預(yù)應(yīng)力預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)探討混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)

1、2009年第 2期(總第 113期 Chinese hi-tech enterprisesNO.2.2009 (CumulativetyNO.113中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)在我國(guó)已得到了廣泛的應(yīng)用,但對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震設(shè)計(jì)研究及建議遠(yuǎn)不夠系統(tǒng);雖 然 GB 50011-2001 建 筑 抗 震 設(shè) 計(jì) 規(guī) 范 以 及 GB 50010-2002 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu) 構(gòu)件的抗震設(shè)計(jì)提出了一些要求,隨著預(yù)應(yīng)力混凝土框架 結(jié)構(gòu)在地震區(qū)的推廣應(yīng)用,其抗震問題迄今仍受到工程界 的關(guān)注 。 這一問題應(yīng)從兩個(gè)方面去解決:一是繼續(xù)深入研 究預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能;

2、二是研究預(yù)應(yīng)力混 凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震能力及其設(shè)計(jì)方法 。一 、 結(jié)構(gòu)的抗震性能與抗震能力結(jié)構(gòu)的抗震性能是指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件所固有的基本特征, 諸如滯回環(huán)的形狀 、 延性 、 耗能等性能 。 結(jié)構(gòu)的抗震能力 是指整體結(jié)構(gòu)抵抗既定烈度地震作用的能力,它不僅取決 于結(jié)構(gòu)自身的抗震性能,而且取決于結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)方法 。 結(jié)構(gòu)的抗震性能與結(jié)構(gòu)的抗震能力既有聯(lián)系又有區(qū)別 。 結(jié)構(gòu)的抗震能力建立在結(jié)構(gòu)抗震性能的基礎(chǔ)上 。 然而在一 定的條件下,用抗震性能較差的材料也能設(shè)計(jì)出抗震能力 較好的結(jié)構(gòu)來 。 反之,即使采用抗震性能好的材料,如果 結(jié)構(gòu)的耗能機(jī)制選擇及設(shè)計(jì)不合理,也會(huì)使得整體結(jié)構(gòu)的 抗震能力較差 。抗震性能

3、反應(yīng)了某種材料或結(jié)構(gòu)形式的固有特性,是 抗震設(shè)計(jì)所依據(jù)的基礎(chǔ);結(jié)構(gòu)抗震能力則是可以改變的, 它取決于設(shè)計(jì)者所采用的設(shè)計(jì)方法及所把握的安全度準(zhǔn)則 。 結(jié)構(gòu)的抗震性能是基本的 、 本質(zhì)的 、 相對(duì)穩(wěn)定的;結(jié)構(gòu)的 抗震能力則依賴于設(shè)計(jì),是可變化的 。二 、 框架梁的設(shè)計(jì)要求(一 預(yù)應(yīng)力度的限制預(yù)應(yīng)力度的選擇需要全面考慮使用階段和抗震性能兩方 面的要求 。 從使用階段看,為滿足結(jié)構(gòu)抗裂和撓度控制要 求,預(yù)應(yīng)力度大一些好;從抗震角度,為保證構(gòu)件延性和 耗能的要求,預(yù)應(yīng)力度不宜過大 。 預(yù)應(yīng)力度按強(qiáng)度比的表 達(dá)式為 預(yù)應(yīng)力筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值; 非預(yù)應(yīng)力筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值 。預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能試驗(yàn)

4、中的 2榀預(yù)應(yīng)力框 架,預(yù)應(yīng)力度均為 0.75,這是許多研究中確定的預(yù)應(yīng)力度上 限值 。 試驗(yàn)結(jié)果表明,梁端能夠出現(xiàn)塑性鉸,但不是典型 的梁鉸破壞機(jī)制 。 而且考慮到實(shí)際工程中,預(yù)應(yīng)力混凝土 結(jié)構(gòu)大都采取現(xiàn)澆或整體 I 生好的裝配式結(jié)構(gòu),再加上樓面 板的作用,使得框架梁的剛度和強(qiáng)度大大提高 。 所以,建 議預(yù)應(yīng)力強(qiáng)度比 A 的取值:一級(jí)不宜大于 0.5,二 、 三級(jí)不宜 大于 0.7。 這樣,可很好地兼顧滿足梁的抗震性能和使用性 能兩方面的要求 。(二 裂縫控制在預(yù)應(yīng)力強(qiáng)度比 A 限值下,按一級(jí)抗裂和二級(jí)抗裂要求 設(shè)計(jì)的預(yù)應(yīng)力構(gòu)件若要滿足抗震要求,必然截面尺寸要大, 而且僅預(yù)應(yīng)力筋本身就已滿足

5、受彎承載力要求,為了增加 梁端截面延性,再按要求加配非預(yù)應(yīng)力筋,截面的抗彎能 力過大,若要達(dá)到 “ 強(qiáng)柱弱梁 ” 要求,必然導(dǎo)致框架柱截 面尺寸及配筋要很大 。我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范中對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的裂縫控制 過于嚴(yán)格,其理論基礎(chǔ)是:預(yù)應(yīng)力筋長(zhǎng)期處于較高應(yīng)力狀 態(tài),對(duì)腐蝕影響更加敏感,一旦損壞,危害更大 。 但同時(shí) 我們也應(yīng)注意到預(yù)應(yīng)力筋處于普通鋼筋內(nèi)側(cè),而且混凝土 保護(hù)層厚,所以對(duì)處于正常工作環(huán)境的構(gòu)件適當(dāng)放寬裂縫 控制要求,是合理的 。一般情況下,對(duì)處于正常工作環(huán)境的預(yù)應(yīng)力框架,可 以將短期荷載效應(yīng)和長(zhǎng)期荷載效應(yīng)組合下的拉應(yīng)力限制系 數(shù) 放寬,即按三級(jí)抗裂要求進(jìn)行設(shè)計(jì),為避免裂 縫寬度的繁瑣

6、計(jì)算,建議采用 “ 名義拉應(yīng)力 ” 方法進(jìn)行抗 裂驗(yàn)算 。 根據(jù)有關(guān)學(xué)者的研究:1. 保證裂縫寬度 0.1時(shí):1 act 1.5;預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)探討顧 鑫(中國(guó)新時(shí)代國(guó)際工程公司,陜西 西安 710054摘要:在設(shè)計(jì)多層多跨預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)時(shí),一般按抗裂度控制條件計(jì)算預(yù)應(yīng)力筋后再按允許的預(yù)應(yīng)力度 確定普通鋼筋的數(shù)量,則節(jié)點(diǎn)抗剪強(qiáng)度不足和 “ 強(qiáng)梁弱柱 ” 難以避免;如果滿足梁的截面相對(duì)受壓區(qū)高度的結(jié) 構(gòu)位移延性規(guī)定,則梁的抗裂度不易滿足 。 文章考慮預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)的受力變形特點(diǎn),結(jié)合實(shí)驗(yàn)及理論 研究成果及抗震規(guī)范要求,對(duì)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì) 、 結(jié)構(gòu)的變形驗(yàn)算以及無粘結(jié)

7、預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的工程應(yīng)用提出了 抗震設(shè)計(jì)建議 。關(guān)鍵詞:預(yù)應(yīng)力;混凝土;框架結(jié)構(gòu);抗震設(shè)計(jì)中圖分類號(hào) :TU375 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 : A 文章編號(hào) :1009-2374(2009 02-0164-02 164-2. 保證裂縫寬度 0.2時(shí):1 act 3(三 預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)抗裂度的限制為保證預(yù)應(yīng)力混凝土框架抗震設(shè)計(jì)的延性要求,對(duì)預(yù) 應(yīng)力混凝土框架梁混凝土截面受壓區(qū)高度和縱向受拉鋼筋 配筋率加以限制是至關(guān)重要的 。 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 (GB50010.2002 第 11.8.3條 或 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范 (GB50011.2001 附錄 c . 2.1.2條,參 考規(guī)范 ACI318等國(guó)外規(guī)范及

8、國(guó)內(nèi)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),對(duì)于梁的混 凝土截面相對(duì)受壓區(qū)高度的規(guī)定如下:一級(jí)抗震等級(jí)不應(yīng) 大于 0.25,二 、 三級(jí)抗震等級(jí)不應(yīng)大于 0.35,計(jì)算中可以考 慮受壓鋼筋的作用 。當(dāng)配置受壓鋼筋時(shí),框架梁截面中有一部分縱向受拉 鋼筋可以不包括在受彎承載力壓區(qū)高度的計(jì)算中 。 但是, 如果受拉鋼筋面積過多,將使受壓鋼筋不能達(dá)到抗壓設(shè)計(jì) 強(qiáng)度,就可能引起梁截面發(fā)生脆性破壞 。 為使在地震作用 下,在較大的曲率范圍內(nèi)彎矩一直保持接近最大值,梁具 有良好的延性性能,故對(duì)受拉鋼筋按非預(yù)應(yīng)力鋼筋抗拉強(qiáng) 度設(shè)計(jì)值換算的最大配筋率作出不宜大于 2.5%的限值 。 上 述縱向受拉鋼筋的配筋率限值的規(guī)定,是采用 HRB40

9、0級(jí)鋼 筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值折算得出的,當(dāng)采用 HRB335級(jí)鋼筋時(shí), 其限值可放松到 3.0%?，F(xiàn)行的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范及建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)預(yù) 應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)采取了限制預(yù)應(yīng)力度的辦 法 。 結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)不同,允許預(yù)應(yīng)力度的取值不同 。 混 凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范第 11.8.4條或建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范附錄 c. 2.1.1條規(guī)定:對(duì)一級(jí)抗震框架的梁要求預(yù)應(yīng)力度不宜大于 0.55,對(duì)于二級(jí)及三級(jí)抗震框架的梁要求預(yù)應(yīng)力度不宜大于 0.750=A 1/(A 1+A 2 。 規(guī)范限制預(yù)應(yīng)力度的目的是增加預(yù)應(yīng) 力混凝土框架梁的截面延性 (根據(jù)預(yù)應(yīng)力混凝土梁的抗震 性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得到的 。現(xiàn)行的混

10、凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范及 預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)抗 震設(shè)計(jì)規(guī)程 對(duì)采用鋼絞線及高強(qiáng)鋼絲作為預(yù)應(yīng)力筋的構(gòu) 件,一類環(huán)境下抗裂等級(jí)已降為 級(jí),裂縫寬度小于 0.2mm (屋面梁 、 托梁 、 屋架 、 屋面板 、 和樓板按 級(jí)考慮 。 在 7度及 8度抗震設(shè)防區(qū),即使按原則設(shè)計(jì)也很難保證柱上不出 現(xiàn)塑性鉸,而部分梁截面塑性鉸往往不易出現(xiàn),則節(jié)點(diǎn)抗 剪強(qiáng)度不足和 “ 強(qiáng)梁弱柱 ” 難以避免,若仍要按 “ 強(qiáng)柱弱 梁 ” 原則設(shè)計(jì),從而會(huì)使柱的截面尺寸和配筋增大到極不 合理的程度,在罕遇地震作用下易發(fā)生內(nèi)節(jié)點(diǎn)破壞,且框 架結(jié)構(gòu)的柱 、 梁抗震設(shè)計(jì)過分保守 。(三 抗震能力設(shè)計(jì)方法按能力設(shè)計(jì)方法進(jìn)行預(yù)應(yīng)力混凝土框架

11、結(jié)構(gòu)的抗震設(shè) 計(jì),可避免罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)性能中最難確定的因素, 通過結(jié)構(gòu)潛在塑性鉸區(qū)域高質(zhì)量的構(gòu)造設(shè)計(jì),能保證結(jié)構(gòu) 在大側(cè)移變形下不喪失其抗側(cè)能力 。 結(jié)構(gòu)的抗震能力設(shè)計(jì) 方法有如下特點(diǎn):1. 明確地給出結(jié)構(gòu)的出鉸位置,塑性鉸區(qū)域的受彎承 載力應(yīng)接近考慮各種荷載組合要求的承載力 。 對(duì)塑性鉸區(qū) 域進(jìn)行詳細(xì)的抗剪及構(gòu)造設(shè)計(jì),確保罕遇地震作用下要求 的截面曲率延性 。2. 根據(jù)各構(gòu)件實(shí)際配筋 、 材料標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度,利用各構(gòu)件 一定的承載能力差,使預(yù)定的耗能機(jī)制得以實(shí)現(xiàn) 。 由預(yù)定 的耗能機(jī)制確定結(jié)構(gòu)最大允許位移 。3. 允許出鉸的構(gòu)件應(yīng)防止剪切 、 鋼筋錨固失效和塑性 鉸區(qū)受壓鋼筋屈曲等破壞 。 可

12、由非塑性鉸區(qū)域始終處于準(zhǔn) 彈性狀態(tài)及塑性鉸區(qū)域有可靠的構(gòu)造措施來保證 。各國(guó)抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)都采用類似 “ 小震不壞 、 大震不 倒 ” 的原則 。 結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)中,特別要重視 “ 大震不 倒 ” 這一準(zhǔn)則,即在罕遇地震作用下,人為控制用容易修復(fù) 的構(gòu)件耗能以保證主要抗震結(jié)構(gòu)的損傷較輕,罕遇地震持 續(xù)期間結(jié)構(gòu)作為一個(gè)整體仍能承受重力荷載以減少結(jié)構(gòu)震 后的修復(fù)費(fèi)用 。 能力設(shè)計(jì)方法的關(guān)鍵點(diǎn)是:抗震結(jié)構(gòu)通過 結(jié)構(gòu)預(yù)定塑性鉸的轉(zhuǎn)動(dòng)來耗散地震輸入能量 。 地震作用具 有明顯的不確定性,能力設(shè)計(jì)方法能適應(yīng)這種不確定性, 構(gòu)想出既能經(jīng)受住罕遇地震作用又可在實(shí)際結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)的 耗能機(jī)制 。 因此,其抗震能力設(shè)計(jì)方法應(yīng)先明確其合理可 行的耗能機(jī)制 。三 、 結(jié)語(yǔ)預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)與普通混凝土框架結(jié)構(gòu)相比有 相似的工作性能,但也有自身的受力變形的獨(dú)特特點(diǎn),且 延性比普通框架結(jié)構(gòu)要差,所以,其抗震設(shè)計(jì)相應(yīng)有更高 的要求并應(yīng)進(jìn)一步探索合適的彈塑性變形分析計(jì)算方法, 使其具有更好的理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持 。 研究表明,只要設(shè) 計(jì)合理,預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)不但可以取得良好的經(jīng)濟(jì) 效益,而且具有良好的抗震性能,能滿足中等地震區(qū)的抗 震要求 。參考文獻(xiàn)1王紅因,周德源,吳曉涵 .