既有预应力混凝土框架结构基于性能的抗震能力评估与改进研究

摘要

经过大量研究，人们对预应力混凝土(PC)结构的抗震性能有了一定的认识，但是这些认识大都来源于PC构件或单跨PC框架的研究成果。在设计时，主要还是沿用普通钢筋混凝土(RC)框架的设计方法，这是值得商榷的。预应力混凝土框架跨度大、负载重，梁柱刚度比与普通框架有很大不同，且在中、低烈度地震区，一般由竖向荷载控制设计，若要实现梁铰机制是非常困难的。因此，在设计中应充分考虑到PC框架结构的这些特殊性。
　　 目前，我国已建成大量的预应力混凝土框架，这些结构大都基于89规范(GBJ10-89)和02规范(GB50010-2002)设计，且很大数量位于地震区。虽然PC框架采用了“两阶段”的设计方法，但通过构造措施和变形验算进行大震设计的方式使得设计人员无法准确把握结构在地震中的实际抗震能力，更无法主动控制结构的破坏情况。
　　 基于性能的抗震设计理论提出以来，采用非线性静力分析法进行既有结构的抗震能力评估一直是研究热点之一，但将这种方法用于PC结构抗震评估的研究还较少，而将能量概念引入PC结构抗震分析更是鲜见于文献。此外，现有的分析和评估方法仍存在诸多的局限性和不足，需要加以改进。基于以上几点，本文针对既有PC框架结构的抗震能力评估问题展开了研究，主要工作内容和研究成果如下：
　　 1)为了准确模拟预应力混凝土结构的非线性行为，建立了基于纤维截面的预应力混凝土结构组合式非线性分析模型。依托OpenSees开发了一种粘结单元以模拟预应力筋与混凝土间的粘结滑移，利用基于纤维截面的粘结单元模拟节点与支座处普通纵筋的粘结滑移。模型同时还考虑了材料低周疲劳特性对结构损伤的贡献。经检验，模型能够准确地预测PC框架结构的非线性行为，且具有计算效率高，收敛性好的优点。
　　 2)归纳了目前常用的几种位移评估方法，并对能力谱法的研究现状进行了总结，在此基础上，对该方法存在的一些问题进行了研究和改进，既保证了评估结果的精确度，又简化了分析过程。同时，根据基于性能的抗震设计与评估思想，提出了针对不同抗震设防水准的连续化位移评估方法，该方法避免了传统能力谱法在确定性能点时的循环迭代过程。
　　 3)在对结构抗震能量问题的研究现状进行归纳和总结的基础上，进行了结构地震滞回耗能需求评估的研究。首先，详细分析了地震动特性和结构特性两方面因素对地震总输入能量的影响，并利用64条地震波记录对结构总输入能量进行统计分析，改进了Manfredi提出的单自由度体系总输入能量计算方法；然后，利用计算结果分析了滞回耗能与总输入能量的关系，并给出了单自由度体系滞回耗能计算公式；最后，推导了单自由度体系与多自由度体系滞回耗能转化关系，并建立了多自由度体系滞回耗能连续化评估方法。该评估过程可以与设计反应谱相结合，因此与规范联系更加紧密。连续化能量评估曲线能够清晰地显示结构在不同地震设防水准下的滞回耗能需求，通过与连续化位移评估曲线的结合，可以利用双指标对结构抗震能力进行全面、准确地评估。
　　 4)基于变形与能量双重准则，引入结构最大位移与滞回耗能需求，建立了改进的多模态往复pushover(MMCP)分析方法，并采用隐式双参数模型进行结构地震损伤评估。方法随后通过两个钢筋混凝土框架算例进行了分析验证，结果表明：MMCP分析体现了结构在地震作用下往复运动的特点，能够准确反映结构的刚度退化与强度退化现象，弥补了传统单向pushover分析的本质缺陷；MMCP法可以准确地预测结构整体和层间损伤状况，其中，层间损伤反映了结构损伤在各楼层间的分布情况，据此可以判断薄弱层位置，为结构的抗震能力分析以及抗震能力改进提供重要信息。此外，该方法通过与设计反应谱的结合，可以消除动力时程分析的选波问题，使得评估结果具有一定的普遍性和可靠度。
　　 5)结合我国设计规范的相关规定，详细分析了影响既有预应力混凝土框架实现强柱弱梁机制的主要因素，对抗裂度和预应力强度比对结构性能的影响进行了讨论。随后，按照89规范设计了两个有代表性的多层多跨PC框架(PRCF1和PRCF2)，并利用MMCP法对结构抗震能力进行了全面地评估。
　　 6)为了获取既有预应力混凝土框架的动力特性、地震反应和破坏形式等抗震信息，进行了三层二跨空间PC框架结构振动台试验研究。试验在多层多跨PC框架结构的动力特性、地震反应、破坏状态、屈服机制、倒塌形式等方面得到了一系列重要结论，同时也验证了前文建立的非线性分析模型和损伤评估方法，并为多层多跨预应力混凝土框架结构的研究提供了重要试验资料。
　　 7)结合既有预应力混凝土框架的特点，探讨了多层多跨PC框架的合理屈服机制，并对该耗能机制的实现方法和主要问题进行了分析。提出了改进既有PC框架抗震能力的设计方法，并应用于PRCF1和PRCF2。采用MMCP法对改进后的两框架进行了评估，并通过振动台试验对建议改进方法和评估结果进行了验证。结果表明：改进后的结构能够实现既定屈服机制。由于原结构薄弱层抗侧刚度提高，柱脚出铰推迟，结构在地震作用下的整体延性需求减小，因此地震损伤得到了有效控制。此外，改进后的结构损伤并不是集中于底层，上部楼层的抗震能力也得到了一定程度的发挥，结构的整体抗震能力有了较大的提高。文章最后对预应力混凝土框架设计中的几个问题进行了讨论，为新结构的设计提出了一些建议。