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预应力混凝土框架结构是在工程应用中重要的结构形式之一。由于对其抗震性能存在疑虑,限制了这一结构在地震区特别是强震区的推广应用。基于以往的研究成果,本文采用能力谱抗震能力评价方法,对影响这一结构抗震能力的几个初步设计问题展开研究。
本文在总结国内外相关研究的基础之上,优化了能力法的谱评价流程,提出了多指标能力谱评价的概念,结合预应力混凝土框架的结构特点,着重研究了预应力混凝土框架结构抗震初步设计的各种指标。主要内容及研究成果如下:
首先,系统总结了预应力混凝土框架结构抗震初步设计的各项参考指标。其中结构耗能机制统筹着结构的其它参数,能从宏观上整体把握结构的抗震性能和抗震能力;预应力度则量化地反应预应力在结构中所占的份额,是设计人员关心的问题。经过分析比较,确定这两项指标为抗震初步设计的主要控制指标。
其次,基于国内外关于静力弹塑性分析方法的研究成果,全面阐述了当前能力谱法的思路,提出了多指标能力谱评价方法,并在非线性计算软件OpenSees的基础上编制了计算代码,实现了这一评价方法。通过比较,指出多指标能力谱评价方法无论从算法还是结果的表现方法上都有比当前能力谱方法具有更快捷、更方便和更直观的优点,可以十分方便地考察结构实际抗震能力、薄弱环节并直接了解各种参数在相应地震水平下的需求。
再次,为了解预应力混凝土框架结构的抗震能力,本文着重分析了反映结构抗震性能的两个主要因素:骨架曲线和阻尼特性。指出耗能机制能够从整体上控制结构的位移延性,通过算例说明结构构件出铰截面的曲率延性主要由受压区高度控制,而在截面受压区高度和预应力配筋确定的情况下,预应力度越低,截面的曲率延性反而越差。另一方面,预应力度的增加将会削弱结构的阻尼。总结了预应力混凝土框架结构的阻尼特性,针对该类结构滞回曲线呈现“捏缩”形状的特点提出了计算预应力混凝土框架结构阻尼比的简化计算方法。
最后,采用多指标能力谱评价方法对预应力混凝土框架进行算例分析,结果表明:对于多跨预应力混凝土框架结构,为实现梁铰机制而严格按照“强柱弱梁”原则设计,会使中节点剪力在强地震作用下提前超限;适当削弱中柱,并同时加强边柱,使中柱也出现塑性铰,这种混合耗能机制可以有效地保护中节点,实现良好的抗震能力;预应力度的增加将会减小结构的阻尼比,但是对其抗震能力的影响并不大;如果在预应力配筋确定的情况下片面增加普通钢筋来减小预应力度,并不能改善结构的抗震性能和提高其抗震能力,反而会适得其反。同时,算例应用表明多指标能力谱评价方法具有很强的实用和研究意义。