淺談預應力混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計

摘要：本文從兩階段抗震設(shè)計、框架柱和框架節(jié)點的設(shè)計以及框架結(jié)構(gòu)的抗震變形驗算等方面，詳細討論了預應力混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計問題。

關(guān)鍵詞：抗震設(shè)計預應力混凝土框架結(jié)構(gòu)

一、引言

預應力混凝土結(jié)構(gòu)在我國已得到廣泛的應用，但對預應力混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震設(shè)計研究及建議遠不夠系統(tǒng)；雖然GB50011-2001《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》以及GB50010-2002《凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》對預應力混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震設(shè)計提出了一些要求，然而，缺乏系統(tǒng)的理論和試驗分析及具體的抗震設(shè)計方法，仍然有許多問題值得進一步探討。

結(jié)構(gòu)的抗震性能與結(jié)構(gòu)的抗震能力既有聯(lián)系又有區(qū)別。結(jié)構(gòu)的抗震能力建立在結(jié)構(gòu)抗震性能的基礎(chǔ)上。然而在一定的條件下，用抗震性能較差的材料也能設(shè)計出抗震能力較好的結(jié)構(gòu)來。反之，即使采用抗震性能好的材料，如果結(jié)構(gòu)的耗能機制選擇及設(shè)計不合理，也會使得整體結(jié)構(gòu)的抗震能力較差。

抗震性能反應了某種材料或結(jié)構(gòu)形式的固有特性，是抗震設(shè)計所依據(jù)的基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)抗震能力則是可以改變的，它取決于設(shè)計者所采用的設(shè)計方法及所把握的安全度準則。結(jié)構(gòu)的抗震性能是基本的、本質(zhì)的、相對穩(wěn)定的；結(jié)構(gòu)的抗震能力則依賴于設(shè)計，是可變化的。

二、預應力混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計現(xiàn)狀

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

(1)多層多跨預應力混凝土框架結(jié)構(gòu)在地震作用下結(jié)構(gòu)性能研究的試驗資料很少，設(shè)計人員常常只根據(jù)單跨預應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)的耗能機制套用于預應力混凝土框架結(jié)構(gòu)。

(2)若預應力混凝土框架結(jié)構(gòu)的耗能機制是梁鉸機制，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)的地震反應及邊柱縱向主筋配筋率的控制應與鋼筋混凝土框架有所區(qū)別。許多國家(包括我國)關(guān)于預應力混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的條款和規(guī)定非常原則，設(shè)計者與審圖者常發(fā)生矛盾。

(3)預應力混凝土框架結(jié)構(gòu)在產(chǎn)生較大的變形之后，有較好的變形恢復能力。其耗能比強度相當、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)件中施加預應力后對框架的抗震能力究竟有什么影響，目前探討得很少。

抗震設(shè)計規(guī)范中很大部分是根據(jù)預應力混凝土構(gòu)件的抗震性能研究成果、單跨預應力混凝土框架的低周反復荷載試驗或振動臺試驗得到的結(jié)果經(jīng)分析后提出，缺乏全面的研究。預應力混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震能力特別是其抗震設(shè)計方法，很值得進一步探討與研究。

三、兩階段抗震設(shè)計

建筑抗震設(shè)計規(guī)范規(guī)定應進行兩階段抗震設(shè)計。第一階段為多遇地震作用下變形驗算和截面承載力的計算，采取相應的構(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算，不滿足時，或修改方案重算，或采取加強相應的延性構(gòu)造措施，保證結(jié)構(gòu)大震不倒。

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

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

通過實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，或采用彈塑性時程分析法。

框架結(jié)構(gòu)的耗能機制一股有梁鉸機制、柱鉸機制和混合機制三種。若框架邊節(jié)點處梁端先屈服，而在框架中柱的上、下端相繼出鉸，這種屈服機制稱之為“混合機制”。梁鉸機制和混合機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。因為“柱鉸”的塑性轉(zhuǎn)動能力小是會發(fā)生局部脆性破壞，所以應加強“柱鉸”截面處的箍筋約束，減小柱的軸壓比，加強結(jié)構(gòu)體系的抗側(cè)能力，減小框架的延性要求。

四、框架柱和框架節(jié)點的設(shè)計要求

若預應力框架層數(shù)較多時，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。多層預應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，一般要施加預應力。對于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)計方法和設(shè)計原則進行發(fā)計。但由于預應力混凝土結(jié)構(gòu)自身特點，柱的軸壓比限值應該要求嚴格一些。而如果軸壓比過小，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；而且隨著底層柱截而的增加，柱的側(cè)向剛度增大，框架的側(cè)向約束也將增大。

理論上普遍認為，由干預應力對節(jié)點的側(cè)向約束作用，使節(jié)點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)點的受剪承載力；由于混凝土中存在預壓應力，減輕了節(jié)點剛度退化效應；預應力筋抑制了梁筋從節(jié)點拔出，減少了梁筋失穩(wěn)破壞的可能性。而試驗結(jié)果卻并不樂觀。這是因為節(jié)點處鋼筋密集，錨具的存在削弱了截面；而且在強震作用下，節(jié)點核心區(qū)是受力復雜的高應力區(qū)，當斜拉應力很大引起混凝土開裂時，可能同時導致錨固破壞。因此，錨具應布置在梁柱節(jié)點核心區(qū)域以外，以避免該區(qū)域在剪力作用產(chǎn)生較大對角拉應力的情況下，再承受錨具引起的劈裂應力。節(jié)點核心區(qū)受剪承載力主要與柱子截面尺寸和配箍量有關(guān)。因此，應加密箍筋，同時，為了保證節(jié)點混凝土澆筑密實，應在滿足構(gòu)造要求的前提下，盡量把梁縱筋錨固到柱里。必要時可將梁端兩側(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)點區(qū)得到加強，提高節(jié)點的受剪承載力。

五、框架結(jié)構(gòu)的抗震變形驗算

抗震變形驗算包括：多遇地震作用下層間側(cè)移和頂層總側(cè)移的驗算；罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)薄弱層的抗震變形驗算。對干預應力混凝土結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計，我國規(guī)范只要求進行小震下的抗震承載力驗算，而對其在罕遇地震下彈塑性變形的驗算，并沒有硬性明確的規(guī)定，工程實踐中往往只是通過相應的抗震措施來籠統(tǒng)地保證。雖然這種設(shè)計方法大大地簡化了設(shè)計過程，但卻顯得粗略、且可能使預應力混凝土結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下存在較大的安全隱患。其實一些設(shè)計隱患不通過基于構(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)在強烈地震作用下的損壞程度以減小地震造成的經(jīng)濟損失，有賴于對結(jié)構(gòu)進行彈塑性地震反應分析。而規(guī)范建議的2種計算方法，時程分析法雖較為精確，但計算工作量大、技術(shù)復雜、結(jié)果處理繁雜，因此在實際工程抗震設(shè)計中該方法并沒有得到廣泛的應用，通常僅限于理論研究中；Push-orer法簡單實用，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)的余過程的內(nèi)力、變形，可考察塑性鉸的形成，找到結(jié)構(gòu)的薄弱部位。

上文從兩階段抗震設(shè)計、框架柱和框架節(jié)點的設(shè)計以及框架結(jié)構(gòu)的抗震變形驗算等方面，詳細討論了預應力混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計，這將有助于抗震設(shè)計規(guī)范中有關(guān)預應力混凝土結(jié)構(gòu)條文的實際應用。