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图2.1.20刚度退化滞回模型的控制参数。[2.13]
图2.1.21计算机产生的力与位移曲线-DRAIN-2DX
使用DRAIN和IDARC程序来预测在图2.1.1中描述的光束测试中观察到的行为。图2.1.21显示了当梁尖受到用于驱动测试程序的位移时,DRAIN程序预测的梁单元的滞回行为。使用IDARC程序的类似分析如图2.1.22 所示。IDARC模型更紧密地描述了模型的行为(图2.1.2),特别是在较高的变形水平下。与使用DRAIN模型分析框架有关的误差似乎很小,特别是如果不预期会发生大的后屈服变形。与使用这两个元素模型相关的含义载于参考文献2.14,并将在第四章中探讨系统的行为时进一步讨论。
2.1.2框架梁的设计
延性框架中的梁的设计是至关重要的,不仅对建筑物在设计地震作用下的生存至关重要,而且对设计过程也至关重要。
正是梁的强度,如果不加以控制,就会影响建筑物的每一个其他结构部件的设计。梁的适当设计将使设计过程顺利、高效地进行。框架梁设计不当会使支撑系统设计过程混乱、无序、痛苦、耗时。
本书导言中简要描述的动态设计过程要求每个设计决策都按其适当的顺序作出。它还要求每个设计步骤考虑它将对随后的设计决策产生的影响,以避免重新审查以前作出的设计决策。在框架梁的设计中,仔细考虑后续的影响是特别关键的。例如,加强方案必须是可以在拥挤地区完成的方案。对梁柱节点施加的应力不能超过极限状态。 太多的情况下,设计师会提出一个框架配置或框架梁,不能详细,或要求,在分析完成后,成员大小的重大变化。其后果是设计混乱或极限状态的妥协。框架梁的设计者必须向前看而不失去注意力。在本节中开发了方法,允许设计人员有效地考虑拟议设计对后续步骤的影响,并生成一个波束设计,最终将优化系统行为。
优秀的设计师将抵制过度强化混凝土的诱惑。 发展的抗拉强度水平越高,对混凝土施加的压缩应变越大,可用延性水平越低。 系统强度的增加并不能保证系统行为的改善。 事实上,它可以产生一个强度退化系统。 本专题将在第四章中讨论。 你会看到,当你研究这个和随后的章节时,我试图通过“纯粹主义”被视为邪恶手段来达到力量目标。 这不仅仅是一个经济目标,而是一个理解后果和妥协的目标,通常是通过引入任意过量的弯曲加固而产生的。 随着每一次设计和分析,我变得更加确信,达到了目前的基本水平力量目标[2.97] 生产的建筑,如果受到设计水平的地震,将表现良好。
在梁的概念设计中需要确定三个要素-它的高度(H)、宽度(B)和所需的弯曲加固量。设计决策必须先于梁的设计,但它们都必须清楚地了解创建一个将验证前面决策的梁的可行性。 在设计横梁之前,必须确定要使用的框架舱的数量和确定每个框架舱的强度目标。这些主题将在第3章中讨论我们开始我们的梁设计过程,假设我们理解我们的强度目标和任何美学约束,必须考虑。审美约束通常包括框架几何形状和层高以及梁的高度、宽度和柱的尺寸限制。
框架梁的概念尺寸必须考虑的因素是
bull;梁柱节点承载力(2.1.2.1节)
bull;加强细节(2.1.2.2节)
bull;梁抗剪需求(2.1.2.3节)
bull;柱抗剪强度(2.1.2.4节)
bull;可用延性(2.1.2.5节)
所有这些考虑都将在以下各小节中依次进行审查。并不是所有这些都会影响到每一个设计,但如果它们被忽视,它们可能会导致重大的重新设计努力或损害支撑程序的行为。
2.1.2.1梁柱节点的考虑
梁柱节点的强度和变形极限状态将在第2.3节中讨论,但梁柱节点对相关变量的影响必须由框架梁的设计人员快速评估。这可以通过适当减少抗弯钢筋数量(As As)和接头面积(Aj)之间的基本关系来实现。根据图2.1.23中描述的子组件模型,通过将承载力和需求相等,得出接头尺寸和钢筋之间的基本关系:
(能力) (2.1.12)
(需求)
对于平面框架内的内接缝(图2.1.23),可以方便地将其缩小为
(2.1.13)
幸运的是,对于典型设计,一般情况(公式2.1.13)可以减少。梁跨距通常相等,在概念设计阶段,净跨距可减小到中心距的百分比(约90%):
(2.1.14)
这里的hx是建筑物的高度
最后一项的大部分要素是办公室或区域编码标准。相应地,对于60级钢和5000-psi混凝土,公式2.1.14的最后一项可以减少到
当使用更高强度的混凝土时,常数可增加fc/5000的比率。该常数的最大值(将在第2.3节中讨论)应为108。
(2.1.15)
美学和功能限制通常允许合理估计hx和d。例如,如果楼层高度为12英尺,天花板高度为8英尺6英寸,则第二项为
观察到梁深度的变化对建议的减径几乎没有影响。
现在,建议的加固量和节点变得容易评估:
内接缝
方程式2.1.16易于使用。通常已知的数量是列的(受限)大小,例如36英寸乘36英寸;因此Aj为1296英寸的平方。应用公式2.1.16,可确定最大加固量:
或者,如果设计建议在框架梁的顶部和底部设置8根直径11钢筋,
(see Eq.2.1.16)
柱必须至少为36英寸乘43英寸,但是42英寸高的柱可能有用。
梁柱节点的有效面积(Aj)除最简单的情况。分析了梁柱节点的荷载传递机理复杂(见第2.3节),剪切应力的使用仅是通过可比试验校准时可可靠使用的量规。当框架梁宽度远小于柱宽度、框架梁偏心放置或框架梁宽度大于柱宽度时,建议在概念设计阶段注意。
外部梁柱节点通常不是问题,因为框架梁钢筋通常与室内使用的钢筋大致相同或略多梁柱节点。如果是单跨框架,则以外部接缝尺寸为准,在这种情况下,考虑到所讨论的减少:
外接缝
2.1.2.2加固详图
有经验的抗震框架设计人员将仔细考虑如何将框架梁加固与柱加固有效地结合起来,并根据这些考虑制定加固方案。光束的大小将符合逻辑。最佳的出发点是考虑角梁钢筋与柱外钢筋的关系。从节点性能的角度来看,梁钢筋应穿过柱的限制区域,如图2.1.24所示。柱钢筋必须穿过梁钢筋之间;因此,自然会形成分层。如果需要最小波束宽度,则需要确定间距尺寸。
钢筋之间的净距离是钢筋直径(db)的函数。对于梁,平行钢筋之间的最小净距为一个钢筋直径;对于柱,则为1.5直径间隙。由于在这一阶段,我们对柱可能需要的加固知之甚少,因此建议允许一定程度的灵活性。从实际角度来看,最大的梁杆是#11杆。可能需要两根钢筋束,两根直径11钢筋束的有效直径为2 英寸:。在加固柱时,可能会提出类似的要求。因此,4.5英寸。梁钢筋之间的中心距是合适的,并允许捆扎的#11柱钢筋之间的最小间距。如果图2.1.24中所示的四个梁钢筋是一种可能的情况,则最小梁宽度将发展如下:
Four#11 bars 4(1.375)=5.5in.
Three spaces @3in. 3(3)=9.0in.
#5 hoop ties 2(0.625)=1.25in.
Fire cover 2(1.5)=3.0in.
bgt;18.75in.
一些细节问题值得考虑。在多层建筑中,梁的尺寸应在建筑高度上保持不变,以保持良好的稳定性不变的窗体大小。梁尺寸通常设置为2英寸。增量。在前一种情况下是20英寸。宽梁将是舒适的,并允许放置八个直径11钢筋束或两层。
图2.1.24 梁柱加固方案
照片2.2 上翻框架梁,翡翠酒店,圣地亚哥,加利福尼亚州,1990年。(由恩格尔柯克合伙人公司提供)
可以使用更小的梁,但是未来的灵活性将受到限制。例如,梁钢筋和柱钢筋可以使用较小的直径,但这是更昂贵的简单,因为更多的钢筋必须放置以达到所需的钢材面积。捆扎钢筋(两根钢筋)最多从放置的角度来看是经济的,因为第二层如果没有捆绑,则必须捆绑到椅子杆和支撑拉杆上,而捆绑的钢筋则捆绑在一起并由同一椅子杆或拉杆支撑。细致入微是常识——想象一下,你必须把你提议的加强点放在那里,不要被深奥的论点搞得太过入迷。记住,一根60英尺长的11号钢筋重300磅。它不属于手表,所以不要创建一个不可能的加固程序建造的图2.1.24中描述的梁和柱加固方案将很难建造。
容纳图2.1.24所述加固位置所需的柱的最小宽度为3英寸。比横梁还宽。从美学角度来看,可能需要冲洗梁和柱边缘,只要梁钢筋外的混凝土小于4英寸,这是可以接受的。当混凝土外壳的厚度超过4英寸时,必须加固。这种冲刷不是出于经济原因,如图2.1.9所示,只会产生更多的混凝土层裂。
我们可以得出结论,方便的光束尺寸是20英寸。(一层4根钢筋),16英寸。(3巴)和24英寸。(一层5根钢筋)。由于我们将在整个框架高度使用相同的梁形式,因此应为较低楼层选择最小的实际尺寸。最合乎逻辑的选择是20英寸梁。
2.1.2.3梁剪切需求
在第2.1.1.3节中,我们讨论了剪切应力对塑性铰区行为的影响。塑性铰中不允许或不合理考虑混凝土对剪力传递的贡献区域。全部塑性铰区的诱导剪力必须由抗剪钢筋(vs)承担。ACI 318[2.6]规定了抗剪钢筋可能承受的剪应力的极限值为8,但这将产生大量的剪切变形。一个较低的水平,一个更符合图2.1.2中描述的行为,应该是设计目标,这个“最佳”剪切应力是5左右。重要的是,将减少的目标抗剪承载力应用于可能的剪力,并且可能的剪力应包括对恒载和活载的实际估计。
设计程序需要基于能力的方法,特别是梁的抗剪强度超过可传递到梁的最大剪力。当梁的每一端形成塑性铰并达到可能的强度(图2.1.3的lambda;oPyi)时,就会出现这种情况。
图2.1.25中描述的由于地震作用在梁上产生的剪力(Vu)是梁的理想或可能弯矩承载力(Mpr)的函数:
(2.1.18a)
和
(2.1.18b)
图2.1.25 变形极限状态下的框架梁
剪力的地震分量为
(2.1.19)
为此,从满足规范的角度出发,必须加上恒载和活载产生的系数剪力。在梁的强度极限状态下,施加的剪力将由地震作用决定。因此,考虑到我们随意选择的为5的极限状态,在概念设计过程中,实际恒载和活载可能经常被忽略。我们的设计目标()将使Mpr1和Mpr2相等。然后我们可以估计梁上的剪切需求:
(2.1.20)
由此我们可以确定梁的大小
(2.1.21)
假设我们的设计显示了八根直径11的钢筋(As和Asrsquo;),d为36英寸,净跨距()为26英尺。
(see Eq.2.1.19)
如果计算的恒载和活载约为100 kips(相当高),则剪力对框架梁的需求为298 kips
如果我们将目标抗剪强度(phi;vn)设定为5,并假设可能的恒载和活载将小于系数值的60%,我们建议的梁面积为
(see Eq.2.1.21)
和
请注意,这在规范限制状态下很好。
规范限制
=0.481ksigt;0.41ksi
建议的尺寸调整程序是
bull;估计最大可能加固方案。
bull;将其与可能的恒载和活载结合起来,以产生剪切需求。
bull;然后根据目标剪切应力极限(phi;vs)确定梁尺寸按5的顺序。
2.1.2.4柱剪切需求
施加在柱上的剪力可能达到不期望的水平,尤其是当柱较短时。压缩荷载会增加受弯曲荷载作用的构件的抗剪承载力,而拉伸则会降低构件承受剪切的能力。在概念设计阶段,忽略轴向荷载,采用与梁相同的目标剪切极限状态是合理的。
短柱将受到更高水平的剪切,剪切量将是梁钢筋的函数。基于能力的方法的目标是创建比梁更坚固的柱。就柱的抗弯承载力而言,情况并非总是如此(见第3章),但柱的抗剪强度应始终超过施加在其上的要求,而不考虑来源。因为无法准确预测柱可能经历的剪切需求,保守的方法是被建议的。过了柱上的剪力需求也是柱在建筑中位置的函数。需要考虑三个区域:最低级别、中间级别和较高级
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