框架結(jié)構(gòu)抗震性能分析

吳冠賢

海南現(xiàn)代海灣建筑規(guī)劃設(shè)計有限公司 570000

摘要：本文以預(yù)制鋼筋混凝土為例，簡要闡述了框架結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)整體抗震性能研究以及國內(nèi)外預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范及設(shè)計方法的最新進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：框架結(jié)構(gòu)；抗震性能；分析

一般認(rèn)為，預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的整體抗震性能劣于現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，因此需要在預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中采用特殊構(gòu)造措施，如施加預(yù)應(yīng)力，結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位采用后澆混凝土、添加耗能元件等措施增強預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能。預(yù)制鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)整體抗震性能的研究對該結(jié)構(gòu)在實際工程中的推廣應(yīng)用具有重要意義，本文對預(yù)制預(yù)應(yīng)力拼接鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、后澆整體式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的整體抗震性能進(jìn)行了綜述。

1預(yù)制鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)整體抗震性能研究

1.1預(yù)應(yīng)力拼接鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)整體性能研究

伊利諾斯（Illinois）大學(xué)進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力拼接預(yù)制鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的振動臺試驗研究。試驗結(jié)果表明：小震作用下，預(yù)應(yīng)力拼接結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)，表現(xiàn)與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)類似；大震作用下，預(yù)應(yīng)力筋屈服前結(jié)構(gòu)一直保持彈性，預(yù)應(yīng)力筋屈服后，梁端混凝土壓碎，結(jié)構(gòu)的承載力迅速下降。

加利福尼亞（California）大學(xué)進(jìn)行了預(yù)制鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)擬動力試驗研究。試驗?zāi)Ｐ偷墓?jié)點采用了預(yù)應(yīng)力拼接節(jié)點和后澆整體節(jié)點。試驗結(jié)果表明：荷載作用下，結(jié)構(gòu)的殘余變形很小，預(yù)應(yīng)力夾持作用減小了結(jié)構(gòu)的殘余變形；后澆整體式節(jié)點的耗能能力大于預(yù)應(yīng)力拼接節(jié)點，但后澆整體式節(jié)點的強度損失、殘余變形和損壞程度也大于預(yù)應(yīng)力拼接節(jié)點。

Marura進(jìn)行了3層預(yù)應(yīng)力框架結(jié)構(gòu)的振動臺試驗，研究有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力拼接結(jié)構(gòu)和無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力拼接結(jié)構(gòu)在模擬地震荷載作用下的極限承載能力。研究表明：有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力拼接結(jié)構(gòu)具有很好的延性和自恢復(fù)中心能力。有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力拼接結(jié)構(gòu)的抗震性能優(yōu)于無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力拼接結(jié)構(gòu)，無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力拼接結(jié)構(gòu)的位移主要在梁柱交接面處。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，Pushover方法能夠很好模擬振動臺試驗的結(jié)果。

Ichioka采用鋼板剪力墻降低后張拉預(yù)應(yīng)力框架結(jié)構(gòu)在地震作用下的位移。研究表明：設(shè)置鋼板剪力墻的后張拉預(yù)制預(yù)應(yīng)力預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shè)計方法。

柳炳康等對預(yù)制預(yù)應(yīng)力裝配整體式混凝土框架的抗震性能進(jìn)行了擬靜力和擬動力試驗研究。研究表明：預(yù)應(yīng)力提高了裝配整體式框架結(jié)構(gòu)的整體抗側(cè)剛度；節(jié)點核心區(qū)有著較強的剛性，荷載作用下框架梁端率先出現(xiàn)塑性鉸，層間位移角達(dá)到1 /42時，框架梁柱未產(chǎn)生較嚴(yán)重破壞。

1.2后澆整體式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)整體性能研究

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

羅青兒進(jìn)行了一幅裝配整體式混凝土框架與另一幅現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架在低周反復(fù)荷載作用下的對比試驗。結(jié)果表明：預(yù)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(xiàn)澆鋼筋混凝土框架相似的抗震性能。

楊新磊等進(jìn)行了一榀 1 /2比例的兩層兩跨現(xiàn)澆柱疊合梁框架低周反復(fù)荷載試驗。研究表明：參照現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范設(shè)計的現(xiàn)澆柱疊合梁框架實現(xiàn)了強柱弱梁、強節(jié)點弱構(gòu)件的設(shè)計目標(biāo)；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(xiàn)澆柱疊合梁框架具有良好的耗能能力。

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

1.3裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)整體性能研究

伊利諾斯（Illinois）大學(xué)進(jìn)行了螺栓連接節(jié)點預(yù)制鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的振動臺試驗研究。試驗結(jié)果表明：小震作用下，此類結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)，表現(xiàn)出與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)相似的受力性能；大震作用下，節(jié)點連接螺栓屈服破壞，結(jié)構(gòu)的承載力迅速下降，預(yù)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(jié)點的單層兩跨預(yù)制鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行擬動力試驗研究。研究表明：此類預(yù)制鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)具有較好的抗震性能，當(dāng)層間位移角達(dá)到1 /25時，結(jié)構(gòu)仍具有一定的承載能力，采用橡膠墊螺栓連接的梁柱節(jié)點抗震性能良好，結(jié)構(gòu)體系破壞模式為柱底彎曲破壞。

范力等對預(yù)制鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了擬動力試驗及非線性動力時程分析。結(jié)果表明：數(shù)值仿真與試驗結(jié)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(jié)構(gòu)反應(yīng)峰值影響在5%以內(nèi)。

趙斌等采用端部帶轉(zhuǎn)動彈簧的梁單元模型，對柔性節(jié)點預(yù)制鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的動力特性及其在地震作用下的動力反應(yīng)規(guī)律進(jìn)行了研究。研究表明：結(jié)構(gòu)自振頻率隨節(jié)點相對剛度比的增加不斷增大；結(jié)構(gòu)峰值位移反應(yīng)隨著節(jié)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(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

2.1基于等效單質(zhì)點的性能設(shè)計方法

Priestley提出了預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)基于等效單質(zhì)點的性能設(shè)計方法，設(shè)計步驟為：

1）假定等效單質(zhì)點體系的屈服層間位移△y。由于△y的變化對最終結(jié)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(zhì)點體系的高度。

2）確定等效單質(zhì)點的極限層間位移角θu°θu的確定依據(jù)有：結(jié)構(gòu)的重要性、結(jié)構(gòu)損傷極限、極限層間位移角、截面尺寸、塑性鉸的損傷狀態(tài)等。

3）計算等效單質(zhì)點的極限層間位移△u，△u=θuL。

4）根據(jù)不同結(jié)構(gòu)體系的延性系數(shù)確定結(jié)構(gòu)的等效阻尼比。延性系數(shù)的計算式為μ△=△u/△y。Priestley給出了不同結(jié)構(gòu)的等效阻尼比和延性系數(shù)的關(guān)系曲線。

5）根據(jù)彈性位移反應(yīng)譜，計算等效單質(zhì)點體系極限位移下的周期T。由T=2л可得到結(jié)構(gòu)的割線剛度Keff = 4л2M/T2，結(jié)構(gòu)在極限位移下的基底剪力需求為F u =Keff△u。

6）根據(jù)結(jié)構(gòu)的基底剪力需求確定預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)預(yù)制梁、預(yù)制柱的截面尺寸。由預(yù)制梁和預(yù)制柱的截面尺寸可以計算出新結(jié)構(gòu)的彈性剛度、屈服位移和等效阻尼比。

7）重復(fù)4-6步，直到計算結(jié)果收斂。

2.3其他設(shè)計方法

Morgen提出設(shè)置摩擦阻尼器的無黏結(jié)后張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法。該設(shè)計方法中，后張拉預(yù)應(yīng)力提供結(jié)構(gòu)所需抗側(cè)能力，摩擦阻尼器提供結(jié)構(gòu)所需的阻尼，摩擦阻尼器和后張拉預(yù)應(yīng)力共同提供梁端的抗彎能力。該設(shè)計方法的設(shè)計目標(biāo)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(cè)力所需的后張預(yù)應(yīng)力筋的數(shù)量。低周反復(fù)試驗表明：通過該設(shè)計方法設(shè)計的設(shè)置摩擦阻尼器的后張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，滿足美國ACI-318（（混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》的強度要求和耗能要求，并且在低周反復(fù)荷載作用下該結(jié)構(gòu)仍具有良好的自恢復(fù)中心能力。

3結(jié)語

通過綜述國內(nèi)外預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范及設(shè)計方法的研究進(jìn)展，有實驗可以得知，預(yù)應(yīng)力拼接裝配式結(jié)構(gòu)、裝配整體式結(jié)構(gòu)的強度和剛度能夠接近或達(dá)到等效現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的水平，但其耗能能力低于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，因此可以采用設(shè)置耗能阻尼器的方法增加結(jié)構(gòu)的耗能能力。

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