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6.5 Ductile Design of Concrete Frame Structure

6.5.1 Ductility Design Philosophy

The seismic design philosophy relies on providing sufficient ductility to the structure by which the structure can dissipate seismic energy.A reinforced concrete structure with sufficient ductility has the following advantages:

(a)A ductile reinforced concrete structure may take care of overloading,load reversals,impact and secondary stresses due to differential settlement of foundation.

(b)A ductile reinforced concrete structure gives the occupant sufficient time to vacate the structure by showing large deformation before its final collapse.Accordingly,the loss of life is minimized with the provision of sufficient ductility.

(c)Properly designed ductile joints are capable of resisting forces and deformations at the yielding of reinforcement.Therefore,these sections can reach their respective moment capacities,which is one of the assumptions in the design of reinforced concrete structures by limit state method.

The ductile design of reinforced concrete members should ensure both strength and ductility.Strength of members can be assured by proper design of sections following limit state method.To achieve an appropriate degree of ductility,the following failure mode are expected:(a)Brittle failure modes should be suppressed;and (b)beams fail before columns.

Flexural yielding of bending members is ductile.Shear failure is brittle and should be avoided under seismic loading.To prevent shear failure occurring before bending failure it is good practice to design so that the flexural steel in a member yields while the shear reinforcement is working at a stress less than yield (say 90％).

The structural ductility is achieved in the form of inelastic rotations in reinforced concrete members.The inelastic rotations spread over definite regions called as plastic hinges.During inelastic deformations,the actual material properties are beyond elastic range and hence damages in these regions are obvious.The plastic hinges are “expected” locations where the structural damage can be allowed to occur due to inelastic actions involving large deformations.Hence,in seismic design,the damages in the form of plastic hinges are accepted to be formed in beams rather than in columns as shown in Figure 6.18.Mechanism with beam yielding is characteristic of strong-column-weak-beam behavior in which the imposed inelastic rotational demands can be achieved reasonably well through proper detailing practice in beams.

Therefore,in this mode of behavior ,it is possible for the structure to attain the desired inelastic response and ductility .On the other hand ,if plastic hinges are allowed to form in columns,the inelastic rotational demands imposed are very high that it is very difficult to be catered with any possible detailing.The mechanism with such a feature is called column yielding or storey mechanism.

One of the basic requirements of design is that the columns above and below the joint should have sufficient flexural strength when the adjoining beams develop flexural over-strength at their plastic hinges.This column to beam flexural strength ratio is an important parameter to ensure that possible hinging occurs in beams rather than in columns.

The moment capacities of beams and columns are such that the column moments oppose the beam moments as shown in Figure 6.19.To obtain a strong-column-weak-beam design,GB50011-2001 requires that the design flexural strength of the columns framing into a joint exceed the design flexural strength of the beams framing into the joint.Therefore sum;M_column=eta;_csum;_beam where,

sum;M_column=sum of moments at joint faces corresponding to design flexural strength of columns framing into joint

sum;M_beam=sum of moments of beams framing into joint

eta;c=column to beam flexural strength ratio,taken as 1.2 for Grade 2,and taken as 1.1 for Grade 3.The sum of moment capacity of the lower end of column at the first storey of Grade 1,2and 3 shall be multiplied by an amplifying of 1.5,1.25 and 1.15.

6.5.2 Ductility Detailing6.5.2 Ductility Detailing

For ensuring ductility ,specific recommendations are to be followed regarding the materials,dimensions,minimum and maximum percentages of reinforcement.

1 Frame Beams

For ensuring ductility ,specific recommendations are to be followed regarding the materials,dimensions,minimum and maximum percentages of reinforcement.

1 Frame Beams

Beams in frames must have a clear span-to-effective depth ratio of at least 4,a width-to-depth ratio of at least 0.25 ,and a web width of not less than 200mm.The minimum clear span-to-effective depth ratio helps ensure that flexural rather than shear strength dominates member behavior under inelastic load reversals.Minimum wed dimensions help provide adequate confinement for the concrete ,whereas the width of beam relative to the column is limited to provide adequate moment transfer between beams and columns.

In accordance with seismic design code GB50011-2001,both top and bottom minimum flexural steel is required.The minimum tension reinforcement ratio should not be less than that given by Table 6.6.1,with a minimum of two reinforcing bars ,top and bottom ,through out the member.In addition,the positive to negative moment resistance ratio shall not be less than 0.5 for frames assigned to Grade 1 and 0.3 for frames assigned Grade 2 or 3,nor be less than the calculated necessary ratio.Neither the negative nor the positive moment resistance at any section along the member length shall be less than one-quarter of the maximum moment resistance provided at the face of either end joint.These criteria are designed to provide for ductile behavior throughout the member ,although the minimum of two r

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6.5混凝土框架结构的延性设计

6.5.1延性设计理念

抗震设计理念依赖于为结构提供足够的延性，使结构可以消散地震能量。具有足够延性的钢筋混凝土结构的优点如下：

（a）延性钢筋混凝土结构可能会因地基不均匀沉降而引起超载、荷载反向、冲击和二次应力。

（b）延性钢筋混凝土结构在最终倒塌前显示大变形，使居住者有足够的时间撤出建筑物。总的来说，在具有足够的延展性的前提下，使生命的损失最小化。

（c）适当设计的韧性节点能够在钢筋屈服时抵抗力和变形，因此，这些部分可以达到各自的弯矩能力，这是通过极限状态法设计钢筋混凝土结构的假设之一。

钢筋混凝土构件的延性设计应同时保证强度和延性，对钢筋混凝土的部分构件通过合理的极限状态法设计可以保证构件的强度。为了达到合适的延性程度，有以下的失效模式：（a）脆性失效模式应该被抑制；（b）墙柱弱梁。

受弯构件的弯曲屈服是延性的，剪切破坏是脆性的，在地震荷载作用下应该避免发生。防止弯曲破坏前发生剪切破坏之前，是一种很好的方法使构件中的受弯钢筋屈服而剪切钢筋的应力小于屈服应力（如90%）。

结构延性以钢筋混凝土构件的非弹性转动形式实现，非弹性转动在一定范围内转动，被称为塑性铰。在非弹性变形中，实际材料性质超出弹性范围，因此在这些区域的损害是显而易见的。塑性铰是“预期”的位置，在这些位置由于大变形的非弹性作用,可以允许结构发生损伤，因此，在抗震设计中，塑性铰形式的损伤在梁中形成是可接受的，而不能在柱中产生，如图6.18所示。梁屈服的机制是强柱弱梁行为的特点，其中施加的非弹性转动的要求，可以通过梁中合理的细部构件设计实现。

因此，在这种受力模式下，结构有可能达到理想的非弹性响应和延性。另一方面，如果允许塑性铰在柱中形成，则塑性转动的要求是非常高的，而且很难符合细部设计的要求。拥有这一特征的机制称为柱屈服或层机制。

设计的基本要求之一是，当相邻的梁在其塑性区域达到极限抗弯强度时，塑性铰的上方和下方的柱应具有足够的抗弯强度，这种柱梁抗弯强度比是保证可能的塑性铰发生在梁中而不是柱中的一个重要参数。

梁、柱的弯矩承载力正如图6.19所示，是呈相反方向的。为了达到“强柱弱梁”的设计，规范GB50011-2001要求,同一个节点上的框架柱的设计抗弯强度应大于框架梁的设计抗弯强度。因此，sum;M_柱=eta;_csum;_梁 ，且sum;M_柱=有关框架柱在节点锚固的设计抗弯强度的节点上的弯矩之和，sum;M_梁=有关框架梁在节点锚固的设计抗弯强度的节点上的弯矩之和，eta;c=梁柱抗弯强度比，一级取1.4，二级取1.2，三级取1.1。当处于1,、2、3级时，首层柱的下端弯矩承载力之和应分别乘以一个放大系数，即1.5, 1.25和1.15。

6.5.2延性详图

为了确保延性，应遵循有关材料，尺寸，加固的最小和最大百分比的具体建议。

1、框架梁

梁在框架中必须应有一个明确的高跨比至少为4，宽高比至少为0.25，以及宽度不小于200mm的腹板。最小净高跨比率有助于确保在非弹性反向荷载的作用下，是抗弯强度而不是剪切强度占主导地位。最小的腹板宽度尺寸有助于为混凝土提供足够的限制，然而与柱相关的梁的宽度是有限制的，以提供足够的梁和柱之间的弯矩传递。

在抗震设计规范GB50011-2001规定，顶部和底部最小弯曲钢筋所需的最小配筋率是有限制的。最小抗拉钢筋配筋率比不应小于表6.6.1中所给的值，通过构件顶面与下部的通长钢筋应不小于两根。此外，1级框架的正、负弯矩抵抗率不得低于0.5，2级或3级框架的正、负弯矩抵抗率不得低于0.3，且不能低于计算必须的比例。沿构件长度的任何部分，无论是正抵抗弯矩还是负抵抗弯矩都应小于被提供在节点任意一端的最大抵抗弯矩的1/4。这些标准旨在为整个构件提供韧性，尽管布置于顶部和底部的两根最小的钢筋是按原则性的基于建造要求的。0.025的最大配筋率将限制钢拥堵问题，确保构件的尺寸以抵抗由构件的抗弯能力控制的剪力。

为了获得延性性能，搭接的位置是有限的，他们也许不会在节点内部搭接，在横向钢筋紧密布置的梁内搭接。接头必须由弯起钢筋活箍筋包围，其最大直径为100mm或为直径较小的拼接钢筋的5倍。焊接和机械连接可以使用，只要他们不在横向钢筋紧密布置的区域使用。

在抵抗地震力的框架中，整个横梁都需要横向钢筋加固。以弯勾形式紧密布置的横向钢筋必须布置一定的长度，从节点面开始到跨中，在梁的两端布置。这些箍的目的是防止在塑性铰区域的顶部和底部的压缩区的纵向钢筋的屈曲钢筋可以承受屈服于由于反向循环弯曲引起的拉伸和压缩。钢筋在压力下开裂和随后在张拉应力下屈服通常破裂。紧密间隔的横向钢筋的长度内，最大的箍箍筋间距和最小直径应按表6.6.2取值；当梁端的张应力比大于2%时，箍筋的表中列出的最小直径应增大2mm。

2、框架柱

为确保施工和足够的约束混凝土，抗震设计规范GB50011-2001要求柱框架（一）最小截面尺寸至少为300mm，（b）最大截面尺寸与垂直尺寸之比不大于3，及（c）剪跨比不大于2。

设计荷载效应引起的柱轴压应不超过nfcAc，一级框架n取0.7，二级框架n取0.8，三级框架n取0.9。

基于毛截面的柱配筋率不得超过0.05。焊接接头和机械连接在柱内必须满足框架梁指定相同的要求，而搭接接头必须为张力而设计且只允许在中心柱的一半。

GB-50011-2001指定了使用最小横向钢筋在每个节点面的紧密布置的横向钢筋的长度，最大间距和最小直径钢筋应符合表6.6.3.加密区的长度不小于（一）柱的最大的截面尺寸，（B）1/6柱高度，或（c）500mm。对于抗震等级为一级和二级的角柱，剪跨比不大于4，箍筋应沿整个柱高加密布置。

3、接头详图

（1）约束及横向节点加固

梁柱节点的成功性能在很大程度上取决于节点的侧向约束，约束有三个好处：（a）核心混凝土加固和应变能力得到改进，（b）垂直柱杆防止向外屈曲，并且（c）在循环荷载作用下，它的结构完整性也得到了保证。

当试图实现框架结构的高延性时,由于钢筋加拥堵而产生问题。梁柱节点的细部构件承受较强的循环荷载仍然是一个困难的问题，通常，关节周围的约束是由箍。在框架节点核心区箍筋的最大间距和最小直径应按表6.6.3采取。

（2）锚固与梁加固的发展

对于内部节点，通常情况下，梁内的弯曲的钢筋在进入节点的一面是连续通过接头，而成为弯曲钢的使梁进入反面。因此，对于加载节点，拔出是不可能的。然而，对于外部或角接接头，其中一个或更多的梁在节点之外不连续，存在一个钢筋锚固问题。梁的钢筋屈服强度发展的关键部位是在柱的表面，柱尺寸很少允许钢通过直杆进入接头嵌入节点。如果钢筋进入节点需要在其表面发展其强度Asfy，它应该有90度弯钩伸向和超过接头的中间长度。

在中间层的节点中，考虑抗震等级为一级或二级，节点梁的底部钢筋的发展长度不应小于 l_aE ，超越柱的中间长度的长度延伸不应小于5d（如图6.20所示）。

在框架顶层的外部节点中，柱的纵向钢筋应延伸到柱的顶部，从梁底缘开始的锚固长度应不少于1.5 l_aE.。当直线段的锚固长度不足时，这些纵向钢筋在延伸至立柱顶部后，可向内弯曲。与梁顶钢筋搭接，搭接长度不应小于12d。弯曲前的垂直部分的锚固长度不应小于15d。

在框架的中间层外部接头,锚固长度不应小于 l_aE。当水平段锚固长度不足时，梁上部钢筋应向下。水平部分钢筋在弯曲前长度不应少于0.4l_aE，且垂直部分钢筋在弯曲后长度不应小于15d，梁底钢筋锚固测量长度与梁顶的钢筋长度相同。

单词和短语

箍筋加密区

不均匀下降

强柱弱梁

第七章 砌体结构

7.1砌体性能

砌体通常使用制造的砖石单元和现场混合砂浆进行现场建造。这些单元以砂浆铺设到各种高度，组装的强度在砂浆固化期间实现。

砌体通常作为承受压缩荷载的构件，砌体墙承受水平荷载和弯矩的能力也受到限制。

7.1.1砌体材料

1砌体单元

几种不同类型的砌体单元都是常用的。常见的砌体单位类型包括粘土和混凝土单元，这可能是实心或空心的。其他砌体单元类型包括石和硅酸钙单元。

砌体单元根据不同的等级（MU）和类型分类。砌体等级取决于所需的单元的耐久性。最低等级MU10的粘土单元是必需的。冷冻循环区域是在预料之中的，应使用最低等级为MU20粘土单元。

粘土砌块主要由粘土、页岩或类似自然发生的地球物质，水和添加剂，单位可以是空心的（核心占据超过25%单位），穿孔的，或者实心的。对于大多数外墙，被划分为固体的单元能被使用。

空心混凝土砌块由波特兰水泥和骨料的混合物在受控条件下制成，空心砌块的净面积不超过总面积的百分之75,通常占百分之50到百分之55的总面积。该单元可以做成各种尺寸，但通常有尺寸为390mm长times;190mm高times;宽90mm。混凝土砌块以重量进行分类（轻质的和正常重量）。砖石结构单元是正常重量。轻质单元用于非承重条件或单向板。核心区域提供连续的垂直钢筋的空隙通常是加强的。钢棒放在核心区域，周围装有钢筋，这种墙的作用类似于钢筋混凝土构件。

石材单位应采用平铺的方形，且在地震区域不适用。

1. 砂浆

砂浆通常是由水泥，石灰和沙子，虽然石灰砂浆也可以组成，其中没有水泥使用。砂浆的成分和比例取决于所需的砂浆性质。由波特兰水泥、石灰和砂组成的砂浆是最常见的。

砂浆用于连接砌体单元，形成复合结构材料。因此，砂浆是挤压，剪切和弯曲强度的砌体组合的因素。此外，砂浆的尺寸和表面变化的砖石单元，抵制水和空气渗透通过砌体，金属联接的纽带，锚固，联合加固，使他们与砌体单位整体作用。

为了制成有效的砂浆，且其在硬化状态具有一定的密度和强度，根据实际大小通过系统划分的级配良好的砂是必须的。在允许的层次的细砂比用较粗的沙混合而成的砂浆在一定范围内将生产一个更可行的砂浆，但是，级配较好的砂制成的砂浆需要更多的水从而更可行，也因此较弱。

7.1.2力学性能

1. 抗压强度

砌体组合的抗压强度，可以通过测试被称为“棱柱”的小型砌体组合建立。为了建立了抗压强度的单位砂浆组合，最低三棱镜必须测试。棱镜可以用堆叠键或键合结构来模拟结构中使用的键合结构，但不需要棱镜中的结构加固。砌体棱柱应用相同的材料构造，接头厚度和工艺在结构中使用。

从砌体压缩试验得出了许多重要的观点。这些观点包括，首先，砌体在均匀压缩加载时将平行于负载的轴向的拉伸开裂裂缝发生破坏，如图7.1所示。拉应力导致开裂的破坏类型是由于砌体外层砂浆受约束变形引起的。其次，观察到砌体的抗压强度小于由标准压缩试验测得的普通单元抗压强度。另一方面，砌体强度可能大大超过立方体抗压强度的砂浆使用。由于单元变形的侧向约束，砂浆在砖床接头承受较高的压应力。

以通用砂浆制造的普通砌体平均抗压强度fm可以根据砌体单元的平均抗压强度f1和砂浆的抗压强度f2计算，计算如下：fm = k1f1（1 0.07f2）k2，f1既不超过20MPa，也不小于f2，常数k1和k2的值分别取决于砌体单位和砂浆强度的分类。

2、抗剪强度

在配筋砌体中，剪切荷载可以通过砌体结构承载，或者，如果砌体承载力不足，可以由钢筋承载。砌体是离散单元和砂浆的组合，所以当剪力由砌体承受，两种剪力形式存在。这些优势是沿砂浆接缝的斜拉强度和滑动剪切强度。用于确定砌体的抗剪强度的标准试验是斜拉试验和剪切滑动试验。

砌体的抗剪强度定义为在零压缩荷载下的初始抗剪强度的组合和由于垂直于剪切平面的压缩应力的强度增加。零压缩应力下的初始平均剪切强度用fco，m表示。此属性是通过测试三重试样，只有剪切应力发展的砂浆砌体单位接触面确定，至少取五个三个一组的试样进行测试。fco，m的最小可接受值为0.03MPa。普通砌体的平均剪切强度如下计算：fv，m = fco，m alpha;mu;sigma;ok其中sigma;ok是垂直于剪切平面的特征压应力，alpha;是依赖于砌体单元分类的校正因子，mu;是影响剪切与压缩荷载组合的影响系数。

抗剪荷载的砌体墙通常表现出三种失效模式，如图7.2所示。

3、砌体的抗拉强度

直接拉伸应力可能由于平面荷载作用出现在砌体中，这可能是由风荷载，偏心重力荷载，温度或水分子运动或基础运动引起。砌体的抗张强度，特别是在分层节点处的抗拉强度很低，而且是可变的，因此在结构设计中通常不依赖于它。然而，在单元体和砂浆之间必须有一些附着力。

单位砂浆粘附机理是两种材料孔隙结构的一个物理化学过程。众所周知，砂浆的级配是重要的，非常细的砂不利于粘附。在粘土砖的情况下，在平贴时砖的含水率也是很重要的：很干燥以及完全饱和的砖都会导致低的粘结强度。

4.弯曲抗拉强度

弯曲试验建立的水平砌缝的弯曲拉伸粘结强度在垂直方向由第三点或堆载试样均匀加载。

无筋砌体墙的抗弯承载力取决于在单元体之间结合的拉伸力，如图7.3b所示，取决于弯曲方向和建造的类型。弯曲引起的重叠单元之间剪切粘结应力的可能会受到剪切粘结强度或弯曲拉伸单元强度的限制。

如果一堵墙只由其底部和顶部支持，其侧向阻力将

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