预应力预应力混凝土框架结构抗震设计探讨混凝土框架结构的抗震设计探讨.pdf

2009年第2期 （ 总第113期 ）Chinese hi- tech enterprises NO. 2 . 2 0 0 9 （ C u m u l a t i v e t y NO. 1 1 3） 中国高新技术企业 预应力混凝土结构在我国已得到了广泛的应用，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； 虽 然 GB 50011- 2001 建 筑 抗 震 设 计 规 范 以 及 GB 50010- 2002 混凝土结构设计规范 对预应力混凝土结构 构件的抗震设计提出了一些要求，随着预应力混凝土框架 结构在地震区的推广应用，其抗震问题迄今仍受到工程界 的关注。这一问题应从两个方面去解决：一是继续深入研 究预应力混凝土框架结构的抗震性能；二是研究预应力混 凝土框架结构的抗震能力及其设计方法。 一、结构的抗震性能与抗震能力 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 于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。 二、框架梁的设计要求 （ 一 ） 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 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的2榀预应力框 架，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。而且考虑到实际工程中，预应力混凝土 结构大都采取现浇或整体I生好的装配式结构，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 议预应力强度比A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。 （ 二 ） 裂缝控制 在预应力强度比A限值下，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。根据有关学者的研究： 1保证裂缝宽度0.1时：1act1.5； 预应力混凝土框架结构的抗震设计探讨 顾鑫 （ 中国新时代国际工程公司，陕西 西安 710054 ） 摘要：在设计多层多跨预应力混凝土框架结构时，一般按抗裂度控制条件计算预应力筋后再按允许的预应力度 确定普通钢筋的数量，则节点抗剪强度不足和“强梁弱柱”难以避免；如果满足梁的截面相对受压区高度的结 构位移延性规定，则梁的抗裂度不易满足。文章考虑预应力混凝土框架结构的受力变形特点，结合实验及理论 研究成果及抗震规范要求，对预应力结构构件设计、结构的变形验算以及无粘结预应力构件的工程应用提出了 抗震设计建议。 关键词：预应力；混凝土；框架结构；抗震设计 中图分类号：TU375文献标识码：A文章编号：1009- 2374 （ 2009 ） 02- 0164- 02 164- 2保证裂缝宽度0.2 时：1act3 （ 三 ） 预应力混凝土框架结构抗裂度的限制 为保证预应力混凝土框架抗震设计的延性要求，对预 应力混凝土框架梁混凝土截面受压区高度和纵向受拉钢筋 配筋率加以限制是至关重要的。 混凝土结构设计规范 （GB50010.2002 ） 第11.8.3条 或 建筑抗震设计规范 （GB50011.2001 ） 附录c2.1.2条，参 考规范ACI318等国外规范及国内的设计经验，对于梁的混 凝土截面相对受压区高度的规定如下：一级抗震等级不应 大于0.25，二、三级抗震等级不应大于0.35，计算中可以考 虑受压钢筋的作用。 当配置受压钢筋时，框架梁截面中有一部分纵向受拉 钢筋可以不包括在受弯承载力压区高度的计算中。但是， 如果受拉钢筋面积过多，将使受压钢筋不能达到抗压设计 强度，就可能引起梁截面发生脆性破坏。为使在地震作用 下，在较大的曲率范围内弯矩一直保持接近最大值，梁具 有良好的延性性能，故对受拉钢筋按非预应力钢筋抗拉强 度设计值换算的最大配筋率作出不宜大于2.5的限值。上 述纵向受拉钢筋的配筋率限值的规定，是采用HRB400级钢 筋的抗拉强度设计值折算得出的，当采用HRB335级钢筋时， 其限值可放松到3.0 。 现行的混凝土结构设计规范及建筑抗震设计规范对预 应力混凝土框架结构的抗震设计采取了限制预应力度的办 法。结构的抗震等级不同，允许预应力度的取值不同。混 凝土结构设计规范第11.8.4条或建筑抗震设计规范附录c. 2.1.1条规定：对一级抗震框架的梁要求预应力度不宜大于 0.55，对于二级及三级抗震框架的梁要求预应力度不宜大于 0.750= A1(A1+ A2）。规范限制预应力度的目的是增加预应 力混凝土框架梁的截面延性 （ 根据预应力混凝土梁的抗震 性能实验结果分析得到的 ）。 现行的混凝土结构设计规范及 预应力混凝土结构抗 震设计规程 对采用钢绞线及高强钢丝作为预应力筋的构 件，一类环境下抗裂等级已降为级，裂缝宽度小于0.2mm （ 屋面梁、托梁、屋架、屋面板、和楼板按级考虑 ）。在7 度及8度抗震设防区，即使按原则设计也很难保证柱上不出 现塑性铰，而部分梁截面塑性铰往往不易出现，则节点抗 剪强度不足和“强梁弱柱”难以避免，若仍要按“强柱弱 梁”原则设计，从而会使柱的截面尺寸和配筋增大到极不 合理的程度，在罕遇地震作用下易发生内节点破坏，且框 架结构的柱、梁抗震设计过分保守。 （ 三 ） 抗震能力设计方法 按能力设计方法进行预应力混凝土框架结构的抗震设 计，可避免罕遇地震作用下结构性能中最难确定的因素， 通过结构潜在塑性铰区域高质量的构造设计，能保证结构 在大侧移变形下不丧失其抗侧能力。结构的抗震能力设计 方法有如下特点： 1明确地给出结构的出铰位置，塑性铰区域的受弯承 载力应接近考虑各种荷载组合要求的承载力。对塑性铰区 域进行详细的抗剪及构造设计，确保罕遇地震作用下要求 的截面曲率延性。 2根据各构件实际配筋、材料标准强度，利用各构件 一定的承载能力差，使预定的耗能机制得以实现。由预定 的耗能机制确定结构最大允许位移。 3允许出铰的构件应防止剪切、钢筋锚固失效和塑性 铰区受压钢筋屈曲等破坏。可由非塑性铰区域始终处于准 弹性状态及塑性铰区域有可靠的构造措施来保证。 各国抗震结构的设计都采用类似“小震不坏、大震不 倒”的原则。结构抗震概念设计中，特别要重视“大震不 倒”这一准则，即在罕遇地震作用下，人为控制用容易修复 的构件耗能以保证主要抗震结构的损伤较轻，罕遇地震持 续期间结构作为一个整体仍能承受重力荷载以减少结构震 后的修复费用。能力设计方法的关键点是：抗震结构通过 结构预定塑性铰的转动来耗散地震输入能量。地震作用具 有明显的不确定性，能力设计方法能适应这种不确定性， 构想出既能经受住罕遇地震作用又可在实际结构中实现的 耗能机制。因此，其抗震能力设计方法应先明确其合理可 行的耗能机制。 三、结语 预应力混凝土框架结构与普通混凝土框架结构相比有 相似的工作性能，但也有自身的受力变形的独特特点，且 延性比普通框架结构要差，所以，其抗震设计相应有更高 的要求并应进一步探索合适的弹塑性变形分析计算方法， 使其具有更好的理论和实验数据支持。研究表明，只要设 计合理，预应力混凝土框架结构不但可以取得良好的经济 效益，而且具有良好的抗震性能，能满足中等地震区的抗 震要求。 参考文献 1王红因，周德源，吴晓涵预应力混凝土框架结构 抗震性能伪静力试验研究J建筑结构，2005，(5) 2徐进，张博文，王祖华预应力混凝土框架的抗震 设计J建筑结构，2002，(1) 3GB500112001建筑抗震设计规范S 4胡庆昌钢筋混凝土框架的抗震设计M北京：地 震出版社，1991 作者简介：顾鑫 （ 1979-），男，中国新时代国际工程 公司工程师，研究方向：土木工程。 165-