预制预应力混凝土结构的抗震设计.pdf

第 3 7 卷 第 3期 2 0 1 0年 3月 建筑技术开发 Bui l d i n g Te c h ni q u e De v e l o p me nt Vo1 3 7。 No 3 M a r 2 0l O 预 制预 应 力混 凝 土 结构 的抗 震设 计 1 美 国 预 制 预应 力 混凝 土 结 构 抗 震 设 计 的历 史 在 2 0 世 纪 5 O年代初 ， 预制预应力混凝土在美国建筑结 构体系中的应用就 已经开始发展了。在工业时代早期 ， 这种 结构主要是在低抗震设防区应 用比较多 。刚开始 的时候 ， 预 制结构被认 为是钢 筋混凝 土结构 大领 域 中的一个 小分 支。 按这种说法 的话 ， 预制结构 的设计准则主要是从整体现场浇 注混凝土的规范 中得来 的。尽 管对于具体 到节点和 两端简 支的预制混凝土结构的准则已经 出台了， 但是混凝土规范 的 主要条文仍 是针对连续现浇整体结构 的。 在美 国， 发布建筑规 范的权力都 掌握在 各个州里 ， 而并 不是联邦政府 。在 2 0世纪 的前半个 世纪里 ， 建筑规 范有些 区域化 ， 同时出台并应用 的规范一共有三种不同模式 。甚至 这些规范在应用 中所 基于的原理 都有些不 同。在 东部一些 地区 ， 缺少某规定意味着该 规定可 以任 意做。在西部 ， 缺少 某规定意味着该规定 被禁止 。因为在西部 地震遇 到的频繁 些 ， 人 们 广 泛 都 有 风 险 意 识 。在 需 要 抗 震 设 计 的 地 方 ， 地 震 区预制混凝土的规定 参考现浇混 凝土的规定 。这种 方法就 叫借鉴效仿。 在 地 震 不 频 繁 地 带 ， 侧 向 力 通 常 由 风 荷 载 来 控 制 。 除 了在沿海地 区有像飓风 那样 的强风 ， 设 计 中考 虑风力 的需 求相对较低 。因为混凝 土的 自重 ， 堆叠在 一起 的预制 构件 有足够 的重量去抵抗 风力 ， 从而并 不需 要额外 的机械 连接 来提供外 力。因为这个 事实 和某 些允 许应用 的建 筑规 范 ， 一 些早期 的预 制结 构 从 底 到 顶 的竖 向连 接很 少 ， 约束 也 很 少 。 在 2 O世纪 9 O年代初期 ， 美国联邦政府硬性规定保证 在 进行结构建设考 虑抗震 设计 的要求 必须 在全 国实施 起来 。 建筑规范于 1 9 9 4年修订 以适应 最低抗震 要求 ， 最低也要 满 足 N E H R P的要求。在早期 预制结 构几 乎被 忽略 的抗震 规 范 中， 直 接加入 了有关 预 制结构 的新提 议。但是直 到 2 0 0 2 年 ， 这些 规定才被采用到混凝土规范A C I 3 1 8中。 与此 同时 ， 地 区性规范也加 入有关提高抗震的规定。官 方正努力 将 这 些 规 范 融合 在 一 起形 成 统 一 的 国 家 标准 。 2 0 0 0年 ， 从先前分开的规 范组 中形成 了一个组织 ， 他们 发布 了一个按照 1 9 9 7年 N E H R P规定 的加 强考虑地 震因素统 一 规范 。并且这部统一 的包含严格抗震要求的建筑规范 ， 西部 海岸地区先前一直沿用 。该规范将时间跨度 2 5 0 0年 的地 震 风险作为设计基础。在该统一 规范 出台后 ， 分别与 2 0 0 3年 56 和 2 0 0 6年 进 行 了 修 订 。 现如今 ， 在美 国大部分预制混凝土结构都要进行 系统的 抗震设计 ， 这些设计需要 考虑地震 因素 ， 其 中包 括地震加 速 度和场地 的土质条件。系统 的局 限性是被 允许 的。抗震设 计分类标准决定抗震设 防的等级 。以上这 些依次被 加速参 数和结构 的重 要性来 决定 。抗 震设 计 的类 别 中 A和 B等 级 比较低 ， 风险小。c等级 风 险为 中等。D、 E 、 F的风险等 级是最高 的。在高地震 区的大多数设 计继续按照模拟整体 混凝土建筑 的做法 ， 但节 点连 接有着 不 同的特 点。中低设 防区的预制节点通 常有 一定 的强度和延性 以及结构整体性 的 规 定 。 2预 制 混 凝 土 的原 则 预制的预应力的混凝土结构 有些基 本的特征 ， 包括 ： 提 高 质 量 和经 济 。这 些 基 本 的特 征 如 下 ： 预制 混 凝 土 建 筑 主 要 来 源 于 生 产 而 不 是 现 场 施 工 。 在 工厂中做 的这些构件有很高的效率 、 很好 的质量和安全性 。 预制结构需要的工作都是 远离施工 现场 。从现场 减少 所提供的原材料和部件 可以看 出。加工 的效率可 以通 过在 制作过程中和生产 出的成品 的重 复循 环 中得 到提高。模数 化施工提高了重复性。结构体系根据结构性能 、 生产能 力 以 及运输条件确定标准化尺寸。 结构体 系标准化不仅提高一个项 目的效率 ， 也提高 了多 个项 目的效率。在所有 阶段的设计 、 加 工 和 吊装 ， 简 单是最 重要的。减少不必要 的步骤 和特征 ， 从 而得 到成功 的结果。 有一些方法可 以促进简单化 ： 简支静定的水平构件减少 出错 的机会 。需要 提供 必要 的抗 侧 向力 的系统 构件 ， 但不 要太 多 。采用标 准构造 的整体性连接方法 ， 为解决由于经济原 因 带来不可避免的变化 ， 需要考虑充足 的尺寸。限制现场集 中 施工 ， 除了在工厂加工不能完成 的时候 。有很多可 以提高效 率 、 经济和安全性的方法 和措 施 ， 主要 取决于 现场的需要 和 环境 。 3 抗 震设 计 的 原 则 和 在 预 制 结构 中 的应 用 地震所引起的地 面运动是结 构设计 里唯一的挑 战。在 地震 中建筑物必须抵抗 的力直接 来 自于提供 力的地面运 动 所引起 的扭曲 。结构地震反应的大小 、 内力的分布位移 的多 少除 了与运动的激烈程度有关外 ， 还与建筑物的性质 和基础 的类型有关。地面运动不会产生静荷 载 ， 但是取决 于结构 的 惯性和动力反应。在耐 久性上看 ， 这种作 用时间 是短暂的 ， 第 3 7卷 预 制 预 应 力 混 凝 土 结 构 的抗 震 设 计 第 3期 但是幅度是巨大的。当结构对于地面运动为弹性变形时 ， 最 后的加速度可能是 最大地面 加速度 的好几 倍 。所 以大多数 建筑不需按弹性理论设计 。 除 了不能对运 动产生 弹性变 形外 ， 结 构 应该 在一 个可 以预测和控制 的屈服状态下和 消耗 能量的情况下 承受大 的 变形 。这要求通过 构造保证延性 。美 国的建筑规范要 求按 规定 的地震 力所对应的构造等级进 行设计 。对规 范的要求 进行 了简化 ， 而 不需 要 为达 到抗 震 等级 进 行详 细 的 设计 、 分析 。 大多数 结梅用 与等 效侧 向力 方法 进 行设 计 。这 种方 法 主要依靠 三种 地震参 数来 实现 这 种可 接受 的水平 的 性 能 。这些参 数包括 反应修 正 系数 R， 变形 增 大 系数 c ， 体 系超额 系数 力 。抗 地震 力体 系 的最 初设 计是 基于所 期望 的被 反 应 修 正 系 数 的 2 3消减 的最 大 地 震 加 速 度 进 行 的 ， 从而保 证 了建 筑 的 自然 周 期 和规 定 构 造 所提 供 的延 性 。这种 水平 的力 与生命 安全 是联 系 在一 起 的 ， 就 是说 ， 存 在 一 些 毁 坏 的 构 件 但 是 离 部 分 或 者 全 部 倒 塌 还 是 有 一 定距 离 的。防倒 塌 应 留有 足 够 的储 备 ， 保 证 在 最 大 的 地 震作 用下 不会倒 塌 。 对 于 钢筋 混 凝 土 来 说 ， 规 范 中 的抗 震 设 计 参 数 并 没 有 描 述。他们被列在 A S C E 0 5的设计荷载标准 中 ， 这个标 准是建 筑规范的初步 的参考资 料。在 A S C E 7中， 预制混 凝土体 系 最近已经和整体现浇混凝 土体系分 开 了。并且 最为混凝 土 设计 的一个分支 ， 他们 的价值源 自与分支背景。考虑这 些地 震设计的参数是很重要的 ， 其保证了在预制体 系的设计 和构 造设计 中有足够的延性 。 对于混凝土( 包括拥有地震 参数 的预 制混凝土 ) 抗竖 向 侧 向力系统主要 为墙体和抗 弯框架 。尽管用 钢筋混 凝土 和 预制混凝土能建起桁架或支撑框架 ， 但在美 国的建筑业这些 体系并不普及 ， 在荷载标准 中得不到认可 。这种体系的应用 需要有证 明其设计方法 和构造设计都 和 已经得 到承认 的体 系相似 ， 或者用非线性 的时程分析的设计方法。 预制混凝土结构的设计者 经常选择 预制混凝 土剪力 墙 结构体系进行设 计。这种体 系用 结构墙体所 固有 的刚度 来 阻止建筑在中低 级地 震 中发生 破坏。因为在 普通建 筑 中墙 体都是必需 的， 所以在体系 中， 将之 利用为抗侧 力构 件还是 很有效的。 A S C E中 7种荷载标准承认预制混凝土墙体需要三种级 别 的构造设计。普通的预制混 凝土剪力 墙仅仅 能应用 于低 地 震 区的 建 筑 中 ， 对 于 结 构 的 整 体 只需 要构 造 设 计 。这 些 整 体需求包括对于每片墙在 4 0 k N左右酌荷载下进行至少 2 个基本连接还有 和屋 面板 、 楼板之 间的连接 ， 这些都 是基 于 在最小极 限力下 的现 场加速度 。这 些墙被分 配 了反应 修正 系数 冗 ， 这个 系数 比 1小 ， 也就是 比相 当程度 下的现 浇普通 钢筋混凝土剪力墙小了。对于中度抗震 区来说 ， 预制剪力墙 必须是 中等设防的。这些墙 对于延性连接还有更多 的要求 。 这些墙也有个地震反应 修正 系数 R， 跟相当的现浇 的普通 钢 筋混凝土剪力墙是 一样 的。为 了减少需要设计的地震力 ， 这 些墙将被应用在低地震 区内 。被定义 为抗震 等级高 的建筑 中， 剪力墙必须是 高等设防 的。如果 这样 的话 ， 荷载标 准将 不会 区分整体浇注墙和预制墙 。混凝土规范中要求 ， 预制的 墙体除满足整体浇注墙体的构造设 计外 ， 还要满足应用在 中 等设防剪力墙上的延性构 造设计 。对 这些墙体 包括边缘 构 件的构造设 计是 用加 密的约束箍筋进行 的， 这些 钢筋 是用来 防止在周期荷载下结构发 生屈服后 纵筋发 生屈服 的。对 于 没有仿照整体现浇的剪力墙 的特殊设 防的预制 混凝土剪 力 墙 ， 在 A C I I T G一 5 1中有一 种可 以使用 的用无粘 结后 张预 应力筋连接的墙 体 ， 这 个规 范是 基 于对 墙体 测试 后 而定 的 标准。 对 于有抗 弯 的框架 来说 ， A S C E 7荷 载标 准 没有 在预 制 框架 和整体现浇框架上做一个 明显区分 ， 而是基于非弹性性 质 的构造设计等级分配 了一些抗震参数。在 A C I 3 1 8混凝 土 规范 的定义 中， 对于这些框架和节点的构造设计的定义有合 适 的需求 。普通框架的要求只是符合没有抗震要求 的规范 ， 不 包 括 最 新 的 规 范 为 保 持 普 通 框 架 底 部 钢 筋 的 连 续 性 布 置 的新的要求 。这些框架被分配了一个为 3的反应修正系数。 A C I 3 1 8 把一个 中等设防抗弯的框架定 义为现浇 的混 凝 土框架 ， 这 榀框架符合提供更高延性的特别要求 。他 们分配 了一个反应修正系数 5 。尽管对于预制体 系不被 承认 ， 中等 设 防框 架可能通过严 格模仿 相似 的现浇体 系而被发展 。因 为这需要本质 的作为整体按构造设计的框架 ， 为符合特殊 弯 矩 框架 需求增加构造设 计用来 实现更高 的反应修正 系数会 更 实际是很 可能 的。 A C I 3 1 8通过参考构造设计 的需要来 定义特殊设 防框架 是现浇 的还是预制的。对于特殊设 防的预制框架 ， 这 些对于 剐性连接和延性连接 的需 要和提议都 说 明了这 种框架 不是 整体性 的。A C I 3 1 8通过结 合 A C I 3 7 4 1也说 明了特殊设 防 框架不是整体性的。这就是采 用无粘 结预应 力筋 的 P R E S S 框 架 。 除了抵抗侧 向力体 系 的竖 向单 元 ， 在 A S C E 7和 A C I 3 1 8 中还有楼 板的需要 。尽 管楼板应该 继续提供 足够 的强度 和 刚度 去使垂直 系统 的非 弹性性质 变得灵 活是规范 中本来就 假设 的， 现在的规 范并不能保证这个结果。尽管在连接节点 和侧 向单元之间的荷载路径 中的关键单 元要 承受 比较 大的 荷载 ， 这些荷载是在设计时通过超强系数转换过来 的。在楼 板 上 承 受 高 应 变 的 区 域 必 须 考 虑 额 外 的 强 度 和 延 性 储 备 。 预制预应 力混凝 土协 会通过工业 设计手 册的第 6版的发 表 和抗震设计手册对预制混凝土板的设计提供临时指 南 ， 这将 比规 范 还 要 迫 切 。这 些 来 自于 紧 接 着 1 9 9 4年 地 震 的 完 成 的 研究和预应力协会 的地 震委员会 和研究 的一致 同意。 目前 正在进行预制楼板的全面研 究工作 。 随着 预制混凝 土建筑 的发展 ， 不属于抗侧力 系统 的单元 构件在构 造设计方 面做足够 而考虑是 很重要 的。因为简 支 和预制建筑 的接合性质 、 约束和整体 性并不是有关重力 或侧 向力 的设计规 范的一个本来 结果 。这些特 征必 须要在设计 ( 下转 第 5 9页) 5 7 第 3 7卷 开 发 信 息 集 锦 第 3期 宁屏路天池特大桥 的大跨度钢筋 混凝 土拱桥。大桥全桥长 4 0 5 m， 桥面距 谷 底 1 4 8 m高 ， 主拱净 跨 2 0 5 m， 为钢 筋 混凝土拱 桥 ， 主拱 圈分 3 4节 段 ， 最 重 拱肋达 1 1 8 t ， 采用斜 拉扣锚 索悬臂 架 设 施工技 术 ， 为 目前 国内采用 同类 施 工方法完成 的最大 跨度拱桥 。该桥 地 势险要 ， 施工 条件 差 ， 技 术难 度 大 ， 其 缆 索 吊装 、 斜 拉扣 描索施 工大跨 度 钢 筋混凝土拱桥能较好地 克服在高 山峡 谷 、 水 深 流 急 或 经 常 通 航 的 河 道 上 架 桥 的困难 ， 具有工期 短造价低 的特点 ， 有 良好的经济效益 和社 会效益 。该桥 采用 的施工技术在 我国 山区公路建设 中具有推广使 用价值 。 江苏第一高楼“ 南京紫峰 大厦” 施工技术 由上海建工集 团总承包 的江苏第 一 高楼“ 南 京紫 峰大厦 ” 工 程 ， 该 大厦 4 5 0 m高 ， 共有 8 9层 。在这座超深 、 超 高和特殊 的结 构 形式 建 筑 施 工 过 程 中 ， 先后攻 克了 2 4 m深 基坑 施工 ， 厚 达 3 4 m混凝土大底板 浇捣 ， 高泵程 、 大方量 、 高强度 C 7 0混凝土施工 ， 核心 筒钢 平 台过 钢桁架 层施 工 ， 主楼 外框 架整 体提升 脚手施 工 ， 立体 交叉 施工 安全 防护 ， 屋顶 钢结 构整体 桅杆 吊装 和副楼提前开业等所带 来的八大 施工 技术难题 。 国内第一悬索桥施工 北京市政三公司建成福 建莆 田木 兰溪特大桥。该桥全长 8 6 0 m， 主桥长 3 8 0 m， 为整体 连续 梁 ， 两 边 引桥各 长 2 4 0 i n ， 桥 面宽 3 7 5 m， 全 桥布置 一根 主缆 ， 置于 梁 体 中央 ， 直接 锚 固于 梁 体 ， “ 是一 座 主桥结 构采 用独 塔 、 单 索 道 、 自锚 式 、 现 浇 混凝 土 箱 梁 的 悬索 桥 ” 。由于 自锚 式悬 索 桥的 主缆 锚 固 在主梁两端 ， 取消 了锚 碇 ， 其 受力性质 和施 工 工艺 、 施 工步 骤 以及 施工 控制 与传 统 的地锚 式悬 索桥 完全不 同 ， 必 须先施工 主梁 ， 后施工 主缆系统 ， 整个 施 工 阶段 需经 历多 次体 系转换 ， 施 工 技术复杂 ， 难度特别大 。 移 动 接 触 网 施 工 工 法 由中铁电气化局集 团一公 司编制 完成 的电气化铁路集装箱 站移动式 接 触 网施工工 法通 过铁 道部 评审 ， 正式 成为部级 工法 ， 并在 全路 推 广。移动 式接触网系统与固定式接触 网系统最 大的不 同之 处在 于， 它是一 种在 线路 上方可移动 的接 触网设备 。当需要装 卸集装 箱时 ， 移 动接触 网 系统可 断 电 并移开线路上方 空间 ， 方便 装卸作业 。 在 作业完 毕后 ， 移动接触 网重新 移动 到原有位置 ， 恢复 工作状态 ， 为 电力机 车提供可靠牵引动力 保障。移动式 接 触 网施工工法较为全 面概括了移动接 触 网系统采用的施工新 技术 、 新方法 ， 创立了一 整套 行之 有效 的施 工方 法 ， 为移动接触 网 施工 领域 提供 了统 一 、 规范、 科学的施工技术依据。 Q T 41 0型 自升 式 塔 式 起 重 机 入 选 “ 6 O周 年 工程 机 械 行 业 十 大 典 型应 用工 程” 北京 市 建筑 工 程研 究 院 1 9 7 2年 主持的 自行设 计 、 自行制 造 的 Q T 4 1 0型 自升式塔式起重 机人选 “ 6 0周年 工程机械 行 业 十 大典 型应 用 工 程 ” 。 典 型应用 工程 指 的是 ， 1 9 7 2年 以该 院 的前身北京市建筑工 程研究所所 属的 第 三研究 室为 主 ， 联合北 京 市机械 施 工公司等单位共 同研制成 功的我 国首 创第一代 自升式塔式 起重机 。此 塔机 应用于 1 9 7 3年北京饭店 扩建工程 。 Q T 41 0型 自升 式塔式起 重机 于 1 9 7 2年 l 1月开始设计 ， 先后经过方 案 设计 、 设计 计算 、 设 计制图 、 采购订货 、 加工组 装、 分部及整机试 验 、 工 程使用 等阶段 ， 共用 了九个月的时 间。Q T 4 1 O型 自升式塔式起重机采用 了当时被 认 为是 先进技 术 的液压 顶升机 构 、 外 塔 架 顶 升 、 内塔 架逐 节 接 高 、 小 车 变 幅、 压 弯臂架 及 可控硅 调速 等先进 技 术 。北京饭店扩建工程共 使用 四台塔 机 。四台塔 机 自 1 9 7 3年 9月 4 日到 1 9 7 4年 4月 1 7日累计运转 8 0 0 0多小 时 ， 总吊运重 量 约 6万 多吨 。较 好 地 按期完成了北京饭店扩建 工程 的吊装 任务。而后先 后使 用 于 高井 电站 、 青 年文化 服 务 大 楼 、 西 华 门 工 程 等 的 施 工 。 Q T 41 0型 自升式塔 式起重 机荣 获 1 9 7 8年 全 国科 学 大 会奖 。 自升 式 塔式 起重 机会 战指 挥部 副总指 挥、 设 计组组长原北京市建筑工 程研究所 第 三研究 室 主 任张 士 文 特邀 出席 1 9 7 3 年在人 民大会堂举 行的国庆 宴会 。 2 0 0 9年 l 1月 3日在北 京九 华 山 庄举办的“ 6 O周 年工程 机械行 业辉煌 成就展” 上展 出 了 Q T 41 0型 自升式 塔式起重机 的施工 照片和 当年 自升式 塔式起 重机 设计 组 的全体 成员 照 片。 同时还展 出了该院 的前 身北京市建 筑 工程研究所第三研究室研 制成功 的获 1 9 7 8 年全 国科学大会奖的步履式液 压 挖掘机的照片及其 简介 。 ( 上 接 第 5 7页 ) 建筑时考虑。规范所提供的结构整体性的最低要求。除此 之外 ， 设计者 必须考 虑装 配构 件 的变 形能 力。柱 和墙 必须 能够承受从抗侧 力系 统屈 服后 所预 测 出的侧 向位 移 ， 这种 位移决定于位移增 大系数 ， C ， 还有楼 板 的柔度 。从 非常规 的荷载路径考虑 刚度 也是 很重要 的。缩 短在楼 板之 间墙和 柱的垂直距离 的构造 措施 将会产生 出超 过这些 单元 的抗剪 强度的力 。在构造 设计方面应该 注意避免 或减小 这种情 况 发 生 。 何 瑶编 译 ， 刘航 校核 原 作者 ： N e d M C l e l a n d P h ， D P， E F ， A C I F， P C I 5 9