框架结构抗震性能分析

吴冠贤

海南现代海湾建筑规划设计有限公司 570000

摘要：本文以预制钢筋混凝土为例，简要阐述了框架结构抗震性能研究的重要性，简单介绍了我国制钢筋混凝土框架结构整体抗震性能研究以及国内外预制钢筋混凝土结构设计规范及设计方法的最新进展。

关键词：框架结构；抗震性能；分析

一般认为，预制钢筋混凝土结构的整体抗震性能劣于现浇钢筋混凝土结构，因此需要在预制装配式混凝土结构中采用特殊构造措施，如施加预应力，结构关键部位采用后浇混凝土、添加耗能元件等措施增强预制钢筋混凝土结构的抗震性能。预制钢筋混凝土框架结构整体抗震性能的研究对该结构在实际工程中的推广应用具有重要意义，本文对预制预应力拼接钢筋混凝土结构、后浇整体式钢筋混凝土结构、装配式钢筋混凝土结构的整体抗震性能进行了综述。

1预制钢筋混凝土框架结构整体抗震性能研究

1.1预应力拼接钢筋混凝土结构整体性能研究

伊利诺斯（Illinois）大学进行了预应力拼接预制钢筋混凝土框架结构的振动台试验研究。试验结果表明：小震作用下，预应力拼接结构处于弹性状态，表现与现浇结构类似；大震作用下，预应力筋屈服前结构一直保持弹性，预应力筋屈服后，梁端混凝土压碎，结构的承载力迅速下降。

加利福尼亚（California）大学进行了预制钢筋混凝土框架结构拟动力试验研究。试验模型的节点采用了预应力拼接节点和后浇整体节点。试验结果表明：荷载作用下，结构的残余变形很小，预应力夹持作用减小了结构的残余变形；后浇整体式节点的耗能能力大于预应力拼接节点，但后浇整体式节点的强度损失、残余变形和损坏程度也大于预应力拼接节点。

Marura进行了3层预应力框架结构的振动台试验，研究有黏结预应力拼接结构和无黏结预应力拼接结构在模拟地震荷载作用下的极限承载能力。研究表明：有黏結预应力拼接结构具有很好的延性和自恢复中心能力。有黏结预应力拼接结构的抗震性能优于无黏结预应力拼接结构，无黏结预应力拼接结构的位移主要在梁柱交接面处。数值模拟结果显示，Pushover方法能够很好模拟振动台试验的结果。

Ichioka采用钢板剪力墙降低后张拉预应力框架结构在地震作用下的位移。研究表明：设置钢板剪力墙的后张拉预制预应力预制钢筋混凝土结构在地震作用下具有良好的耗能性能和较小的残余变形。同时，Ichioka提出钢板剪力墙结构黏滞阻尼比和残余位移的简化计算方法，给出了钢板剪力墙的设计方法。

柳炳康等对预制预应力装配整体式混凝土框架的抗震性能进行了拟静力和拟动力试验研究。研究表明：预应力提高了装配整体式框架结构的整体抗侧刚度；节点核心区有着较强的刚性，荷载作用下框架梁端率先出现塑性铰，层间位移角达到1 /42时，框架梁柱未产生较严重破坏。

1.2后浇整体式钢筋混凝土结构整体性能研究

蔡建国进行了3个不同键槽长度的预制钢筋混凝土框架中节点（世构体系）和一榀两跨三层框架结构的低周反复荷载试验研究。研究表明：不同键槽长度的框架中节点的滞回曲线均较丰满，节点耗能能力较强；框架结构的梁铰耗能机制提高了结构整体的耗能能力。

罗青儿进行了一幅装配整体式混凝土框架与另一幅现浇钢筋混凝土框架在低周反复荷载作用下的对比试验。结果表明：预制柱采用钢管混凝土榫式接头，梁柱间采用齿槽接头，梁、柱纵筋采用滚轧直螺纹连接的装配整体式混凝土框架具有与现浇钢筋混凝土框架相似的抗震性能。

杨新磊等进行了一榀 1 /2比例的两层两跨现浇柱叠合梁框架低周反复荷载试验。研究表明：参照现行混凝土结构设计规范设计的现浇柱叠合梁框架实现了强柱弱梁、强节点弱构件的设计目标；框架的破坏机制为混合机制；框架整体及层间的滞回曲线均较为饱满，表明现浇柱叠合梁框架具有良好的耗能能力。

Martinelli在梁柱节点处设置摩擦耗能装置增加结构的耗能能力和延性性能。研究表明：在水平荷载作用下，节点区的剪力有一定的增加，顶点位移和柱角弯矩显著减小，结构的耗能性能得到较大的提高。

1.3装配式钢筋混凝土结构整体性能研究

伊利诺斯（Illinois）大学进行了螺栓连接节点预制钢筋混凝土框架结构的振动台试验研究。试验结果表明：小震作用下，此类结构处于弹性状态，表现出与现浇结构相似的受力性能；大震作用下，节点连接螺栓屈服破坏，结构的承载力迅速下降，预制梁柱损伤较小。

范力等对2个采用橡胶垫螺栓连接梁柱节点的单层两跨预制钢筋混凝土框架结构进行拟动力试验研究。研究表明：此类预制钢筋混凝土框架结构具有较好的抗震性能，当层间位移角达到1 /25时，结构仍具有一定的承载能力，采用橡胶垫螺栓连接的梁柱节点抗震性能良好，结构体系破坏模式为柱底弯曲破坏。

范力等对预制钢筋混凝土框架结构进行了拟动力试验及非线性动力时程分析。结果表明：数值仿真与试验结果吻合较好；在加载幅值逐级增大情况下，损伤累积仅对各工况开始阶段有较大影响，对结构反应峰值影响在5%以内。

赵斌等采用端部带转动弹簧的梁单元模型，对柔性节点预制钢筋混凝土框架结构的动力特性及其在地震作用下的动力反应规律进行了研究。研究表明：结构自振频率随节点相对刚度比的增加不断增大；结构峰值位移反应随着节点相对刚度比的增加呈总体下降趋势，但下降趋势和程度受输入地震波能量分布特征的影响，并可能局部增大。

2预制钢筋混凝土结构设计方法

2.1基于等效单质点的性能设计方法

Priestley提出了预制钢筋混凝土结构基于等效单质点的性能设计方法，设计步骤为：

1）假定等效单质点体系的屈服层间位移△y。由于△y的变化对最终结果影响不大，因此原则上可以任意选择屈服层间位移。实际计算时建议取屈服层间位移角θy =0.003，△y=θyL，L为等效单质点体系的高度。

2）确定等效单质点的极限层间位移角θu°θu的确定依据有：结构的重要性、结构损伤极限、极限层间位移角、截面尺寸、塑性铰的损伤状态等。

3）计算等效单质点的极限层间位移△u，△u=θuL。

4）根据不同结构体系的延性系数确定结构的等效阻尼比。延性系数的计算式为μ△=△u/△y。Priestley给出了不同结构的等效阻尼比和延性系数的关系曲线。

5）根据弹性位移反应谱，计算等效单质点体系极限位移下的周期T。由T=2л可得到结构的割线刚度Keff = 4л2M/T2，结构在极限位移下的基底剪力需求为F u =Keff△u。

6）根据结构的基底剪力需求确定预制混凝土结构预制梁、预制柱的截面尺寸。由预制梁和预制柱的截面尺寸可以计算出新结构的弹性刚度、屈服位移和等效阻尼比。

7）重复4-6步，直到计算结果收敛。

2.3其他设计方法

Morgen提出设置摩擦阻尼器的无黏结后张拉预应力钢筋混凝土框架结构的设计方法。该设计方法中，后张拉预应力提供结构所需抗侧能力，摩擦阻尼器提供结构所需的阻尼，摩擦阻尼器和后张拉预应力共同提供梁端的抗弯能力。该设计方法的设计目标为在给定梁柱截面和确定摩擦阻尼器位置的框架中，计算出摩擦阻尼器的滑移力和耗能需求，以及提供抗侧力所需的后张预应力筋的数量。低周反复试验表明：通过该设计方法设计的设置摩擦阻尼器的后张拉预应力钢筋混凝土框架结构，满足美国ACI-318（（混凝土结构设计规范》的强度要求和耗能要求，并且在低周反复荷载作用下该结构仍具有良好的自恢复中心能力。

3结语

通过综述国内外预制钢筋混凝土结构设计规范及设计方法的研究进展，有实验可以得知，预应力拼接装配式结构、装配整体式结构的强度和刚度能够接近或达到等效现浇结构的水平，但其耗能能力低于现浇结构，因此可以采用设置耗能阻尼器的方法增加结构的耗能能力。

参考文献：

[1]刘翔宇，楚留声.方钢管混凝土柱-钢梁组合框架结构抗震性能研究[J].河南科学，2014，02：72-74

[2]肖建庄，丁陶，王长青，范氏莺.现浇与预制再生混凝土框架结构抗震性能对比分析[J].东南大学学报（自然科学版），2014，04：194-198.

[3]赵慧玲，叶志明.钢-混凝土组合结构抗震}r}能研究进展[J].力学与实践，2014，07：1-8.

[4]张晓雪.纤维布加固钢筋混凝土框架結构抗震性能研究[J].天津城建大学，2013，12：1-72.