高层大跨预应力框架
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇高层大跨预应力框架范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
摘要: 本文以一栋24层大跨预应力框架-剪力墙结构为案例，基于结构分析有限元软件SAP2000建立模型，重点探讨了结构中较易出现的地震作用下底层柱延性问题及预应力损失问题，为实际工程中该类问题提供了设计依据。
中图分类号： TU198 文献标识码： A
1、国内外研究现状
在高层框架-剪力墙结构中，由于空间需要，常需要用到预应力梁以满足大柱距的要求，这也使得高层大跨预应力框架-剪力墙这一多形式耦合的复杂结构逐渐兴起。在该类结构中，以下两个问题值得注意与探讨：1）地震作用下底层框架柱的延性问题。框架柱是钢筋混凝土框架结构别重要的抗震构件，唐山地震与汶川地震中，有不少钢筋混凝土框架是因为柱子承载力或延性不足而导致破坏的。由震害分析可知，强震作用下时间产生的水平地震作用远远超过规范规定的、按设防烈度计算的水平地震作用。在强震作用下，延性好的柱中不可避免地要产生塑性铰。我国规范通过轴压比的限值来控制柱的延性，但在预应力框架-剪力墙结构中，在强震作用下，一旦剪力墙屈服，框架-剪力墙之间就会产生内力重分布，规范中的轴压比限值将不再适用；现有规范并未考虑预应力梁对柱产生的次弯矩预应力对柱延性的影响。2）柱子抗侧刚度对梁中预应力效应的影响。在多层预应力大跨框架中，柱子截面并不十分巨大，柱子抗侧刚度对梁中预应力效应的影响较小，在实际计算中往往将其忽略，只考虑由于柱子抗弯刚度约束梁-柱节点而引起的次弯矩。但是在高层预应力大跨结构体系中，柱子截面由轴压比控制，这样柱子截面可能很大，较大的抗侧刚度可能对梁中预应力效应造成较大影响。
本文针对位于南京市的一例具体工程，建立了有限元模型，并利用SAP2000中专用于模拟强震作用的PushOver功能，对上述两个问题进行了分析与讨论，并给出了工程建议。
2、工程概况
该工程位于南京，跨度为24米，单跨，
纵向尺寸为64米，柱距8米。地上24层，底层层高5.4米，以上层高4.8米，总高115.8米。无地下室。室内外高差为0.2米，基础形式为桩基础。功能为公共轻型体育空间，活荷载按照3kN/m2取值。该建筑设计使用年限为50年；建筑结构的安全等级为二级；建筑抗震设防类别为丙类；框架-剪力墙抗震等级为二级；建筑物耐火等级为二级。基本风压：w0=0.4KN/m2（50年一遇）；基本雪压：w0=0.65KN/m2（50年一遇）；地面粗糙程度：B类。抗震设防烈度：7度（0.1g），设计地震分组为第一组；水平地震影响系数最大值0.16，特征周期值0.45；建筑场地类别为Ⅲ类。
结构布置方面，楼板用现浇混凝土单向板肋梁楼盖，厚度为120mm。主梁沿横向布置，跨度24m，次梁纵向布置，跨度8m。主梁每跨内布置根次梁（结构布置详细见图1）。次梁为矩形截面，高500mm，宽200mm；预应力主梁为T型截b=600mm,hf=100mm,
bf= 1800mm,h=1800mm。剪力墙间连梁为矩形截面，高800mm，宽300mm。柱截面尺寸为2500mm×1500mm（底层-六层）；2000mm×1500mm（七层-十二层）；2000mm×1000mm（十三层-十八层）；1000mm×1000mm（十九层-二十四层）。剪力墙墙厚300mm，长度均为8m。预应力筋由正反两段抛物线筋组成，反弯点长度为αl=3600mm，e1=675mm，（支座段抛物线），e2=845mm（跨中段抛物线）。楼板采用C30混凝土，梁，柱及剪力墙均采用C50混凝土。钢筋均采用HRB335钢筋.
图1、结构平面布置图
3、结构模型
结构模型采用有限元软件SAP2000建立，模型详见图2。各材料尺寸均按照上述选用，各项参数及竖向荷载的取值参加相关规范。剪力墙因起宽长比很小，故采用面模型建立。楼板采用刚隔板假定建立。地震作用采用SAP2000中的反应谱法直接计算，并考虑两个方向地震波同时作用，反应谱函数的定义见图3。风荷载采用SAP2000中的自动风荷载计算，每层的楼板定义为一个刚性隔板。定义X，Y两个方向的风荷载，图4给出了X方向风荷载定义，Y向各项取值与其相同。
图2、结构有限元模型
图3、反应谱函数定义
图4、X向风荷载定义
4、底层柱地震作用下的延性分析
框架柱是钢筋混凝土框架结构别重要的抗震构件，唐山地震与汶川地震中，有不少钢筋混凝土框架是因为柱子承载力或延性不足而导致破坏的。由震害分析可知，强震作用下时间产生的水平地震作用远远超过规范规定的、按设防烈度计算的水平地震作用。在强震作用下，延性好的柱中不可避免地要产生塑性铰，其主要原因有：1)梁的应变强化；2)高振型影响使柱反弯点位置向上、向下移动；3)地震作用方向的随机性使柱可能承受双向偏心受压。
因而抗震设计要求，一方面应避免柱铰先于梁铰出现，暨通常所说的“强柱弱梁”。另外一方面应保证柱铰不可避免时柱的延性，使之有良好的变形能力和耗能能力。抗震原则中的“强剪弱弯”就是针对这一要求提出的。强震作用下，结构进入弹塑性工作状态，其结构构件的延性对结构的防倒塌是特别重要的。
在框架-剪力墙结构体系中，剪力墙承受了大部分的横向剪力，相应的框架柱所承担的剪力就减小了，可以适当放宽对其延性的要求，因为我国规范中对框剪中的框架柱的轴压比限制放得比较宽。但是在强震作用下，一旦剪力墙屈服，框架-剪力墙之间就会产生内力重分布，框架柱要作为抗震设防的第二道防线在抗震中承受大部分剪力，并耗散大部分能量，因此仍然应该保证框架柱在水平荷载作用下的变形能力和延性；且由于预应力梁的作用，柱中将会产生较大的次弯矩与次轴力。因此，强震作用下柱的延性需单独进行考虑与验证。
本文利用SAP2000的PUSHOVER功能，对该结构底层的柱（截面尺寸1500X2500）进行了地震作用下的延性分析。由于SAP2000无法对剪力墙进行PUSHOVER，且由上述分析，强震下剪力墙屈服后框架承受大部分剪力，而整个建筑的柱沿高度分为了四个不同截面，只有最下面六层截面最大。考虑到计算的收敛性与经济性，笔者采用了一个6层纯框架结构进行PUSHOVER，柱的尺寸均为1500X2500，梁，板尺寸，荷载以及预应力均与原结构相同，该结构与原结构相比，在分析结果上偏于安全，因此可以应用。定义铰时，梁按预应力等效荷载的施加分为三段，每段在两端与跨中各设一个M3铰，柱每层的两端与中间各设一个PMM铰。PUSHOVER工况定义如图5所示，最终结果见图6. 由上述出铰情况可以看出，框架梁先出铰，柱后出铰，暨满足“强柱弱梁”要求。由上述结果可以看出，在破坏时，柱的反弯点在上层柱内，暨柱内弯矩同号，并没有形成短柱。柱最大剪力为Vmax=1467.4KN，底层柱受剪承载力V=4642.68KN>Vmax，所以破坏时底层柱并没有发生受剪破坏。暨此时，底层柱可以满足抗震的要求。综上所述，在一般的高层大跨框架-剪力墙结构中，按照规范提供轴压比所设计的框架柱在强震作用下延性是有保障的。
图5、PUSHOVER工况定义
图6、PUSHOVER后框架塑性铰分布
5、预应力效应的综合分析
在多层预应力大跨框架中，柱截面并不十分巨大，柱抗侧刚度对梁中预应力效应的影响较小，一般都在5%一下，在实际计算中往往将其忽略，只考虑由于柱抗弯刚度约束梁-柱节点而引起的次弯矩，但是在高层预应力大跨结构体系中，柱截面由轴压比控制，这样柱截面可能很大，而梁截面积一般由跨-高比控制，预应力大梁的跨-高比在1/15-1/20左右，与多层大跨预应力体系一致。这种情况下，柱截面相比于梁的截面就显得较为悬殊。而构建的截面刚度与截面高度呈三次方的关系，截面高度越大，刚度也越大。由于柱截面较大的抗侧刚度可能导致对梁中预应力效应的影响。
由第三节中所述有限元模型计算所得数据，对于结构中间各层，柱剪力很小，次弯矩也很小。梁中基本都能建立所期望的预应力轴向效应，个别层还超过期望值。而对于底层与顶层（顶层所加预应力大于下面几层，而最后梁内轴力与下面几层几乎一样，预应力筋施加为顶层与1-18层21根，19-23层18根），柱剪力较大，柱上次弯矩也较大，梁中所建立的预应力效应有较大折减。
由现有结论以及相关文献可知，对于本层中所用的柱，预应力轴向作用的影响只需考虑上下各一层，因此可以进行柱抗侧刚度对梁预应力效应影响的简化分析。可认为，每层张拉时本层被柱消耗的预应力在其上，下层张拉时先后得到补偿。而关键在于顶部和底部。对顶部，上部没有结构，由于顶层缺少补偿，其轴向预应力效应有较大的减少。对底部梁，由于缺少下一层的补偿，其预应力效应因柱子吸收剪力而消减较大。又由于底层柱截面远大于顶层，且底层柱底部为刚接，所以底层预应力损失尤为严重，而底二层与顶部二层的预应力效应有所加强。
所以，预应力张拉时，由于柱刚度引起的梁中预应力效应减弱，对大部分楼层而言只是一个过渡性的问题，是暂时的，在预应力对整个结构都施加以后，大部分楼层都能建立所预期的预应力值。而对于顶部和底部楼层，实际预应力效应小于期望值，应该特别注意。
6、结论
本文以一栋24层大跨预应力框架-剪力墙结构为案例，基于结构分析有限元软件SAP2000建立模型，重点探讨了结构中较易出现的地震作用下底层柱延性问题及预应力损失问题，通过探讨得到了以下2点结论：
1）高层大跨预应力框架-剪力墙结构中，按照规范提供轴压比所设计的框架柱在强震作用下的延性是有保障的，无需再另行分析。
2）高层大跨预应力框架-剪力墙结构中间楼层由于柱刚度引起的预应力损失较小，且只是一个过渡性的问题，在预应力对整个结构都施加以后，大部分楼层都能建立所预期的预应力值。而对于顶部和底部楼层，实际预应力效应将小于期望值，在设计中应予以考虑。
参考文献
1、单健，吕令毅主编．结构力学[M].东南大学出版社.2004.
2、龙驭球 包世华主编．结构力学教程[M].高等教育出版社.2003.
3、曹双寅主编．工程结构设计原理[M].东南大学出版社，2002.
4、中华人民共和国建设部．GB50010－2002．混凝土结构设计规范[S]．中国建筑工业出版社．2002.
5、中华人民共和国建设部．GB50011－2010．建筑抗震设计规范[S]．中国建筑工业出版社．2002.
6、中华人民共和国建设部．GB50009－2001．建筑结构荷载规范．中国建筑工业出版社．2001.
7、吴京，郑文忠. 预应力砼框架（σl1+σl2）的合理预估.江苏建筑.1994.
作者简介
李媛 1980.5工程师
肖斌安 1980.9工程师
潘轶 1981.6 工程师
季节 1986.10 助工