中国建筑第五工程局 湖南岳阳 414000
摘要：建筑结构在其设计基准期内遭遇罕遇地震的概率很小，因此我国抗震规范采用“小震不坏，中震可修，大震不倒”的抗震设防目标。同样在国外，工程师的设计是基于安全和经济的考虑，也是基于“生命安全”的设防目标。这意味着设计的结构允许严重损坏。随着现代社会的发展，人们对建筑结构性能的要求越来越高。他们不仅要确保“生命安全”和“不倒塌”，而且要期望结构的低损伤，以降低维护成本。
关键词：抗震；高性能钢筋；框架结构；被动控制；破坏机制；
对于钢筋混凝土框架结构，高强钢筋作为纵向钢筋布置在柱中，以控制结构的地震破坏机理和性能，并利用其弹性恢复特性减少地震后结构的残余变形。采用弹塑性时程分析法对两个普通钢筋和高强钢筋的三层框架结构进行了地震反应分析，研究了高强钢筋对框架结构地震破坏机理和性能控制的影响，以及地震后的地震反应和残余变形。
一、分析模型和分析方法
分析模型采用三层单跨框架，跨度为4.8m，层高为3.6m，剩余高度为3.0m，分析中考虑了梁柱截面尺寸和荷载分布。结构分析采用MSC二维有限元模型。Marc，截面属性由纤维模型THUFIBER定义（基于MSC的用户自定义子程序UBEAM。Marc）。每个截面分为64根混凝土纤维和4根钢纤维，分布在截面的四个角上。在构件的长度方向上，它被分成几个元素部分。为提高计算精度，梁柱端塑性铰区单元长度为100mm，其余单元长度为300 mm，计算分析表明，该截面的纤维划分和单元划分满足计算精度和收敛性要求。通过定义材料的单轴应力-应变关系来确定结构的非线性特性。钢筋采用理想弹塑性模型，混凝土采用原点定向模型。由于混凝土受拉对结构的承载力和抗震性能影响不大。同时在计算分析中假定钢筋与混凝土完全粘结，梁柱构件满足强剪弱弯要求，节点满足强连接弱构件要求。对比分析了两种结构的抗震性能，忽略了剪切变形和节点变形的影响。梁柱纵向配筋采用普通钢筋混凝土框架，配HRB400级钢筋，标注为of框架（强柱弱梁系数1.2）。在框架的基础上，根据等截面原则，框架柱中的所有纵向钢筋均由强度为1860兆帕的高强钢绞线代替，称为预应力框架。虽然实际1860兆帕高强钢绞线的应力-应变曲线不是图1所示的理想弹塑性模型。
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图1钢筋理想弹塑性模型
在相同强度的地震下，框架柱中的高强钢绞线没有屈服。采用弹塑性时程分析法分析了两个框架的地震动力响应。地震输入选用Northridge地震波（01/17/94），峰值调整为5个大小，每0.19个0.29 ~ 0.69个，以比较两种结构在不同烈度地震输入下的动力响应、损伤情况和结构性能。帧的一阶基频为2.079Hz，即一阶周期为0.48 S..将框架前两阶模态的阻尼比设为5%，确定瑞利阻尼的质量矩阵和刚度矩阵系数。
二、计算结果分析
1.控制部分状态和故障机制。当地震输入峰值为0.39时，在OF框架中，钢筋的屈服出现在第一柱底部的1号和7号截面以及框架梁端部的14号和16号截面，而PF框架的屈服仅出现在框架梁端部的14号和16号截面，这两种框架的屈服程度相似。需要注意的是，此时各控制截面的混凝土应变值并未达到0.002的设计应变。虽然两个框架都有一定的损伤，但PF框架中的柱端没有塑料铰链，损伤较小。当地震输入峰值为0.49时，框架第一柱端的1、7节和框架梁端的13、14、16节均已屈服，第一柱底部的L、7节钢筋应变已达到钢筋屈服应变。（= 0.002），梁端14号截面钢筋的最大应变已达到钢筋屈服应变的8倍。因此，OF框架在0.49的峰值地震下发生了较大的塑性变形，震后难以修复。而对于PF框架，框架柱端钢筋不屈服，只有梁13、14、16端截面屈服，未形成倒塌机制，结构基本可修复。当地震输入峰值为0.59时，OF框架第一柱底部1号和7号截面已经严重屈服，最大钢筋应变达到屈服应变的5-6倍，第二柱顶部4号截面的钢筋应变也超过了钢筋的屈服应变值。如果地震稍大一点，由于柱铰屈服机制，整个框架都会倒塌。而在水平地震作用下，只有PF框架梁端13、14、16、18截面的钢筋屈服，钢筋最大应变在14截面，应变值与OF框架大致相同。由此可见，PF框架的屈服变形和应力明显优于of框架。从前面的分析可以看出，当地震动强度达到0.59时，OF框架接近倒塌，但为了更好地了解PF框架的抗侧力性能，进一步计算了框架在地震峰值为0.69时的动力响应，所得结果显示了PF框架的优越性。当地震峰值达到0.69时，PF框架底柱端1号和7号柱段仍不屈服，结构损伤仍集中在梁端，分别为一楼顶部13号和14号梁段，二楼顶部15号和16号梁段，三楼顶部18号梁段。可见没有失效机制。而在OF框架中，由于很多梁柱端的塑性铰，框架已经形成了柱铰失效机制，没有修复的可能。也证明了即使是基于强柱弱梁的设计，地震作用的不确定性也必然会导致普通材料框架结构出现柱铰破坏机制的现象。
2.位移响应。我国建筑抗震规范中钢筋混凝土框架弹塑性层间位移角限值为2%，国外规范如EC8-1994；UBCl997，层间位移角限值为1.5%～2.5%。两框架在不同地震烈度下的最大层间位移和顶层最大位移响应见表1，满足规范要求。
表1 OF和PF框架在不同地震强度下的位移响应
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从图中可以看出，当地震输入峰值达到0.39时，框架和PF框架各层的最大层间位移和最大顶点位移非常相似。当地震输入峰值达到0.49时，两种框架顶层的最大层间位移仍然相似。框架一层的层间位移大于框架一层的层间位移，二层的层间位移小于框架一层的层间位移。这是由于框架底板变形的剪切分量较大，而框架底板变形的弯曲分量较大。PF框架第三层的位移略大于框架的位移，这也说明PF框架楼层变形的弯曲分量略大，但两个框架的顶点位移基本相同。当地震输入峰值达到0.59时，框架首层位移达到1.22%，而框架首层位移仅为1.10%。虽然PF框架上部两层之间的位移略大于框架上部两层之间的位移，但仍满足规范层间位移限值的要求，两框架的最大顶点位移基本相同。当地震输入峰值达到0.69时，框架底层之间的位移仍大于框架顶层之间的位移，而框架顶层两层之间的位移大于框架顶层之间的位移，两者的最大顶点位移值基本相同。
3.加速响应。地震加速度反应是引起楼层地震惯性力的主要原因，也是造成内部设备和设置损坏的主要原因。当地震峰值为0.39时，两种框架的最大楼层加速度均出现在第四层，但差异不大。当地震峰值增大到0.49时，二者的最大楼层加速度在第三层略有不同。随着地震峰值的增大，PF框架下两层的最大楼层加速度略大于框架，而顶层的加速度响应小于框架。这是由于框架底柱存在较大的不可恢复的残余变形，使框架在残余变形的基础上产生往复振动。
4.结构残余变形。虽然在某些情况下，柱端的塑料铰链不会对结构的安全性构成威胁，但增加了修复难度，结构的自复位性能也丧失，增加了结构形成失效和倒塌机制的可能性。当地震峰值为0.69时，从结果可以看出，PF框架震后残余变形较小，而由于首柱底部截面屈服，OF框架底层位移远大于PF框架，上层楼板残余变形明显大于PF框架。在地震期间，框架偏离初始位置，没有任何恢复的迹象，这导致框架的大的残余变形。
总之，高强钢筋加固的混凝土框架结构既能提高结构的侧向承载力，又能减小地震后结构的残余变形，结构的地震响应与普通框架基本一致。因此，柱内使用高性能钢筋不仅提高了柱底控制截面的屈服水平，而且降低了结构薄弱一层失效的可能性。同时，由于结构的加固和维护只需在梁端进行，维护成本大大降低。PF框架可以防止结构形成完整的倒塌机制，因此它的推广应用将大大降低结构倒塌的潜在威胁，使未来的结构更加安全可靠。
参考文献：
[1]刘萍．关于高强钢筋对框架结构抗震破坏机制和性能控制．2018.
[2]赵田德．浅谈高强钢筋对框架结构抗震破坏机制和性能控制的研究．2019.