框架梁-柱与节点的抗震设计
浅析框架梁、柱节点域抗剪超限的原理及解决方法
浅析框架梁、柱节点域抗剪超限的原理及解决方法作者：何然来源：《教育教学论坛》 2013年第26期何然（湖北工程学院城市建设学院，湖北孝感432100）摘要：新版《建筑抗震设计规范》GB5001-2010，加强了框架结构节点核心区截面抗震验算，自其实施以来，在PKPM（2010版）软件抗震验算过程中，尤其是高抗震设防烈度区，出现梁、柱节点域抗剪超限的问题时有发生，本文将结合个人在实际工程中做结构设计时的计算实例，与大家分享经验，浅析梁柱节点域抗剪超限的原理及解决方法，主要内容包括框架梁、柱节点域抗剪超限的含义解读；《建筑抗震设计规范》中关于节点核心区组合的剪力设计值的计算原理；《混凝土结构设计规范》GB50010-2010，框架梁、柱节点核心区的受剪承载力验算；以及个人在中国石油内蒙古销售公司八拜油库改扩建项目，综合办公楼结构设计中框架梁柱节点域抗剪超限解决的计算实例。
关键词：节点域抗剪超限；节点核心区；节点抗震验算；建筑抗震设计中图分类号：G642.1 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）26-0174-02一、框架梁、柱节点域抗剪超限的含义框架梁、柱节点域抗剪超限是指其节点核心区组合的剪力设计值超过规范限制，即。
如果说“强柱弱梁，强剪弱弯”是提高结构变形能力的设计精髓，那么节点核心区截面抗震受剪承载力验算就是实现“强节点弱构件”的关键，也是建筑结构抗倒塌能力的关键。
节点域内抗剪设计不足，遇到地震时会造成剪切破坏，属于脆性破坏，无征兆，致使建筑物瞬间垮塌。
新版《建筑抗震设计规范》GB50011-2010也增加了三级框架节点核心区抗震验算的规定。
查阅《建筑抗震设计规范》、《混凝土结构设计规范》，两者对节点核心区抗震验算规定基本相同，但后者对计算公式符号定义较前者详细，且式中较前者多了βc；前者较后者单给出了扁梁框架的梁柱节点规定，后者较前者明确规定了框架节点区的锚固和搭接要求。
强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件
结构设计中，为了达到“小震不坏、中震可修、大震不倒”的设防要求，我们需要从多方面对工程设计进行把控，其中“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件”是框架部分抗震设计应遵守的重要原则。
考虑到钢筋混凝土框架由于自身特性，它的抗地震倒塌能力与其破坏机制密切相关，故根据上述原则，我们期望当大震作用时框架能够按如下方式发生破坏：1)梁先于柱破坏。
梁的破坏是构件破坏，属于局部性的破坏，而竖向构件的破坏会危及整体结构的安全性，造成结构倒塌，故柱比梁重要，最先保证柱的安全；2)保证构件的抗剪能力应好于抗弯能力。
“剪切破坏”是一种脆性破坏，没有预兆，瞬时发生；“弯曲破坏”是延性破坏，是有所预兆的，工程中我们需要避免发生剪切破坏，在弯曲破坏之前不发生剪切破坏；3)节点的承载力应高于连接的构件，如果节点发生破坏则意味着与之连接的梁柱均失效。
然而，现实中的效果并非如预期设想。
以汶川地震为例，震害现场调查发现：柱剪切破坏严重，梁柱节点区破坏严重；框架柱上下端出现塑性铰，我们几乎没有看到设计规范所要求的强柱弱梁破坏机制的出现，典型震害现场如下图：造成这种问题的因素很多，例如设计计算的缺陷、抗震构造的不合理和理论研究的滞后等，本文将结合规范，分析其计算方法及影响因素，并详细介绍如何体现“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件”设计。
规范规定1强柱弱梁的相关规定《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）（以下简称《抗震规范》）第条：一、二、三、四级框架的梁柱节点处，除框架顶层和柱轴压比小于者及框支梁与框支柱的节点外，柱端组合的弯矩设计值应符合下式要求：一级的框架结构和9度的一级框架可不符合上式要求，但应符合下式要求：当反弯点不在柱的层高范围内时，柱端截面组合的弯矩设计值可乘以上述柱端弯矩增大系数。
同理《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）（以下简称《高规》）、、条、《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）（以下简称《混凝土规范》）条。
水平地震作用下框架结构的内力计算抗震设计
2 抗震设计（水平地震作用下框架结构的内力计算）抗震计算单元及动力计算简图取整个衡宇或抗震缝区段（设防震缝时）为计算单元，动力计算简图为串联多自由度体系。
即将各楼层重力荷载代表值集中于每一层楼盖或屋盖标高处。
多自由度体系的抗震计算可采用振型分解反映谱法和底部剪力法。
本工程总高不超过40m，以剪切变形为主，且质量和刚度沿高度散布比较均匀，近似于单质点体系，故采用底部剪力法。
此法是先计算出作用于结构的总水平地震作用，然后将其按必然规律分派给各质点。
计算简图2—1 如下示：图2—1重力荷载代表值按照抗震规范1.0.2 抗震设防烈度为6度及以上地域的建筑，必须进行抗震设计。
按照抗震规范5.1.3 计算地震作用时，建筑的重力荷载代表值应取结构和构配件自重标准值和各可变荷载组合值之和。
各可变荷载的组合值系数，应按表2—1采用。
组合值系数重力荷载代表值计算：1）屋面及楼面的永久荷载标准值1．屋面（上人）苏J01—2005：a. 10厚防滑地砖铺面，干水泥擦缝，每3—6m留10宽缝m2b. 20厚1:水泥砂浆加建筑胶结合层找平层20×= kN/m2厚C20细石混凝土，内配Φ4＠150双向钢筋25×= kN/m2d.隔离层/e. 三粘四油沥青油毡防水层m2f. 冷底子油一道/g. 20厚1:3水泥砂浆找平层20×= kN/m2h.保温层5×= kN/m2厚1:3水泥砂浆找平层20×= kN/m2j.现浇或预制钢筋混凝土屋面25×= kN/m2 合计kN/m2 2．1~4层楼面苏J01—2005a. 15厚1:2白水泥白石子磨光打蜡kN/m2b.耍素水泥浆结合层一道/c. 20厚1:3水泥砂浆找平层20×= kN/m2d.现浇钢筋混凝土楼面25×= kN/m2合计kN/m2 2）屋面及楼面的可变荷载标准值上人屋面均布荷载标准值kN/m2 楼面活荷载标准值kN/m2 屋面雪荷载标准值S k=μr×S o=×= kN/m2式中：μr为屋面积雪散布系数，取μr=3）梁、柱、墙、窗、门重力荷载计算：a．梁、柱可按照截面尺寸、材料容重及粉刷等计算出的单位长度上的重力荷载;对墙、门、窗等可计算出单位面积上的重力荷载，计算结构如表2—2梁、柱重力荷载标准值表b．墙、门、窗重力荷载标准值：外墙体为200mm厚的粘土空心砖，外墙面贴马赛克（kN/m2）,内墙面为20mm厚的抹灰，则外墙的单位墙面重力荷载为：＋15×＋17×= kN/m2内墙为200mm厚的粘土空心砖，双侧均为20mm厚抹灰，则内墙单位面积重力荷载为：15×＋17××2= kN/m2电梯井墙为240mm粘土空心砖，双侧均为20mm厚抹灰，则电梯井墙单位面积重力荷载为：15×＋17××2= kN/m2木门单位墙面重力荷载为kN/m2，钢铁门单位墙面重力荷载为kN/m2铝合金单位墙面重力荷载为kN/m2门、窗、雨棚重力荷载代表值：一层门窗：×(2××2＋××2＋××3＋××1＋××2)＋×××13＋××1＋××2＋××2＋××3＋××2) ＋×××2)=二~四层门窗：×××2＋××3)＋×××16＋××2＋××2＋××2＋××3＋××2)= kN五层门窗：×××2＋×＋×××3＋××2)= kNA轴的雨蓬：25×(2××＋×××3＋×××2= kN9轴雨蓬：25×××= kN五层雨蓬：25×××3= kN楼梯重力荷载代表值：一层：25××××2＋25×××＋25××××10＋25×××9×2= kN二~四层：25××××2＋25×××12＋25×××12= kN外墙的重力荷载代表值：一层：×[(59×2－×11×2－×14)×＋－×4)×＋－×4)×－××13－××1－××2－××2－××3－××2－××2－2××2－××1－××2－×]=二~四层：×[(59×2－×11×2－×14)×＋－×4)×＋－×4)×－××16－××2－××2－××2－××3－××2]= kN五层(包括女儿墙)：×[×4＋×2) ×＋4××＋××1－××2－××3－××3]＋25×[＋59＋9＋9+－－×2)×2＋－－×2)×5]××＋25×[4×4＋×4＋9×2]××=内墙的重力荷载代表值：一层：×[(4×2＋×2)×＋+×－×＋＋＋＋×－×－×＋4×3×－××2]= kN二~四层：×[＋＋＋×＋4×3×－××3－×＋×＋×－×]= kN五层：×4×=电梯井墙重力荷载代表值：一层：×[＋－×＋(4＋×]= kN二~四层：×[＋－×＋(4＋×]= kN屋顶装饰架重力荷载代表值：25××5+×2)××= kN总的重力荷载代表值：恒荷载取全数，活荷载取50%（按均布等效荷载计算），则集中于各楼层的标高出的重力荷载代表值为：G i的计算进程：一层：×(59×－×4×2－4×＋＋＋＋＋＋＋＋＋×4×59×= kN二~三层：×(59×－4××2－4×＋＋＋＋＋＋＋×4×59×= kN四层：×9×4＋＋＋＋＋＋＋×(59×－×4×2－9×4)＋×4×(9×4＋×4×2)＋××(59×－×4×2－9×4)= kN五层：××4×2＋9×4)＋＋＋＋＋＋＋××(9×4＋×4×2)= kN 故G1=G2= kNG3= kNG4= kNG5=图2—2如下：G5=3124.87kNG4=18184.16kNG1=17311.22kNG2=17311.22kNG5=18568.35kN图2—2 各质点的重力荷载代表值框架侧移刚度计算梁线刚度：i b=E c I b/l，I b=（中框架梁），I b=（边框架梁）。
《建筑抗震设计规范》GB50011-2010
武汉大学土木建筑工程学院
抗震规范RC结构 条文的主要变化情况
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混凝土结构新规定的主要内容
1 条文变化简况 2 适用高度和抗震等级 3 框架结构抗震设计 4 抗震墙结构抗震设计 5 框架和墙体组成结构抗震设计 6 预应力砼结构抗震设计（略）
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4. 明确区分框架与抗震墙组成的结构：少框架属于 抗震墙结构范畴；少墙体属于框架结构范畴；一般 的框架抗震墙结构，墙体分配的倾覆力矩≥ 50%总 地震倾覆力矩。
5. 提高框架-筒体结构的多道防线:其框架按刚度分 配的最大楼层地震剪力不宜小于10%结构总地震剪 力；否则，框架承担15%总地震剪力并加强筒体地 震作用和构造。
本次修订增加了楼梯间的抗震设计要求。对于框架结构， 楼梯构件与主体结构整浇时，梯板起到斜支撑的作用，对结 构的刚度、承载力、规则性的影响比较大，应参与抗震计算； 当采取措施，如梯板滑动支承于平台板，楼梯构件对结构刚 度等的影响比较小，是否参与整体计算差别不大。对于楼梯 间设置刚度足够大的抗震墙的结构，楼梯构件对结构刚度等 的影响较小，也可不参与整体抗震计算。
结构
核心筒(内筒)
板柱-抗震
高度
墙结构
框架,板柱的柱
抗震墙
≤24m 三(二)
>24m 二
≤24 25~60
四
三
>60m 二
三
二
≤24 25~80
四
三
>80m 二
三(四) 二(三) 二
一(二) 一
二
二
≤35m 二
>35m 二
二
一
抗震结构设计(抗震验算)
ue (i) Ve (i) / Ki
ue (i) ---第i层的层间位移；
Ki ---第i层的侧移刚度； Ve (i) ---第i层的水平地震剪力标准值。
多遇地震作用下，楼层内最大弹性层间位移应符合下式（5.5.1条）
ue [e ]h ue ---多遇地震作用标准值产生的楼层内最大的弹性层间位移；
三、结构在罕遇地震作用下薄弱层（部位）弹塑性变 形的简化计算(5.5.3条、5.5.4条)
规范规定（5.5.3条）的弹塑性变形计算方法： 1）不超过12层且层刚度无突变的钢筋混凝土框架和
框排架结构，以及单层钢筋混凝土柱厂房，可采用5.5.4 条规定的简化计算方法；
2）第1）条以外的其它结构，可采用静力弹塑性分析 方法或弹塑性时程分析法等。
Ve ---按罕遇地震作用标准值计算的楼层弹性地震剪力。
V y 的计算：
Vy
Vcyj
j
j
M
上 cj
M
下 cj
hj
Mc上j 、Mc下j ---分别为楼层屈服时柱j上、下端弯矩； h j ---为楼层柱j的净高。
M
c上j 、M
下 cj
的计算：
M
c上j 、M
下 cj
的计算：
1）强梁弱柱型节点：柱端屈服
2、重力、重力荷载代表值、等效重力荷载 3、结构的基本周期计算有那些方法？ 4、抗震设计时，
1）引起结构产生扭转的原因主要有哪些？ 2）规则结构如何考虑扭转效应的影响？ 3）需要进行扭转计算的结构： j振型时第i层质心处的水平地震作用标准值计算公式Fxji(Fyji、Ftji)； 考虑单向水平地震作用时，结构的地震作用效应（扭转效应）Sx(Sy)的计算方 法；
4.3 混凝土框架结构的抗震设计
横向框架承重
纵向框架承重
杆件——用轴线表示
4、框架结构受力特点
计算简图 框架结构（空间体系）
纵向平面框架 横向平面框架
节点——刚接节点
层高 底层柱：基础顶面到一层梁顶
其它层柱：各层梁顶之间距离
跨度——柱轴线间距
横向平面框架
纵向平面框架
4、框架结构受力特点
框架在荷载作用下的内力
内力近似计算方法
分层法
2. 框架基础梁
框架单独柱基有下列情况之一时，宜沿两个
主轴方向设置基础系梁： 1 一级框架和IV类场地的二级框架； 2 各柱基承受的重力荷载代表值差别较大； 3 基础埋置较深，或各基础埋置深度差别较 大； 4 地基主要受力层范围内存在软弱粘性土层、 液化土层和严重不均匀土层； 5 桩基承台之间。
4.3.4
框架结构的内力计算
横向框架承重：横向刚度大、有利于抵抗横向水平 荷载，纵向连系梁较小，利于房屋 采光、通风。
承 重 框 架 布 置
纵向框架承重：横向连系梁较小，利于设备管线 穿行，开间布置灵活，但横向刚 度差。 纵横向混合承重：纵横向梁截面均较大(刚度大)， 纵横向混合承重（预制板、现浇板） 纵横向混合承重（井式楼盖） 整体性能好，采用较多。
竖向荷载作用下分层计算示意图
分层法计算要点
（1）将多层框架沿高度分成若干单层无侧移的敞口框架，每个敞口
框架包括本层梁和与之相连的上、下层柱。梁上作用的荷载、各层柱高及
梁跨度均与原结构相同。
（2）除底层柱的下端外，其他各柱的柱端应为弹性约束。为便于计算，
均将其处理为固定端。这样将使柱的弯曲变形有所减小，为消除这种影响，
2.框架柱
框架柱的截面尺寸宜符合下列要求： 1、柱的截面宽度和高度均不宜小于300mm；圆柱的截面直径 不宜小于350mm； 2、柱的剪跨比宜大于2； 3、柱截面高度与宽度的比值不宜大于3。
多、高层钢筋砼房屋的抗震规定
多、高层钢筋砼房屋的抗震规定一、震害及其分析（一）、钢筋砼框架房屋的震害钢筋砼框架房屋是我国工业与民用建筑较常用的结构形式，层数一般在10层以下，多数为5～6层。
震害调查表明，框架结构震害的严重部位多发生在框架梁柱节点和填充墙处。
1、框架梁、柱节点的震害未经抗震设计的框架的震害主要反映在梁柱节点区。
一般是柱的震害重于梁；柱顶的震害重于柱底；角柱的震害重于内柱，短柱的震害重于一般柱。
具体情况如下：1）柱顶地震作用后，柱顶周围出现水平裂缝、斜裂缝或交叉裂缝，重者砼压碎崩落，柱内箍筋拉脱，纵筋压屈呈灯笼状，上部梁板倾斜。
主要原因是节点处柱端的弯矩、剪力、轴力都比较大，柱头箍筋配置不足或锚固不好，在弯、剪、压共同作用下先使柱头保护层剥落，箍筋失效，而后纵筋压屈。
这种现象在高烈度区较为普遍，很难修复。
2）柱底柱底常见的震害是在离地面10～40㎝处有周围水平裂缝，虽受力情况与柱顶相同，但由于纵筋一般在此搭接，《砼结构设计规范》要求钢筋搭接区箍筋要加密，在客观上起到了抗震措施的作用，故震害轻于柱顶。
3）施工缝处地震发生后，柱的施工缝处常有一圈水平缝，其主要原因是砼的结合面处理不好所致。
4）短柱当框架中有错层、夹层或有半高的填充墙时，或不适当的设置了某些连系梁时，容易形成短柱（柱子的净高不大于柱截面长边的4倍）。
短柱的刚度大，能吸收较多的地震能量，但短柱在剪力作用下常发生剪切破坏，形成交叉裂缝甚至脆断。
5）角柱在地震作用下房屋不可避免的要发生扭转，而角柱所受扭转剪力最大，同时角柱又受双向弯矩作用，而此处横梁的约束作用又小，所以震害重于内柱。
6）梁端地震发生后，往往在梁的两端，即节点附近产生周围的竖向裂缝或斜裂缝。
这是因为在地震的往复作用下，梁端产生较大的变号弯矩，当地震作用效应超过砼的抗拉强度时，便产生周圈裂缝。
7）梁柱节点在地震的往复作用和重力荷载作用下，节点核心区砼处于剪压复合应力状态。
当节点区箍筋不足时，在剪压作用下，节点核心区砼将出现交叉斜向贯通裂缝甚至挤压破碎。
梁柱节点的设计
钢结构梁柱节点设计探讨1.常用的刚性连接节点常用的刚性连接的形式有全焊接节点、栓焊混合节点和全栓接节点。
1.1、全焊接节点：梁的上下翼缘采用坡口对接焊缝，梁腹板用角焊缝与柱翼缘连接。
2、栓焊混合节点：梁的上下翼缘采用坡口对接焊缝，梁腹板与焊接在柱翼缘上的连接板采用高强螺栓连接。
3、全栓接节点：梁的上下翼缘采用T形或角钢连接件与柱通过高强螺栓连接。
规范中关于这块的相关条文：《钢结构设计标准》GB50017-2017中12.3.1条“梁柱连接节点可采用栓焊混合连接、螺栓连接、焊接连接、端板连接、顶底角钢连接等构造。
”《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ99-2015中8.1.1条“1、梁与H形柱(绕强轴)刚性连接以及梁与箱形柱或圆管柱刚性连接时，弯矩由梁翼缘和腹板受弯区的连接承受，剪力由腹板受剪区的连接承受。
2、梁与柱的连接宜采用翼缘焊接和腹板高强度螺栓连接的形式，也可采用全焊接连接。
一、二级时梁与柱宜采用加强型连接或骨式连接。
3、梁腹板用高强度螺栓连接时，应先确定腹板受弯区的高度，并应对设置于连接板上的螺栓进行合理布置，再分别计算腹板连接的受弯承载力和受剪承载力。
”2.连接节点的计算原则：规范中关于这块的相关条文：《建筑抗震设计规范》GB50011-2010中8.2.1条“钢结构应按本节规定调整地震作用效应，其层间变形应符合本规范第5.5节的有关规定。
构件截面和连接抗震验算时，非抗震的承载力设计值应除以本规范规定承载力抗震调整系数”、8.2.8条“1.钢结构抗侧力构件连接的承载力设计值，不应小于相连构件的承载力。
2.钢结构抗侧力构件连接的极限承载力应大于相连构件的屈服承载力。
”《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ99-2015中8.1.1条“高层民用建筑钢结构的连接，非抗震设计的结构应按现行国家标准《钢结构设计规范》GB 50017的有关规定执行。
抗震设计时，构件按多遇地震作用下内力组合设计值选择截面；连接设计应符合构造措施要求，按弹塑性设计，连接的极限承载力应大于构件的全塑性承载力。