預應力混凝土框架結構抗震設計

摘要：混凝土受力特點的抗震設計方法并不能保證它的抗震能力，甚至會出現不經濟不合理的抗震設計，主要體現在預應力混凝土框架結構的耗能機制、延性設計方法和構造措施方面。

關鍵詞： 預應力混凝土；框架結構；抗震設計

預應力混凝土結構在我國已得到廣泛的應用，但對預應力混凝土結構構件的抗震設計研究及建議遠不夠系統；雖然GB50011—2010（建筑抗震設計規范》以及GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》對預應力混凝土結構構件的抗震設計提出了一些要求，然而，缺乏系統的理論和試驗分析及具體的抗震設計方法，仍然有許多問題值得進一步探討。

相對于普通混凝土結構，預應力混凝土結構的耗能能力低，最大位移反應較大，延性、耗能能力相對較差。所以。預應力混凝土框架結構抗震設計必須首先滿足一般框架的抗震設計原則。

1 預應力混凝土框架結構抗震設計現狀

國內外學者對預應力混凝土框架結構抗震能力的研究，特別是多層多跨預應力混凝土框架結構抗震設計方法的研究迄今還不夠深入。主要表現在下列幾點：

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

（2）若預應力混凝土框架結構的耗能機制是梁鉸機制。在地震作用下的結構性能與鋼筋混凝土框架的差別不大。但是結構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別。許多國家（包括我國）關于預應力混凝土結構抗震設計的條款和規定非常原則，設計者與審圖者常發生矛盾。

（3）預應力混凝士框架結構在產生較大的變形之后，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構略低。但框架結構構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。抗震設計規范中很大部分是根據預應力混凝土構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果經分析后提出，缺乏全面的研究。預應力混凝土框架結構的抗震能力特別是其抗震設計方法，很值得進一步探討與研究。

2兩階段抗震設計

建筑抗震設計規范規定應進行兩階段抗震設計。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，采取相應的構造措施，保證結構小震不壞和中震可修；第二階段為罕遇地震作用下結構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造措施，保證結構大震不倒。

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

抗震規范中罕遇地震作用下驗算結構的彈塑性變形的簡化方法，實際上只是滿足抗震構造要求，并非真正意義上結構變形驗算。

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構的耗能機制、塑性鉸的轉角和基底總剪力與結構頂端側移的P-△骨架曲線，或采用彈塑性時程分析法。

框架結構的耗能機制一般有粱鉸機制、柱鉸機制和混合機制三種。若框架邊節點處粱端先屈服。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角θP。

隨著框架結構層數的增加，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，中柱變為小偏心受壓，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”的塑性轉動能力不足會發生局部脆性破壞，所以應加強“柱鉸”截面處的箍筋約束，減小柱的軸壓比，加強結構體系的抗側能力，減小框架的延性要求。

3框架柱和框架節點的設計要求

若預應力框架層數較多時，隨著層數的增加，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。對予普通混凝土柱可按規范中規定的普通鋼筋混凝土框架結構中框架柱的設計方法和設計原則進行設計。但由于預應力混凝土結構自身特點，柱的軸壓比限值應該要求嚴格一些。麗如果軸壓比過小，則隨著層數的增加，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，柱的側向剛度增大，框架的側向約柬也將增大。

理論上普遍認為，由子預應力對節點的側向約束作用，使節點混凝土處于雙向受壓狀態，不僅可以提高混凝土的開裂荷載，也可以提高節點的受剪承載力；由于混凝土中存在預壓應力，減輕了節點剛度退化效應；預應力筋抑制了梁筋從節點拔出，減少了梁筋失穩破壞的可能性。而試驗結果卻并不樂觀。這是因為節點處鋼筋密集，錨具的存在削弱了截面；而且在強震作用下，節點核心區是受力復雜的高應力區，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點核心區域以外，以避免該區域在剪力作用產生較大對角拉應力的情況下，再承受錨具引起的劈裂應力。節點核心區受剪承載力主要與柱子截面尺寸和配箍量有關。因此，應加密箍筋，同時，為了保證節點混凝土澆筑密實，應在滿足構造要求的前提下，盡量把粱縱筋錨固到柱里。必要時可將梁端兩側加寬，以保證在梁端截面極限承載力基本保持不變的情況下，梁柱節點區得到加強，提高節點的受剪承載力。

4框架結構的抗震變形驗算

抗震變形驗算包括：多遇地震作用下層間側移和頂層總側移的驗算；罕遇地震作用下結構薄弱層的抗震變形驗算。對于預應力混凝土結構的抗震設計，我國規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定，工程實踐中往往只是通過相應的抗震措施來籠統地保證。雖然這種設計方法大大地簡化了設計過程，但卻顯得粗略、且可能使預應力混凝土結構在罕遇地震作用下存在較大的安全隱患。其實一些設計隱患不通過基于構件層次的非線性分析是很難發現的，合理控制結構在強烈地震作用下的損壞程度以減小地震造成的經濟損失，有賴于對結構進行彈塑性地震反應分析。而規范建議的2種計算方法，時程分析法雖較為精確，但計算工作量大、技術復雜、結果處理繁雜，因此在實際工程抗震設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—over法簡單實用，而且有效，可得到結構從彈性、屈服，一直到極限倒塌狀態的全過程的內力、變形，可考察塑性鉸的形成，找到結構的薄弱部位。

5 結束語

預應力混凝土框架結構與普通混凝土框架結構相比有相似的工作性能，但也有自身的受力變形的獨特特點，且延性比普通框架結構要差，所以，其抗震設計相應有更高的要求并應進一步探索合適的彈塑性變形分析計算方法，使其具有更好的理論和實驗數據支持。研究表明，只要設計合理，預應力混凝土框架結構不但可以取得良好的經濟效益，而且具有良好的抗震性能，能滿足中等地震區的抗震要求。