預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

摘要：混凝土受力特點(diǎn)的抗震設(shè)計(jì)方法并不能保證它的抗震能力，甚至?xí)霈F(xiàn)不經(jīng)濟(jì)不合理的抗震設(shè)計(jì)，主要體現(xiàn)在預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)的耗能機(jī)制、延性設(shè)計(jì)方法和構(gòu)造措施方面。

關(guān)鍵詞： 預(yù)應(yīng)力混凝土；框架結(jié)構(gòu)；抗震設(shè)計(jì)

預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)在我國已得到廣泛的應(yīng)用，但對預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震設(shè)計(jì)研究及建議遠(yuǎn)不夠系統(tǒng)；雖然GB50011—2010（建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》以及GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》對預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震設(shè)計(jì)提出了一些要求，然而，缺乏系統(tǒng)的理論和試驗(yàn)分析及具體的抗震設(shè)計(jì)方法，仍然有許多問題值得進(jìn)一步探討。

相對于普通混凝土結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的耗能能力低，最大位移反應(yīng)較大，延性、耗能能力相對較差。所以。預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)必須首先滿足一般框架的抗震設(shè)計(jì)原則。

1 預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

國內(nèi)外學(xué)者對預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震能力的研究，特別是多層多跨預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法的研究迄今還不夠深入。主要表現(xiàn)在下列幾點(diǎn)：

（1）多層多跨預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)在地震作用下結(jié)構(gòu)性能研究的試驗(yàn)資料很少，設(shè)計(jì)人員常常只根據(jù)單跨預(yù)應(yīng)力混凝土框架抗震性能的研究成果，將鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的耗能機(jī)制套用于預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)。

（2）若預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)的耗能機(jī)制是梁鉸機(jī)制。在地震作用下的結(jié)構(gòu)性能與鋼筋混凝土框架的差別不大。但是結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)及邊柱縱向主筋配筋率的控制應(yīng)與鋼筋混凝土框架有所區(qū)別。許多國家（包括我國）關(guān)于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的條款和規(guī)定非常原則，設(shè)計(jì)者與審圖者常發(fā)生矛盾。

（3）預(yù)應(yīng)力混凝士框架結(jié)構(gòu)在產(chǎn)生較大的變形之后，有較好的變形恢復(fù)能力。其耗能比強(qiáng)度相當(dāng)、初始剛度相近的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)略低。但框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件中施加預(yù)應(yīng)力后對框架的抗震能力究竟有什么影響，目前探討得很少?？拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范中很大部分是根據(jù)預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的抗震性能研究成果、單跨預(yù)應(yīng)力混凝土框架的低周反復(fù)荷載試驗(yàn)或振動臺試驗(yàn)得到的結(jié)果經(jīng)分析后提出，缺乏全面的研究。預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震能力特別是其抗震設(shè)計(jì)方法，很值得進(jìn)一步探討與研究。

2兩階段抗震設(shè)計(jì)

建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定應(yīng)進(jìn)行兩階段抗震設(shè)計(jì)。第一階段為多遇地震作用下變形驗(yàn)算和截面承載力的計(jì)算，采取相應(yīng)的構(gòu)造措施，保證結(jié)構(gòu)小震不壞和中震可修；第二階段為罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)薄弱部位的彈塑性變形驗(yàn)算，不滿足時(shí)，或修改方案重算，或采取加強(qiáng)相應(yīng)的延性構(gòu)造措施，保證結(jié)構(gòu)大震不倒。

在多遇地震作用下預(yù)應(yīng)力混凝土框槊與鋼筋混凝土框架抗震計(jì)算的區(qū)別主要體現(xiàn)在阻尼比、地震影響系數(shù)的取值、預(yù)應(yīng)力作用參與地震作用的荷載效應(yīng)組合等。

抗震規(guī)范中罕遇地震作用下驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的彈塑性變形的簡化方法，實(shí)際上只是滿足抗震構(gòu)造要求，并非真正意義上結(jié)構(gòu)變形驗(yàn)算。

通過實(shí)用而簡單的能力分析方法可以得到罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的耗能機(jī)制、塑性鉸的轉(zhuǎn)角和基底總剪力與結(jié)構(gòu)頂端側(cè)移的P-△骨架曲線，或采用彈塑性時(shí)程分析法。

框架結(jié)構(gòu)的耗能機(jī)制一般有粱鉸機(jī)制、柱鉸機(jī)制和混合機(jī)制三種。若框架邊節(jié)點(diǎn)處粱端先屈服。而在框架中柱的上、下端相繼出鉸，這種屈服機(jī)制稱之為“混合機(jī)制”。梁鉸機(jī)制和混合機(jī)制都只有一個自由度，從塑性總體位移△P可確定各塑性鉸截面相應(yīng)增加的塑性轉(zhuǎn)角θP。

隨著框架結(jié)構(gòu)層數(shù)的增加，較大的重力荷載使柱軸向壓力逐層疊加，特別是最底下幾層中柱的軸壓比較大，中柱變?yōu)樾∑氖軌?，要使下面幾層中柱的兩端都出鉸、并且通過柱鉸來耗能是困難的。因?yàn)椤爸q”的塑性轉(zhuǎn)動能力不足會發(fā)生局部脆性破壞，所以應(yīng)加強(qiáng)“柱鉸”截面處的箍筋約束，減小柱的軸壓比，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)體系的抗側(cè)能力，減小框架的延性要求。

3框架柱和框架節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)要求

若預(yù)應(yīng)力框架層數(shù)較多時(shí)，隨著層數(shù)的增加，由于豎向荷載較大，而豎向荷載對柱又是逐層疊加的，這就使得下幾層柱的軸壓比較大，更接近小偏壓柱，所以保證柱子有足夠的延性非常重要。多層預(yù)應(yīng)力混凝土框架柱一般為普通混凝土柱。頂層柱考慮到其受力特點(diǎn)，一般要施加預(yù)應(yīng)力。對予普通混凝土柱可按規(guī)范中規(guī)定的普通鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)中框架柱的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。但由于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)自身特點(diǎn)，柱的軸壓比限值應(yīng)該要求嚴(yán)格一些。麗如果軸壓比過小，則隨著層數(shù)的增加，豎向荷載不斷地加大，底層柱的截面將增大到不合理的程度；而且隨著底層柱截面的增加，柱的側(cè)向剛度增大，框架的側(cè)向約柬也將增大。

理論上普遍認(rèn)為，由子預(yù)應(yīng)力對節(jié)點(diǎn)的側(cè)向約束作用，使節(jié)點(diǎn)混凝土處于雙向受壓狀態(tài)，不僅可以提高混凝土的開裂荷載，也可以提高節(jié)點(diǎn)的受剪承載力；由于混凝土中存在預(yù)壓應(yīng)力，減輕了節(jié)點(diǎn)剛度退化效應(yīng)；預(yù)應(yīng)力筋抑制了梁筋從節(jié)點(diǎn)拔出，減少了梁筋失穩(wěn)破壞的可能性。而試驗(yàn)結(jié)果卻并不樂觀。這是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)處鋼筋密集，錨具的存在削弱了截面；而且在強(qiáng)震作用下，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)是受力復(fù)雜的高應(yīng)力區(qū)，當(dāng)斜拉應(yīng)力很大引起混凝土開裂時(shí)，可能同時(shí)導(dǎo)致錨固破壞。因此，錨具應(yīng)布置在梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)域以外，以避免該區(qū)域在剪力作用產(chǎn)生較大對角拉應(yīng)力的情況下，再承受錨具引起的劈裂應(yīng)力。節(jié)點(diǎn)核心區(qū)受剪承載力主要與柱子截面尺寸和配箍量有關(guān)。因此，應(yīng)加密箍筋，同時(shí)，為了保證節(jié)點(diǎn)混凝土澆筑密實(shí)，應(yīng)在滿足構(gòu)造要求的前提下，盡量把粱縱筋錨固到柱里。必要時(shí)可將梁端兩側(cè)加寬，以保證在梁端截面極限承載力基本保持不變的情況下，梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)得到加強(qiáng)，提高節(jié)點(diǎn)的受剪承載力。

4框架結(jié)構(gòu)的抗震變形驗(yàn)算

抗震變形驗(yàn)算包括：多遇地震作用下層間側(cè)移和頂層總側(cè)移的驗(yàn)算；罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)薄弱層的抗震變形驗(yàn)算。對于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，我國規(guī)范只要求進(jìn)行小震下的抗震承載力驗(yàn)算，而對其在罕遇地震下彈塑性變形的驗(yàn)算，并沒有硬性明確的規(guī)定，工程實(shí)踐中往往只是通過相應(yīng)的抗震措施來籠統(tǒng)地保證。雖然這種設(shè)計(jì)方法大大地簡化了設(shè)計(jì)過程，但卻顯得粗略、且可能使預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下存在較大的安全隱患。其實(shí)一些設(shè)計(jì)隱患不通過基于構(gòu)件層次的非線性分析是很難發(fā)現(xiàn)的，合理控制結(jié)構(gòu)在強(qiáng)烈地震作用下的損壞程度以減小地震造成的經(jīng)濟(jì)損失，有賴于對結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性地震反應(yīng)分析。而規(guī)范建議的2種計(jì)算方法，時(shí)程分析法雖較為精確，但計(jì)算工作量大、技術(shù)復(fù)雜、結(jié)果處理繁雜，因此在實(shí)際工程抗震設(shè)計(jì)中該方法并沒有得到廣泛的應(yīng)用，通常僅限于理論研究中；Push—over法簡單實(shí)用，而且有效，可得到結(jié)構(gòu)從彈性、屈服，一直到極限倒塌狀態(tài)的全過程的內(nèi)力、變形，可考察塑性鉸的形成，找到結(jié)構(gòu)的薄弱部位。

5 結(jié)束語

預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)與普通混凝土框架結(jié)構(gòu)相比有相似的工作性能，但也有自身的受力變形的獨(dú)特特點(diǎn)，且延性比普通框架結(jié)構(gòu)要差，所以，其抗震設(shè)計(jì)相應(yīng)有更高的要求并應(yīng)進(jìn)一步探索合適的彈塑性變形分析計(jì)算方法，使其具有更好的理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。研究表明，只要設(shè)計(jì)合理，預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)不但可以取得良好的經(jīng)濟(jì)效益，而且具有良好的抗震性能，能滿足中等地震區(qū)的抗震要求。