框架結構抗震性能分析

吳冠賢

海南現代海灣建筑規劃設計有限公司 570000

摘要：本文以預制鋼筋混凝土為例，簡要闡述了框架結構抗震性能研究的重要性，簡單介紹了我國制鋼筋混凝土框架結構整體抗震性能研究以及國內外預制鋼筋混凝土結構設計規范及設計方法的最新進展。

關鍵詞：框架結構；抗震性能；分析

一般認為，預制鋼筋混凝土結構的整體抗震性能劣于現澆鋼筋混凝土結構，因此需要在預制裝配式混凝土結構中采用特殊構造措施，如施加預應力，結構關鍵部位采用后澆混凝土、添加耗能元件等措施增強預制鋼筋混凝土結構的抗震性能。預制鋼筋混凝土框架結構整體抗震性能的研究對該結構在實際工程中的推廣應用具有重要意義，本文對預制預應力拼接鋼筋混凝土結構、后澆整體式鋼筋混凝土結構、裝配式鋼筋混凝土結構的整體抗震性能進行了綜述。

1預制鋼筋混凝土框架結構整體抗震性能研究

1.1預應力拼接鋼筋混凝土結構整體性能研究

伊利諾斯（Illinois）大學進行了預應力拼接預制鋼筋混凝土框架結構的振動臺試驗研究。試驗結果表明：小震作用下，預應力拼接結構處于彈性狀態，表現與現澆結構類似；大震作用下，預應力筋屈服前結構一直保持彈性，預應力筋屈服后，梁端混凝土壓碎，結構的承載力迅速下降。

加利福尼亞（California）大學進行了預制鋼筋混凝土框架結構擬動力試驗研究。試驗模型的節點采用了預應力拼接節點和后澆整體節點。試驗結果表明：荷載作用下，結構的殘余變形很小，預應力夾持作用減小了結構的殘余變形；后澆整體式節點的耗能能力大于預應力拼接節點，但后澆整體式節點的強度損失、殘余變形和損壞程度也大于預應力拼接節點。

Marura進行了3層預應力框架結構的振動臺試驗，研究有黏結預應力拼接結構和無黏結預應力拼接結構在模擬地震荷載作用下的極限承載能力。研究表明：有黏結預應力拼接結構具有很好的延性和自恢復中心能力。有黏結預應力拼接結構的抗震性能優于無黏結預應力拼接結構，無黏結預應力拼接結構的位移主要在梁柱交接面處。數值模擬結果顯示，Pushover方法能夠很好模擬振動臺試驗的結果。

Ichioka采用鋼板剪力墻降低后張拉預應力框架結構在地震作用下的位移。研究表明：設置鋼板剪力墻的后張拉預制預應力預制鋼筋混凝土結構在地震作用下具有良好的耗能性能和較小的殘余變形。同時，Ichioka提出鋼板剪力墻結構黏滯阻尼比和殘余位移的簡化計算方法，給出了鋼板剪力墻的設計方法。

柳炳康等對預制預應力裝配整體式混凝土框架的抗震性能進行了擬靜力和擬動力試驗研究。研究表明：預應力提高了裝配整體式框架結構的整體抗側剛度；節點核心區有著較強的剛性，荷載作用下框架梁端率先出現塑性鉸，層間位移角達到1 /42時，框架梁柱未產生較嚴重破壞。

1.2后澆整體式鋼筋混凝土結構整體性能研究

蔡建國進行了3個不同鍵槽長度的預制鋼筋混凝土框架中節點（世構體系）和一榀兩跨三層框架結構的低周反復荷載試驗研究。研究表明：不同鍵槽長度的框架中節點的滯回曲線均較豐滿，節點耗能能力較強；框架結構的梁鉸耗能機制提高了結構整體的耗能能力。

羅青兒進行了一幅裝配整體式混凝土框架與另一幅現澆鋼筋混凝土框架在低周反復荷載作用下的對比試驗。結果表明：預制柱采用鋼管混凝土榫式接頭，梁柱間采用齒槽接頭，梁、柱縱筋采用滾軋直螺紋連接的裝配整體式混凝土框架具有與現澆鋼筋混凝土框架相似的抗震性能。

楊新磊等進行了一榀 1 /2比例的兩層兩跨現澆柱疊合梁框架低周反復荷載試驗。研究表明：參照現行混凝土結構設計規范設計的現澆柱疊合梁框架實現了強柱弱梁、強節點弱構件的設計目標；框架的破壞機制為混合機制；框架整體及層間的滯回曲線均較為飽滿，表明現澆柱疊合梁框架具有良好的耗能能力。

Martinelli在梁柱節點處設置摩擦耗能裝置增加結構的耗能能力和延性性能。研究表明：在水平荷載作用下，節點區的剪力有一定的增加，頂點位移和柱角彎矩顯著減小，結構的耗能性能得到較大的提高。

1.3裝配式鋼筋混凝土結構整體性能研究

伊利諾斯（Illinois）大學進行了螺栓連接節點預制鋼筋混凝土框架結構的振動臺試驗研究。試驗結果表明：小震作用下，此類結構處于彈性狀態，表現出與現澆結構相似的受力性能；大震作用下，節點連接螺栓屈服破壞，結構的承載力迅速下降，預制梁柱損傷較小。

范力等對2個采用橡膠墊螺栓連接梁柱節點的單層兩跨預制鋼筋混凝土框架結構進行擬動力試驗研究。研究表明：此類預制鋼筋混凝土框架結構具有較好的抗震性能，當層間位移角達到1 /25時，結構仍具有一定的承載能力，采用橡膠墊螺栓連接的梁柱節點抗震性能良好，結構體系破壞模式為柱底彎曲破壞。

范力等對預制鋼筋混凝土框架結構進行了擬動力試驗及非線性動力時程分析。結果表明：數值仿真與試驗結果吻合較好；在加載幅值逐級增大情況下，損傷累積僅對各工況開始階段有較大影響，對結構反應峰值影響在5%以內。

趙斌等采用端部帶轉動彈簧的梁單元模型，對柔性節點預制鋼筋混凝土框架結構的動力特性及其在地震作用下的動力反應規律進行了研究。研究表明：結構自振頻率隨節點相對剛度比的增加不斷增大；結構峰值位移反應隨著節點相對剛度比的增加呈總體下降趨勢，但下降趨勢和程度受輸入地震波能量分布特征的影響，并可能局部增大。

2預制鋼筋混凝土結構設計方法

2.1基于等效單質點的性能設計方法

Priestley提出了預制鋼筋混凝土結構基于等效單質點的性能設計方法，設計步驟為：

1）假定等效單質點體系的屈服層間位移△y。由于△y的變化對最終結果影響不大，因此原則上可以任意選擇屈服層間位移。實際計算時建議取屈服層間位移角θy =0.003，△y=θyL，L為等效單質點體系的高度。

2）確定等效單質點的極限層間位移角θu°θu的確定依據有：結構的重要性、結構損傷極限、極限層間位移角、截面尺寸、塑性鉸的損傷狀態等。

3）計算等效單質點的極限層間位移△u，△u=θuL。

4）根據不同結構體系的延性系數確定結構的等效阻尼比。延性系數的計算式為μ△=△u/△y。Priestley給出了不同結構的等效阻尼比和延性系數的關系曲線。

5）根據彈性位移反應譜，計算等效單質點體系極限位移下的周期T。由T=2л可得到結構的割線剛度Keff = 4л2M/T2，結構在極限位移下的基底剪力需求為F u =Keff△u。

6）根據結構的基底剪力需求確定預制混凝土結構預制梁、預制柱的截面尺寸。由預制梁和預制柱的截面尺寸可以計算出新結構的彈性剛度、屈服位移和等效阻尼比。

7）重復4-6步，直到計算結果收斂。

2.3其他設計方法

Morgen提出設置摩擦阻尼器的無黏結后張拉預應力鋼筋混凝土框架結構的設計方法。該設計方法中，后張拉預應力提供結構所需抗側能力，摩擦阻尼器提供結構所需的阻尼，摩擦阻尼器和后張拉預應力共同提供梁端的抗彎能力。該設計方法的設計目標為在給定梁柱截面和確定摩擦阻尼器位置的框架中，計算出摩擦阻尼器的滑移力和耗能需求，以及提供抗側力所需的后張預應力筋的數量。低周反復試驗表明：通過該設計方法設計的設置摩擦阻尼器的后張拉預應力鋼筋混凝土框架結構，滿足美國ACI-318（（混凝土結構設計規范》的強度要求和耗能要求，并且在低周反復荷載作用下該結構仍具有良好的自恢復中心能力。

3結語

通過綜述國內外預制鋼筋混凝土結構設計規范及設計方法的研究進展，有實驗可以得知，預應力拼接裝配式結構、裝配整體式結構的強度和剛度能夠接近或達到等效現澆結構的水平，但其耗能能力低于現澆結構，因此可以采用設置耗能阻尼器的方法增加結構的耗能能力。

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