴力的最不利组合设计值
8、为非地震作用组合。注意按表一验算轴压比时轴力N并不一定是最不利组合，当最不利组合设计值N为非地震组合时，应按抗规6.3.6注解5条控制轴压比，即要求轴压比即可。本项目按考虑地震作用轴压比，满足要求。若按不考虑地震作用，%，满足要求。若按08规范扣除重叠部分箍筋体积，则v（600-2x30）x2/（291600x100）=%仍可满足规范要求。4、施工要求：为保证砼浇筑质量，柱纵筋净距不小于50mm。四、框架柱配筋设计从前面分析可知，框架柱主要传递以下内力：压力、弯矩和剪力。压力由砼、纵筋及箍筋承担，其中砼及纵筋由计算确定，箍筋主要起约束作用，防止纵筋发生压屈破坏，提高砼变形能力从而提高柱延性。弯
9、矩产生的拉力由纵筋承担，纵筋可按压弯构件计算确定。剪力由箍筋承担，同样由压弯构件计算确定。PKPM可以完成框架柱的内力及配筋计算，我们主要是根据其计算结果进行施工图绘制，SATWE计算前需要确定柱的计算参数，可在SATWE中定义，图四为配筋参数：图四SATWE参考设置SATWE计算的框架柱配筋包括6个结果，其单位为 cm2，以图二为例，数值表示该框架柱角筋的面积不小于 cm2，即 260mm2。（注：采用单偏压算法时角筋可不受此值控制。）图二框架柱计算结果数值9表示该框架柱X方向每边纵筋的总面积不小于900mm2。数值18表示框架柱Y方向每边纵筋的总面积不小于1800mm2。数值表示该框架柱节
10、点域配置的箍筋面积在X、Y两个方向均不小于180mm2，默认箍筋间距为100。数值表示框架柱加密区配置的箍筋面积在X、Y两个方向均不小于230mm2，默认箍筋间距为100。数值表示框架柱非加密区配置的箍筋面积在X、Y两个方向均不小于60mm2，默认箍筋间距为100。若实配箍筋在非加密区采用200间距时，要求箍筋面积为 60X2120。根据SATWE计算结果，该柱配筋过程如下：1. 确定箍筋肢距：根据抗规6.3.9条，一级抗震柱箍筋肢距不大于200，该框架柱截面为600X600，肢数取4可满足要求。2. 确定箍筋直径及间距：根据抗规6.3.7-2条，一级抗震柱箍筋直径不小于10，如取直径为10，
11、则箍筋面积314230180120，若实配 10100/200（4），可满足加密区、节点域及非加密区的计算要求。（注：SATWE箍筋计算结果已考虑体积配箍率）3. 确定纵筋根数及直径：该柱采用4肢箍，因此纵筋首先按4根考虑，X方向需要的纵筋直径为900/4225，采用418即可，图三配筋为225222，面积为2X（490380）1740，偏大。Y方向需要的纵筋直径为1800/4450，可采用425，图三中Y方向配筋为面积也为1740，略偏小。五、框架柱施工图的绘制方法目前结构施工图通常采用平法方法绘制，也就是按照国家标准图集混凝土结构施工平面整体表示方法制图规则和构造详图（03G101-1）绘
12、制施工图，框架柱采用平法绘制有两种方式，截面注写和列表注写方式。图三的框架柱施工图称为截面注写方式，更常用的是采用列表注写方式，如表三所示。表三框架柱表柱号标高bxh角筋b边一侧中部筋h边一侧中部筋箍筋类型号箍筋KZ1600x6004D252D222D221(4x4)d10100/200对于某层框架柱，即使柱截面都相同，各柱的计算结果往往不同。截面不同，或截面相同但纵筋不同，或截面纵筋相同但箍筋不同的各种计算结果，会导致框架柱编号种类繁多。为简化施工图绘制，要对框架柱进行归并，以下归并原则可供参考：1.截面相同编为同一主编号，如600X600的柱都编号为KZ1，并尽量使用相同肢数的箍筋，如都采
13、用4X4肢箍，纵筋或箍筋不同加副编号，如KZ1a，KZ1b。2.纵筋都是构造配筋的柱编为同一个号，其它纵筋不同的柱可按20%的归并率编为同一个号。箍筋不同时编号原则类似。3.角柱最好编为同一个号。4.个别柱配筋（如楼梯间柱）或标高不同时也可在平面图中单独标注，不一定要列表表示。六、框架柱设计容易出现的问题1. 未考虑梁柱偏心影响：按抗规6.1.5条，梁柱偏心较大时应计入偏心的影响。建模时应按实际偏心输入梁柱。2. 角柱定义：按抗规6.2.6条，一、二、三、四级抗震的角柱，剪力及弯矩应至少放大10%。应在SAWTE特殊构件定义菜单中的特殊柱一栏指定角柱，如图五。图五SATWE特殊构件定义3. 角
14、柱加密：按抗规6.3.9-1-4）条，一、二级框架的角柱应全高加密。4. 短柱加密：按抗规6.3.9-1-4）条，短柱应全高加密。短柱的体积配箍率不应小于%，详抗规）条或高规条。什么是短柱：短柱是指剪跨比2的框架柱，M/（Vh0），对于框架结构标准层，可取Hn/（2 h0），也就是说，柱净高度小于柱截面高度的4倍时，即为短柱。特别注意楼梯间框架柱，由于平台标高与楼面不同，很容易形成短柱。5. 短柱轴压比：短柱的轴压比限值要求更严格，具体规定详抗规6.3.6条的注解2。6. 核心区箍筋计算值大于加密区，要注意表达核芯区箍筋。列表中可增加一列表示核芯区箍筋，相差不多时也可将加密区箍筋增大。7. 纵
15、筋根数与箍筋肢数：列表平法图不表示柱钢筋的具体位置，建议纵筋根数与箍筋肢数相同，保证钢筋肢距不容易出错。第二部分剪力墙结构设计一、剪力墙的特点（一）从框架柱到剪力墙顾名思义，剪力墙是抵抗剪力的墙体。剪力可能由风力或地震产生，当剪力由地震引起时，称为抗震剪力墙或简称抗震墙。墙体可以采用各种结构材料，如砌体或钢筋混凝土，本文仅讨论钢筋混凝土抗震墙，下文所出现的剪力墙一词均指钢筋混凝土抗震墙。从字面上看，剪力墙是为抵抗剪力而设置的，实际上，结构受到的剪力越大，说明水平荷载（风力或地震作用）越大，当建筑物较高时，结构对抵抗变形的要求要高于对抵抗剪力的要求。以一根高度为H的悬臂梁受到均布荷载q为例（图六
16、），其顶点位移和基底剪力分别为：结构顶点位移：qH4/(48EI)结构底部剪力：V=qH图六悬臂梁受到均匀荷载作用从上式可以看出，结构底部剪力与结构高度H成正比，顶点位移则与结构高度H的4次方成正比。当结构高度增大，结构位移会急剧增大，因此水平荷载对结构的影响更主要的是体现在结构位移上。另一方面，结构通过其刚度来抵抗变形，结构变形与刚度成反比，刚度（EI）则由材料弹性模量和截面惯性矩决定。对于高层建筑，为抵抗水平荷载下的巨大变形，结构构件截面必须具有很大的惯性矩。剪力墙的惯性矩要远远大于框架柱，以400X400的框架柱和400X3000的剪力墙为例（图七）说明二者的差别。图七框架柱和剪力墙截面
17、二者的惯性矩分别为：柱：Ibh3/12=12=剪力墙：I=12 m4，422惯性矩与截面高度的3次方成正比，剪力墙的刚度是框架柱的400倍以上，即使剪力墙厚度减小为200，刚度仍为框架柱的200倍多。因此，高层建筑结构通常需要设置剪力墙。平面外刚度：上述剪力墙惯性矩I=是按b=，h=计算出来的，截面高度h取的是剪力墙墙长方向的尺寸，刚度EI称为剪力墙平面内刚度。若取截面高度为剪力墙墙厚方向，相应的刚度称为平面外刚度，此时惯性矩I=12 m4，=也就是说，剪力墙平面外刚度只有平面内刚度的1/56。由于剪力墙平面外刚度远远小于平面内刚度，结构分析中，通常忽略其平面外刚度，认为剪力墙只承担平面内方向
18、的水平荷载。水平荷载（风或地震作用）往往沿结构两个方向（X和Y）发生，因此结构必须在两个方向都设置剪力墙。（二）剪力墙的特点从形状上看，剪力墙可看作一面竖向放置的楼板，从抵抗竖向力的角度来说，它可以看作拉长了的框架柱，从抵抗侧向力的角度来说，它可以看作一根竖向悬臂梁。与楼板相似，由于表面积较大，剪力墙容易出现温度收缩裂缝，因此剪力墙通常配置有双层双向的分布筋。与框架柱类似，为保证受压构件在竖向力作用下具有一定的延性，剪力墙也要控制轴压比。与框架柱相比，剪力墙受压时具有以下不同点：第一，剪力墙需要发挥的作用更大，因此轴压比要求比框架柱更严。第二，剪力墙一般较薄，在压力作用下容易失稳。此外，剪力墙
19、受到的竖向力是楼板传递的，这些作用力可能具有一定的偏心，对剪力墙产生平面外弯矩，因此剪力墙的竖向分布筋除了抵抗温度应力之外，还具有抵抗平面外弯矩的作用。与悬臂梁类似，剪力墙要抵抗侧向力（水平荷载）产生的剪力和弯矩，因此剪力墙的水平分布筋除了抵抗温度应力之外，还需要抵抗剪力。为了抵抗平面内弯矩，剪力墙的端部应集中配置一部分纵筋，除此之外，墙身竖向分布筋也能抵抗一部分平面内弯矩。根据以上分析，剪力墙身兼数职，具有板、梁、柱的受力特点，设计时要针对这些特点进行分析。二、剪力墙布置剪力墙是为抵抗变形而设置的，因此剪力墙布置首先要满足结构位移的要求。高层建筑的位移要求详现行高规4.6.3条，高度不大于1
20、50m的建筑，其位移限值如表四所示。表四楼层层间最大位移与层高之比的限值结构类型u/h（层间位移角）框架1/550框剪、框筒1/800筒中筒、剪力墙1/1000框支层1/1000如前所述，为抵抗结构变形，剪力墙在平面上必须具有足够的长度。抗震设计中由于结构受力的复杂性，除了要满足结构刚度外，剪力墙的数量、平面位置的选择与许多因素有关，比如建筑功能要求、结构扭转控制等。剪力墙结构：这种结构的剪力墙较多，结构刚度大，承载力高，结构位移一般都能满足规范要求。以剪力墙住宅为例，剪力墙布置原则主要有两种，一是以结构侧向刚度为指标，刚度足够即可，结构位移角控制在规范限值附近，约1/12001/1500，这
21、种设计原则下剪力墙数量一般较少，可以降低钢筋设计用量。二是考虑施工简化原则，尽量将建筑主要墙体都采用剪力墙，结构的整体指标通过调整连梁高度来解决，这种设计原则可以减少后砌填充墙数量，缩短施工工期。框架剪力墙结构：框剪结构是在框架结构中加入剪力墙的结构，由于剪力墙的刚度远大于框架柱，剪力墙的布置会显著的改变整个结构的刚度布置。剪力墙的布置除了满足层间位移角外，应注意控制结构扭转指标。框架筒体结构：这种结构的筒体位置由建筑专业决定，结构布置主要集中在筒体内部，剪力墙的布置原则与框剪结构相似。在平面布局上，各段剪力墙长度应比较相近，使结构各部分受力均匀。对长墙（墙长大于8m），可通过开洞分成较短的剪
22、力墙，采用跨高比6的弱连梁连接，各墙段高宽比（剪力墙总高/墙长）宜3，使剪力墙在水平荷载下的变形以弯曲为主，避免剪切破坏。关于高宽比：将剪力墙看作一根悬臂梁，在水平荷载作用下其破坏形式与剪跨比有关，当2时一般发生弯曲破坏。近似将地震作用认为沿高度成倒三角形分布，最大值为q，剪力墙高度为H。底部剪力和弯矩为V=qH/2，M=V*2H/3剪跨比=M/V*hw=2H/3hw，其中hw为墙长。若2，有H/hw3。因此各墙段高宽比3时，剪力墙以弯曲变形为主，延性较好，此种墙体通俗地称为高墙，高宽比L0hEct3/10L02 kN/m作用于墙顶组合的等效竖向均布荷载设计值取以下两种计算的较大值：不考虑地震
23、作用时，经比较，恒荷载起控制作用，按荷规3.2.3条，N恒+（活+风）+（+）19540 kN考虑地震作用时，按高规5.6.3条，N（恒+活）+地+风（11000+）+ kN19540 kN 取qN/hw 21372/3288 kN/m8bf，则形成（单侧）翼墙。图十三中约束边缘构件的长度Lc按表八确定，新的抗规Lc与剪力墙轴压比有关。表八约束边缘构件的最小长度Lc一级（9度）一级（7、8度）二、三级Lc（暗柱）Lc（其他）说明：（1）表中“其他”是指暗柱以外的边缘构件，包括转角墙柱、翼墙柱、端柱。砼规范列入转角柱，抗规及高规未列入。从翼墙对剪力墙约束的角度来理解，转角墙显然可以起到类似的作用
24、。翼墙对剪力墙的作用，类似楼板对梁的作用。（2） 是剪力墙轴压比。（3） Lc应不小于墙厚及400。对翼墙柱、端柱，尚且分别不应小于翼墙厚度加300、端柱边长加300，详图十三中青色数字部分。（4） 图九b）中翼墙柱，当翼墙长度hf3bf时，按暗柱一栏查表。图九c）中端柱，当任一边长bc或hc 2bw时，按暗柱一栏查表。翼墙或端柱尺寸过小时，说明刚度太小，无法对剪力墙端部形成有效约束，因此按无翼墙或无端柱查表。3. 边缘暗柱（AZ）。边缘暗柱纵筋取值比较简单，直接按计算结果配置即可，但要注意当计算结果较大时，SATWE会提示超筋。出现这种情况是由于SATWE默认边缘暗柱的阴影区长度取规范的最小
25、值并按5%控制配筋率。实际长度可以大于规范取值，避免超筋现象。4. 转角墙柱（JZ）。转角墙柱是两个方向剪力墙端部相交的部分，需要抵抗两个方向剪力墙的弯矩，其纵筋取两个方向计算值的较大者，配筋过大可按satwe提供的组合构件减小配筋。图十四转角墙柱纵筋面积为16x3806080mm2，满足图十一计算值57cm2的要求。图十四转角墙柱（JZ）5. 翼墙柱（YZ）。翼墙柱是一个方向剪力墙端部与另一方向剪力墙中部相交的部分，受弯构件中性轴处的正应力几乎为零，因此翼墙柱只需要抵抗一个方向剪力墙的弯矩，其纵筋取腹板方向剪力墙的计算值。图十五翼墙柱纵筋面积为12x1131356mm2，满足图十一计算值12
26、cm2的要求。图十五翼墙柱（YZ）6. 边缘端柱（DZ）。首先端柱要满足按框架柱计算的纵筋，同时整个边缘构件要满足按剪力墙计算的端部纵筋。图十一中框柱部分的纵筋计算结果为X侧面积42 cm2和Y侧面积58 cm2。图十六边缘构件的框架柱部分X、Y两侧分别配筋 6D32和 8D32，满足框架柱计算要求。此边缘构件的纵筋总面积为192 cm2，满足剪力墙计算结果 59 cm2的要求。图十六边缘端柱（DZ）7. 约束边缘构件和构造边缘构件。剪力墙轴压比较大时，为提高其延性，需要将边缘构件的范围加大，配筋加强，其箍筋要根据轴压比计算确定，这种边缘构件称为约束边缘构件。剪力墙轴压比较小时，可采用构造边缘
27、构件，箍筋按构造设置。对于四级剪力墙，以及墙肢底部轴压比不超过表九的一、二、三级普通剪力墙（相对框支结构剪力墙而言），墙端可设置构造边缘构件。框支结构的剪力墙以及墙肢底部轴压比大于下表的一、二、三级普通剪力墙，应在底部加强部位及相邻上一层设置约束边缘构件。表九剪力墙设置构造边缘构件的最大轴压比抗震等级一级（9度）一级（7、8度）二、三级轴压比8. 最小配筋率及构造要求如同受弯梁的纵筋要求最小配筋率一样，剪力墙端部纵筋也有最小钢筋用量要求，如表十。表十边缘构件纵筋最小配筋抗震等级底部加强部位其他部位约束边缘构件构造边缘构件一，8d16，6d16（），6d14二，6d16，6d14（），6d12三，6d14，6d12，4d12四不要求，4d12（），4d12注：（1）Ac为图十二、图十三中阴影区域面积。 （2）括号内数值用于较重要的高层建筑剪力墙，包括复杂高层建筑、混合结构、框剪结构、筒体结构以及B级高度剪力墙结构中的剪力墙，详高规7.2.174条。 （3）按砼规范11.7.16条，表中数值仅控制钢筋面积，不控制钢筋直径。如，6d16表示钢筋面积取
