预制装配混凝土框架结构抗震特性分析

刘晓峰

摘 要：装配式框架结构抗震耗能力相比于现浇式框架结构差，在已发生的地震该类型结构均存在一定程度的破坏，甚至倒塌，给社会带来了较大的损失及灾难。因此，对预制框架结构抗震性能的特性展开深入分析研究己经刻不容缓。文章主要从装配式混凝土的结构类型与要求出发，以世构体系框架结构为研究切入点，对该类型结构的抗震特性进行了深入分析，为提高预制装配混凝土框架结构抗震性能提供了一定的参考价值。

关键词：预制装配；混凝土；框架结构；抗震特性

中图分类号：TU352.11 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）14-0146-03

由于预应力装配式框架结构前期在抗震及预制构件质量上研究不够深入，实际应用上存在一定的问题，这也导致在一段时间对装配式混凝土结构的持续发展造成了一定的影响。最近几年，伴随着经济的快速发展以及节能环保要求的不断提升，国内装配式结构相关的研究以及实际应用均取得了全面进展，很多研究工作者和研究单位均在该领域进行了大量的理论及试验研究，并出现了一大批标杆工程。本文主要从装配式混凝土的结构类型与要求出发，以世构体系框架结构为研究切入点，对该类型结构的抗震特性进行了深入分析。

1 装配式混凝土的结构类型与要求

就目前国内而言，国内外预制装配式混凝土结构可以分为三类结构，即预制装配式框架、预制装配式剪力墙、预制装配式框架-现浇剪力墙三类结构。承受竖向荷载的主要构件均可全部要求现浇、预制或预制与现浇结合。

装配式框架结构通常由预制柱、预制梁、预制楼板以及非承重墙板组成。因为预制混凝土框架容易在震区遭受破坏，因此，其在震区的应用在很长一段时间内均止步不前，但是，美国统一建筑规范许可在高烈度地震区应用预制混凝土结构，这也从侧面表明装配式框架结构在刚度、强度等方面经试验和分析证明强于现浇混凝土结构。所以，评价装配框架结构体系或者分析该结构的抗震机理时往往一致于现浇结构，而承重构件之间的节点，拼缝连接设计和施工均与现浇结构要求相同，所形成的结构体系在性能上应等同于现浇结构，同时具备基本一致的适用高度、抗震等级。

2 装配式混凝土的结构形式及其特点

在装配式混凝土的结构形式中，其中世构体系技术是一项最典型的技术，它是我国从国外引进混凝土装配整体式框架结构的一种全新的体系，该体系为整浇节点的一次受力叠合框架，包括预制混凝土柱、预制预应力混凝土叠合梁、板等预制构件。

世构体系内的预制柱、预制预应力梁、板的生产一般会在合作预制厂内依照图纸施工，施工完毕后将形成各类构件的拆解设计图纸，然后完成构件模具的设计，并对预制构件钢筋笼进行加工，试配混凝土，确定各个预制构件分项工程的预制顺序后，最终生产出符合设计要求的预制构件。这种装配式结构形式引入国内后，被广泛地应用于大卖场、住宅等多类建筑施工过程中。

世构体系之所以特殊，是由于其节点构造较为特殊。世构体系的结构主要由U形钢筋、键槽、和现浇混凝土这三部分节点组成。U形钢筋在键槽里面和预应力钢绞线相互搭接链接，U形钢筋对节点的抗震性能有直接的影响，因此，必须重视起设计及施工过程。因为该体系结构不是全预制，构件需要现场浇筑，所以，世构体系属于强连接类型的一种。世构体系的结构形式，如图1和图2所示。

世构体系不仅具有工期短、经济相对实惠、施工速度快等诸多优点，而且先张预应力技术在该体系中得到了很好的运用，从而使构件截面得到了大面积的减小，这样使结构本事重量得到减轻的同时，而且使工程造价得到了很多程度的控制和节省。

在施工方面，该体系使用钢材的量也相对较低，而且施工形式也简单快捷。

3 装配式混凝土的框架结构抗震能力分析

为了能全面深入的熟悉和掌握世构体系整体框架结构对抗震性能的影响程度，我们通过实验设计了一个三层两跨的平面框架结构形式，通过反复的观察实验，然后通过计算机程序对静力塑性进行分析研究。

3.1 装配式混凝土的框架结构算例

假定实验模型为完全刚性的装配式混凝土框架节点，是按照现浇结构相同的方式建立的；现取上下层结构中柱长度的一半即H0/2的反弯点位置和混凝土框架结构边框处的梁长的三分之一即L0/3为切入点，按1：3缩尺比例进行实设计，一共为三个节点，分别为一个现浇节点和两个预制节点。实验算例模型的结构示意图和梁、柱、板的截面及其配筋情况，如图3所示。

3.2 建立合适的计算模型

为了能更加清楚的分析装配式混凝土的框架结构的性能，我们必须建立起一个简捷且高效适用的计算模型，文章的计算模型将是通过梁柱中含塑性铰的单元和纤维截面对多个部位进行模拟的：

①梁柱中含塑性铰的单元：此部分主要由位于中心位置的线弹性和分列于两旁的塑性铰区部分组成。塑性铰区往往是集中出现单元塑性的部位。我们通常采用自定义截面的方式来定义出塑性铰区，这里我们所讲的塑性铰区采用的是下面纤维截面。至于框架梁的部分，因为该单元中最薄弱的部位为键槽，因此键槽部位的长度和塑性铰区的长度定义一致；至于框架柱的部分，我们选取的是弯矩作用方向柱所在的截面尺寸的一半即0.5 h的位置（弯矩作用方向柱所在的截面尺寸为h）。

②纤维截面部分：纤维截面主要组成部分为通用形状且简单方便的片（path），例如三角形、圆形和四边形等等。另外，截面里面的配筋情况截面可以根据使用层（Layer）来确定。然后根据精度的要求不同，把片继续细分成单独个体的纤维。提供约束作用箍筋将受压强度的核心区混凝土截面与根据属性各异的材料的提升极限应变归类到纤维。在进行计算纤维截面的过程中，轴向力和截面弯矩的互相约束都包含在其中。纤维截面的部位图，如图4所示。

3.3 应变关系模型的建立

我们在研究装配式混凝土的框架结构时，应该建立起合适应变关系模型，使用理想弹塑性的应变—应力关系模型的为非预应力筋，而我们实验组长期进行实验分析的对数模型为预应力筋，如图5所示。

我们把park模型引入到混凝土的本构关系来研究使用，如图6所示。在实验中所使用的理想状态为：假定平截面和截面应变是一致相符的；受拉区的拉应力对混凝土的影响忽略不计；混凝土中徐变、收缩和剪切变形的影响都不加考虑。

3.4 框架结构中的静力弹塑性分析

在我们研究框架结构的抗震性能评估所建立的模型中，由于建立模型的层数仅仅为三层，且结构形状也只是为两跨的平面框架结构形式，刚度和质量的分布方面也是比较平均的，因此高阶振型的影响可以不在考虑之列，对结构推覆实验中，使用的是倒三角分布的侧向荷载，而且在整个过程中，都假定在理想状态下进行的，在整个加载过程中侧向力都不发生任何变化。

建好模型后，首先在结构上施加的是竖向重力荷载，其次对框架结构进行的弹塑性静力（pushover）分析需要施加的是水平荷载。位移控制一直要保持在加载的过程中使用，顶层的中柱顶节点为主要的控制节点，0.001m为常见的加载步长；直到有0.25m的顶点位移或者有0.02m的楼层位移角时，该实验分析结束。然后结构的基底剪力—目标点位移关系曲线在本实验中可以得到确认，如图7所示。

从关系曲线图中表明，当框架结构在较小的荷载时，结构基底剪力一目标点位移曲线表现出的是线性变化；当荷载渐渐增加时，表现出显著降低的是结构的刚度，基底剪力一目标点位移曲线图也随之变得缓慢。

从实验曲线图可知，导致刚度下降的原因主要包括两大因素：

其一是塑性铰出现在构件的两端，并塑性铰在梁端不断的加大，钢筋屈服量也不断的提高，且结构刚度会越来越低，此时结构基底剪力一目标点之间所形成的位移曲线变化量越来越较少。

其二裂缝在梁柱混凝土中出现，大大降低了结构的刚度；不过，虽然屈服后的钢筋，其刚度小变弱了，但一定的弯矩增量在其截面还是能承受的，因此增加适量的水平力也是可以承担的。而框架柱塑性铰在底层发生时，负刚度在结构中渐渐表现出来。框架塑性铰前后顺序及出现的位置图，如图8所示。

根据能量守恒原理，可以得出最大顶点位移在罕遇地震下的最大偏移量为0.105 m。目标位移与结构顶点的位移相互重合时，此时塑性铰在梁端出现，而柱端的塑性铰还未展现出来，则恰好达到了设计目的。当然，当最大顶点位移出现时，很小的塑性转角也会在柱端、梁端出现，但是通过对梁端加密箍筋的方式，可以很好的达到转角延性的要求。从图7可以看出，该结构为梁端耗能方式。可以看出，预制预应力混凝土装配整体式框架结构在通过科学合理的设计和施工后，抗震性能能达到满意的标准，可以很好地满足抗震设防的要求。

4 结 语

本文通过深入分析和研究一种预制预应力混凝土装配整体式框架结构体系，并对涉及到得节点抗震性能进行详细地实验研究，得出了以下结论：

①经低周重复荷载作用，该结构不仅在实验中得到了未被地震破坏的验证，而且有利于新工艺、新材料、新技术在建筑行业中的大力发展，更有利于城市的环境保护。

②决定节点延性能力的关键是连接节点的构造方式，同时是对结构抗震性能有着最关键的影响。

③结构构件的内力响应显著减小，能有效的避免预制构件在地震中的严重破坏，减少了结构对地震破坏的影响。

④预制预应力混凝土装配整体式框架结构经合理设计后，抗震性能较佳，基本可以满足抗震设防所必须的要求。

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