预应力混凝土框架抗震结构设计分析

预应力混凝土框架抗震结构设计分析

摘要：预应力混凝土结构在我国已得到广泛的应用，但对预应力混凝土结构构件的抗震设计研究及建议远不够系统，本文强调结构的抗震性能与抗震能力概念，对预应力混凝土框架抗震结构设计中的几个问题分别作了阐述。

关键词：预应力混凝土；框架结构；抗震设计

中图分类号： tu973+.31 文献标识码： a 文章编号：

前言：

20世纪80年代以来，现浇大跨度多层预应力混凝土框架结构在我国得到了推广和应用。这种结构便于工艺设备更新、利于今后技术改造、节约用地，且有较好的经济效益。

图1某大跨度预应力结构

随着我国建筑业的迅速发展，大跨度的预应力钢筋混凝土框架结构得到了广泛的应用。如何对预应力钢筋混凝土结构进行准确的受力与抗震性能能力分析?并为结构设计提供坚实的理论依据。作为一种承重结构，由于其在使用荷载下有较高的抗裂度和截面刚度，而且结构层高度较低，故得到工程界普遍的肯定。虽然gb50011—2001《建筑抗震设计规范》以及gb50010-2002《凝土结构设计规范》对预应力混凝土结构构件的抗震设计提出了一些要求，然而，缺乏系统的理论和试验分析及具体的抗震设计方法，仍然有许多问题值得进一步探讨。

2结构的抗震性能与抗震能力概念

结构的抗震性能是指结构或构件所固有的基本特征，诸如滞回环的形状、延性、耗能等性能。结构的抗震能力是指整体结构抵抗既定烈度地震作用的能力，它不仅取决结构自身的抗震性能，而且取决于结构的抗震设计方法。结构的抗震性能与结构的抗震能力既有联系又有区别。结构的抗震能力建立在结构抗震性能的基础上。然而在一定的条件下，用抗震性能较差的材料也能设计出抗震能力较好的结构来。反之，即使采用抗震性能好的材料，如果结构的耗能机制选择及设计不合理，也会使得整体结构的抗震能力较差。抗震性能反应了某种材料或结构形式的固有特性，是抗震设计所依据的基础；结构抗震能力则是可以改变的，它取决于设计者所采用的设计方法及所把握的安全度准则。结构的抗震性能是基本的、本质的、相对稳定的；结构的抗震能力则依赖于设计，是可变化的。

3框架梁的设计要求

3.1预应力度的限制

预应力度的选择需要全面考虑使用阶段和抗震性能两方面的要求。从使用阶段看，为满足结构抗裂和挠度控制要求，预应力度大一些好；从抗震角度，为保证构件延性和耗能的要求，预应力度不宜过大。预应力度按强度比的表达式为：

其中：—预应力筋的抗拉强度设计值；

—非预应力筋的抗拉强度设计值。

预应力混凝土框架结构抗震性能试验中预应力度均为0.75，这是

许多研究中确定的预应力度上限值。试验结果表明，梁端能够出现塑性铰，但不是典型的梁铰破坏机制。而且考虑实际工程中，预应力混凝土结构大都采取现浇或整体性好的装配式结构，再加上楼面板的作用，使得框架梁的刚度和强度大大提高。所以，建议预应力度的取值：一级不宜大于0.5，二、三级不宜大于0.7。这样，可很好地兼顾满足梁的抗震性能和使用性能两方面的要求。

3.2裂缝控制

在预应力强度比限制下，按一级抗裂和二级抗裂要求设计的预应力构件若要满足抗震要求，必然截面尺寸要大，而且仅预应力筋本身就已满足受弯承载力要求，为了增加梁端截面延性，再按要求加配非预应力筋，截面的抗弯能力过大，若要达到“强柱弱梁”要求，必然导致框架柱截面尺寸及配筋要很大。我国现行规范中对预应力混凝土结构构件的裂缝控制过于严格，其理论基础是：预应力筋长期处于较高应力状态，对腐蚀影响更加敏感，一旦损坏，危害更大。但同时我们也应注意到预应力筋处于普通钢筋内侧，而且混凝土保护层厚，所以对处于正常工作环境的构件适当放宽裂缝控制要求，是合理的。

一般情况下，对处于正常工作环境的预应力框架，可以将短期荷载效应和长期荷载效应组合下的拉应力限制系数放宽，即按三级抗裂要求进行设计，为避免裂缝宽度的繁琐计算，建议采用“名义拉应力”方法进行抗裂验算。

4框架柱的设计要求

若预应力框架层数较多时，随着层数的增加，由于竖向荷载较大，而竖向荷载对柱又是逐层叠加的，这就使得下几层柱的轴压比较大，更接近小偏压柱，所以保证柱子有足够的延性非常重要。多层预应力混凝土框架柱一般为普通混凝土柱，顶层柱考虑到其受力特点，一般要施加预应力。对于普通混凝土柱可按规范中规定的普通钢筋混凝土框架结构中框架柱的设计方法和设计原则进行设计。但由于预应力混凝土结构自身特点，柱的轴压比限值应该要求严格一些。而如果轴压比过小，则随着层数的增加，竖向荷载不断地加大，底层柱的截面将增大到不合理的程度；而且随着底层柱截面的增加，柱的侧向刚度增大，框架的侧向约束也将增大。因此，综合考虑，建议柱轴压比如表1所示。

表1柱轴压比限值

竖向荷载作用下预应力混凝土框架边住承担的弯矩通常较大，为避免边柱弯矩过大导致的柱中配筋难，设计人员常常采取以下种解决方案：

（1）减少边柱尺寸(以降低边柱线刚度，层数较多时常采取的措施)，使边柱承担的弯矩减少。这种解决方案的缺陷是结构整体抗侧刚度减小，地震作用下变形加大，地震作用下边柱易先梁出铰而形成抗震能力差的层间耗能破坏机制，结构的抗震能力弱，边柱尺寸截面高度过小也极容易产生梁的纵筋粘结破坏。

（2）加强边柱，并在边柱中对称加配预应力筋或在边柱中竖向

荷载作用下受拉侧加配预应力筋，边柱的抗弯承载力提高，同时预应力筋可取代部分非预应力筋，保证了“强柱弱梁”设计原则．推迟边柱柱底塑性铰的形成，抗侧刚度不会过早削弱，将推迟边柱的裂缝出现，边柱的抗侧刚度的增加。有利于减少罕遇地震作用下中柱承担的地震作用．有利于提高框架结构的抗震能力，使边节点处于双向受压状态，提高节点受剪承载力。为了保证柱截面的延性，应控制柱的轴压比；边节点处梁中的预应力筋，尽量向截面中性轴靠近，尽量降低梁在边节点处的抗弯能力，使框架梁内所配置的预应力筋在柱中引起的次弯矩较为有利，以防止边柱中出铰。边柱加配预应力筋的实质是实现耗能机制的转换。

5框架节点的设计要求

理论上普遍认为，由于预应力对节点的侧向约束作用，使节点混凝土处于双向受压状态，

不仅可以提高混凝土的开裂荷载，也可以提高节点的受剪承载力；由于混凝土中存在预压应

力，减轻了节点刚度退化效应；预应力筋抑制了梁筋从节点拔出，减少了梁筋失稳破坏的可能性。而试验结果却并不乐观。这是因为节点处钢筋密集，锚具的存在削弱了截面；而且在强震作用下，节点核心区是受力复杂的高应力区，当斜拉应力很大引起混凝土开裂时，可能同时导致锚固破坏。因此，锚具应布置在梁柱节点核心区域以外，以避免该区域在剪力作用产生较大对角拉应力的情况下，再承受锚具引起的劈裂应力。节点核心区受剪承载力主要与柱子截