预应力混凝土框架结构抗震设计
摘要：混凝土受力特点的抗震设计方法并不能保证它的抗震能力，甚至会出现不经济不合理的抗震设计，主要体现在预应力混凝土框架结构的耗能机制、延性设计方法和构造措施方面。
关键词： 预应力混凝土；框架结构；抗震设计
预应力混凝土结构在我国已得到广泛的应用，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GB50011—2010（建筑抗震设计规范》以及GB 50010—2010《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，然而，缺乏系统的理论和试验分析及具体的抗震设计方法，仍然有许多问题值得进一步探讨。
相对于普通混凝土结构，预应力混凝土结构的耗能能力低，最大位移反应较大，延性、耗能能力相对较差。所以。预应力混凝土框架结构抗震设计必须首先满足一般框架的抗震设计原则。
1 预应力混凝土框架结构抗震设计现状
国内外学者对预应力混凝土框架结构抗震能力的研究，特别是多层多跨预应力混凝土框架结构抗震设计方法的研究迄今还不够深入。主要表现在下列几点：
（1）多层多跨预应力混凝土框架结构在地震作用下结构性能研究的试验资料很少，设计人员常常只根据单跨预应力混凝土框架抗震性能的研究成果，将钢筋混凝土框架结构的耗能机制套用于预应力混凝土框架结构。
（2）若预应力混凝土框架结构的耗能机制是梁铰机制。在地震作用下的结构性能与钢筋混凝土框架的差别不大。但是结构的地震反应及边柱纵向主筋配筋率的控制应与钢筋混凝土框架有所区别。许多国家（包括我国）关于预应力混凝土结构抗震设计的条款和规定非常原则，设计者与审图者常发生矛盾。
（3）预应力混凝士框架结构在产生较大的变形之后，有较好的变形恢复能力。其耗能比强度相当、初始刚度相近的钢筋混凝土框架结构略低。但框架结构构件中施加预应力后对框架的抗震能力究竟有什么影响，目前探讨得很少。抗震设计规范中很大部分是根据预应力混凝土构件的抗震性能研究成果、单跨预应力混凝土框架的低周反复荷载试验或振动台试验得到的结果经分析后提出，缺乏全面的研究。预应力混凝土框架结构的抗震能力特别是其抗震设计方法，很值得进一步探讨与研究。
2两阶段抗震设计
建筑抗震设计规范规定应进行两阶段抗震设计。第一阶段为多遇地震作用下变形验算和截面承载力的计算，采取相应的构造措施，保证结构小震不坏和中震可修；第二阶段为罕遇地震作用下结构薄弱部位的弹塑性变形验算，不满足时，或修改方案重算，或采取加强相应的延性构造措施，保证结构大震不倒。
在多遇地震作用下预应力混凝土框槊与钢筋混凝土框架抗震计算的区别主要体现在阻尼比、地震影响系数的取值、预应力作用参与地震作用的荷载效应组合等。
抗震规范中罕遇地震作用下验算结构的弹塑性变形的简化方法，实际上只是满足抗震构造要求，并非真正意义上结构变形验算。
通过实用而简单的能力分析方法可以得到罕遇地震作用下结构的耗能机制、塑性铰的转角和基底总剪力与结构顶端侧移的P-△骨架曲线，或采用弹塑性时程分析法。
框架结构的耗能机制一般有粱铰机制、柱铰机制和混合机制三种。若框架边节点处粱端先屈服。而在框架中柱的上、下端相继出铰，这种屈服机制称之为“混合机制”。梁铰机制和混合机制都只有一个自由度，从塑性总体位移△P可确定各塑性铰截面相应增加的塑性转角θP。
随着框架结构层数的增加，较大的重力荷载使柱轴向压力逐层叠加，特别是最底下几层中柱的轴压比较大，中柱变为小偏心受压，要使下面几层中柱的两端都出铰、并且通过柱铰来耗能是困难的。因为“柱铰”的塑性转动能力不足会发生局部脆性破坏，所以应加强“柱铰”截面处的箍筋约束，减小柱的轴压比，加强结构体系的抗侧能力，减小框架的延性要求。
3框架柱和框架节点的设计要求
若预应力框架层数较多时，随着层数的增加，由于竖向荷载较大，而竖向荷载对柱又是逐层叠加的，这就使得下几层柱的轴压比较大，更接近小偏压柱，所以保证柱子有足够的延性非常重要。多层预应力混凝土框架柱一般为普通混凝土柱。顶层柱考虑到其受力特点，一般要施加预应力。对予普通混凝土柱可按规范中规定的普通钢筋混凝土框架结构中框架柱的设计方法和设计原则进行设计。但由于预应力混凝土结构自身特点，柱的轴压比限值应该要求严格一些。丽如果轴压比过小，则随着层数的增加，竖向荷载不断地加大，底层柱的截面将增大到不合理的程度；而且随着底层柱截面的增加，柱的侧向刚度增大，框架的侧向约柬也将增大。
理论上普遍认为，由子预应力对节点的侧向约束作用，使节点混凝土处于双向受压状态，不仅可以提高混凝土的开裂荷载，也可以提高节点的受剪承载力；由于混凝土中存在预压应力，减轻了节点刚度退化效应；预应力筋抑制了梁筋从节点拔出，减少了梁筋失稳破坏的可能性。而试验结果却并不乐观。这是因为节点处钢筋密集，锚具的存在削弱了截面；而且在强震作用下，节点核心区是受力复杂的高应力区，当斜拉应力很大引起混凝土开裂时，可能同时导致锚固破坏。因此，锚具应布置在梁柱节点核心区域以外，以避免该区域在剪力作用产生较大对角拉应力的情况下，再承受锚具引起的劈裂应力。节点核心区受剪承载力主要与柱子截面尺寸和配箍量有关。因此，应加密箍筋，同时，为了保证节点混凝土浇筑密实，应在满足构造要求的前提下，尽量把粱纵筋锚固到柱里。必要时可将梁端两侧加宽，以保证在梁端截面极限承载力基本保持不变的情况下，梁柱节点区得到加强，提高节点的受剪承载力。
4框架结构的抗震变形验算
抗震变形验算包括：多遇地震作用下层间侧移和顶层总侧移的验算；罕遇地震作用下结构薄弱层的抗震变形验算。对于预应力混凝土结构的抗震设计，我国规范只要求进行小震下的抗震承载力验算，而对其在罕遇地震下弹塑性变形的验算，并没有硬性明确的规定，工程实践中往往只是通过相应的抗震措施来笼统地保证。虽然这种设计方法大大地简化了设计过程，但却显得粗略、且可能使预应力混凝土结构在罕遇地震作用下存在较大的安全隐患。其实一些设计隐患不通过基于构件层次的非线性分析是很难发现的，合理控制结构在强烈地震作用下的损坏程度以减小地震造成的经济损失，有赖于对结构进行弹塑性地震反应分析。而规范建议的2种计算方法，时程分析法虽较为精确，但计算工作量大、技术复杂、结果处理繁杂，因此在实际工程抗震设计中该方法并没有得到广泛的应用，通常仅限于理论研究中；Push—over法简单实用，而且有效，可得到结构从弹性、屈服，一直到极限倒塌状态的全过程的内力、变形，可考察塑性铰的形成，找到结构的薄弱部位。
5 结束语
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。