装配式不对称混合连接框架结构设计方法研究*
张会，梁培新”
（1.金育职业技术学院建筑与土木工程系，江苏南京211156；2.南京工程学院建筑工程学院，江苏南京211167）
[摘要】结合我国抗震设计规范的性能化设计理论，建立了基于选代变形的不对称混合连接框架抗震设计方法.初步结构设计主要环节有梁柱连接截面的抗弯和抗剪设计、预制构件的设计及梁柱节点核心区的抗剪设计.结构在大震下的变形验算采用DRAIN-2DX程序建模进行Pushover分析，并判定结构的抗震性能，给出一个不对称混合连接框架设计实例的抗震设计详细过程，设计的框架实际抗震性能达到了“大震可修”的水准.必要的构造设计保 证了梁端截面的延性和柱端截面的转动能力.
[关键调】框架结构：装配式：不对称：混合连接：设计：研究
[中图分类号】TU352 [文献标识码]A
[文章编号〕1002-8498（2013）24-0051-05
Study of theDesign Methodof Assembled Unsymmetrical Hybrid ConnectionFrame Structure
Zhang Hui' Liang Peixin²
(1. Department ef Archiecure and Cinil Engineering Jinen Collge f Technology Nanjing Jiangn211156 China;2. School of Cinil Enginering Nanjing Intitute of Technolgy Nanjing. Jiang211167 China)
Abstract: Combining with performance-based theory of Chinese seismic design code deformation-calculation based on seismic design method of the unsymmetrical hybrid frame was built. Primary structure design includes the design of moment resistance and shear resistance of the connected sectionbetween beams and columns and precast members design and shear-resistance design of joint area. Theprogram DRAIN-2DX was used to build the model of the frame and run the Pushover analysis to check thedeformation under major earthquake of the structure so the seismic performance could be judged. Thedetailed design course of an unsymmetrical hybrid connection frame was brought ut. The accrual seismic performance of the designed frame reached the level “repairable nder major earthquakeThe necesarydetails design provided the duetility of the beam and rotation ability of the column.
Key words;frame structure; assembled; unsymmetry; hybrid connection; design; research
混合连接框架的设计方法，并引人了性能化抗震设
0引言
后张预应力装配式不对称混合连接混凝土框计理念对其进行抗震设计及性能评价.以下几个特点：①继承了美国延性连接干连接的特点，现场湿作业量小：②吸收了日本普通钢筋仅在首次明确引人了性能化设计的相关内容，并提出了截面上部配制的特点，简化了预制构件制作工艺和4种性能水准，如表1所示.本文采用基于选代变 现场装配施工工艺：③在节点区域附近采用美国研形的方法对不对称混合连接进行抗震设计.该方究推荐的后张无粘结预应力，可有效防止预应力筋法是先设定结构的变形限值，然后按照传统的基于在大震作用下的屈服，预应力筋一直保持弹性从而力的方法进行总体结构设计，然后对设计好的结构为梁柱接触面提供夹紧力.本文主要研究不对称
架结构属于有阻尼干连接类型框架（见图1），具有1性能化抗震设计流程
我国的《建筑抗震设计规范》CB50011-2010进行分析，确定其最大目标变形是否满足变形限值要求并决定是否修改设计，最后再进行细部构造设 计以确保结构和构件能达到或超过目标位移.
图1不对称混合连接框架示意
Fig.1Unsymmetrical hybrid connection frame structure
表1抗震规范性能化设计建议的4种性能水准 Table 1Four performance levels suggested byChinese seismic design code
地质 水准 性能1 性能2 性能3 性能4多通 完好 完好 完好 完好地顶 设防 完好，正常 基本完好， 轻微破坏， 轻微至中等地膜 使用 检修后继续 使用 筒单修理后 继续使用 提坏，变形 <3[ ]早通 基本完好， 轻微至接近 其破坏需加 接近严重破地展 检修后继续 使用 中等损坏， 修复后继续 使用 固后维续 坏，大修后 继续使用使用 2不对称混合连接框架的初步结构设计 在不对称混合连接的性能化设计流程中，初步结构设计是后续分析和性能判定的基础.不对称 混合连接的初步结构设计关键点包括：①预制构件设计：②梁柱连接截面抗弯设计：③梁柱连接截面抗剪设计；④梁柱节点核心区抗剪设计. 2.1预制构件设计 2.1.1预制梁设计 预制梁设计必须考虑施工阶段的验算和使用阶段梁跨中抗弯设计.施工阶段，预制梁吊装就位后并不立即张拉预应力形成框架体系，而是设置临时支撑，再对梁柱连接部位浇筑填缝材料（如纤维 砂浆、高强灌浆料等）并等到连接材料达到设计强度后方能张拉预应力.在此过程中，预制梁受力状态改变，仅依靠上下部分的普通钢筋抵抗自重和施工荷载. 梁跨中的抗弯设计包括抗弯承载力设计和抗裂设计.由于梁跨中普通钢筋与混凝土共同工作， 所以跨中截面验算方法同普通无黏结预应力混凝土结构.当根据跨中截面抗裂要求确定预应力筋 段，不会产生内力重分布现象，因而跨中弯矩标准 面积时，由于正常使用阶段梁柱连接处于线弹性阶值可取弹性方法的计算结果.而当验算跨中截面的抗弯承载力时，考虑到梁柱连接处进人非线性后引起的结构内力重分布，应对跨中弯矩进行相应调整.为起到分散裂缝约束裂缝宽度的作用，梁内普 通钢筋配筋率不得低于0.3%. 2.1.2预制柱设计 框架的变形能力与框架的破坏机制密切相关，试验研究表明，梁先屈服，可使整个框架有较大的 内力重分布和能量消耗能力，极限层间位移增大，抗震性能较好，混凝土框架的理想塑性铰耗能机制是塑性仅出现在梁端和柱底部，而其余构件仍保持弹性.不对称混合连接的梁柱连接截面薄弱环的重点是如何通过合理设计保证“强柱弱梁”. 节，在大震作用下自然形成塑性较，因此，本文研究 在强震作用下结构构件不存在强度储备，梁端实际达到的弯矩与其受弯承载力相等. 本文采用我国抗震设计规范提供的方法进行框架柱的抗弯和抗剪初步设计，并根据罕遇地震作 用下的Pushover分析进行校核，从而保证了柱在罕遇地震下，除柱脚位置外其余柱端不产生塑性. 2.2梁柱连接截面的抗弯和抗剪设计 由于不对称混合连接的无黏结预应力筋和普通钢筋无黏结段导致钢筋和混凝土之间应变不协 调，使适用于现浇混凝土截面分析的经典方法不能直接用于不对称混合连接.文献[3]中对梁柱接触面各部件受力情况进行剖析的基础上，建立理论分析方法，并采用Fortran语言编写了截面的抗弯设计求解程序. 文献[3]中同样对不对称混合连接梁端抗剪设计进行了研究，不对称混合连接对于梁端依靠摩擦作用传递剪力有两个要求：①满足截面受剪平衡条件梁端剪力设计值V应小于截面压应力的合力 C.产生的静摩擦力，即V≤μC；②受压区混凝土不被压碎即满足：..≤.其中，..为大震下梁端混凝土最大压应变，6为约束混凝土的极限压应变，可根据Mander模型计算得到. 配箍率不宜低于2.0%，梁端平均初始压应力增大 根据参数分析结果，建议梁端约束箍筋的体积时，应适当加大配筋率. 2.3梁柱节点核心区抗剪设计 节点侧向施加预应力，使节点混凝土增加了约束，犹如处于双向受力状态，其受剪承载力可在普 通钢筋混凝土框架梁柱节点抗震受剪承载力计算公式的基础上增加预应力作用一项，其表达式为： 荷载作用产生的梁端弯矩.经计算，每层的梁柱连接截面的最大弯矩标准值相差不大，取最大的弯矩标准值M.=212.95kNm作为设计依据. 预应力筋取9$'15.2钢绞线，预应力筋面积为A =1260mm²；取预应力筋的有效应力为a=0.5fa=930MPa（扣除全部预应力损失后）.普通耗能钢筋面积取A，=0.6%A.=1440mm²，实际取3p25，A.=1473mm².普通耗能钢筋的初始无黏结 长度L=200mm.截面按混凝土毛截面计算，取A=2.4×10²mm². 式中：N，为作用在节点核心范围内预应力筋有效预应力的合力，其余参数同我国抗震规范. 参考美国混凝土结构设计规范ACI-318M-05第21.5.3.1条规定，当满足下式要求时，节点箍 筋按构造配制，即节点核心区的箍筋与柱加密区的筋配制相同即可.节点核心区抗剪承载力公式分3种情况，如式（2）-（4）所示. 一类环境下，预应力构件的三级抗裂要求裂缝宽度[∞]M= 212.95kN m所以，满足三级抗裂要求.
3.3.2预制梁和预制柱设计
预制梁跨中内力分为2阶段受力，施工阶段预应力筋尚未张拉，预制梁处于两端简支状态.施工阶段跨中内力组合为：1.2S1.4S=205.35部），仅考虑普通钢筋作用的抗弯承载M.=459.4 kNm.实际跨中截面配制325（上部）525（下kNm，满足要求.承载力极限状态时，跨中内力组合为M=1.2（SS）1.4S=292.81kNm.同理，计算得到承载力极限状态时：M.=612.5kN.m>M.极限状态下，不仅承载力满足要求，而且
3.2性能化抗震设计
指标采用层间位移角控制.小震、中震和大震下的能够保证罕遇地震下预制梁处于弹性状态. 性能水准采用表1所示的性能4，其位移控制层间位移角限值[e]分别为：1/550，1/200和1/50.
柱的控制内力组合一般有以下3种：①N及其对应的M；②M及其对应的N；③N及其对应的M.由于第1批恒载只考虑其对梁跨中弯矩、梁其影响.经过计算并考虑柱归并，边柱和中柱均采 端剪力和柱轴力的影响，故在计算柱弯矩时不考虑
3.3初步结构设计主要过程
框架结构的竖向荷载和水平荷载作用下的内力计算同现浇框架结构.
3.3.1按抗裂要求确定预应力筋面积
先按三级抗裂要求确定预应力筋的面积和初用1225钢筋.矩，所以此处确定预应力筋面积时，仅考虑第2部分
始预张力.由于第1部分荷载下在梁端不产生弯3.3.3梁柱连接截面抗弯和抗剪设计
梁端约束箍筋12@100mm，体积配箍率取
2.58%.采用Mander约束混凝土模型，计算得到约束混凝土强度为f=30.745MPa，混凝土极限压应变6=0.0376.各层梁的梁柱连接截面的控制内力如表2所示.采用文献[3]选代计算方法得到梁 端约束混凝土截面的极限抗弯承载力为：①梁端承受负弯矩时：M.=412.9kNm；②梁编承受正弯矩时：M.=335.8kNm.由于每个连接截面的配筋相同，其极限承载力也相同，考虑抗震承载力调整系数，得到：
制瓣筋.两者计算结果一致，梁柱节点核心区实际配瓣与柱截面配箍一致.
3.4多遇地震下弹性变形验算
架的DRAIN-2DX分析模型，如图2所示.对此模型 根据前文计算结果，采用文献[2]方法建立框施加由底部剪力法确定的各层水平剪力标准值，进行重力荷载和水平地震作用下的静力分析.经计算，最大楼层转角发生在第2层，楼层转角为0.0009<1/550，满足要求. 梁端承受负弯矩时： 梁端承受正弯矩时： 所以，梁柱连接截面抗弯承载力满足要求. 表2梁柱连接截面控制弯矩值 Table 2Moment values in the section of kNm截面位置 beams and columns 内力组合1 内力组合2底层梁 负奇矩 481.8 250.02层梁 正弯矩 负弯矩 191.6 509.8 129.3 240.93层梁 正弯矩 负弯矩 478.7 203.5 127.4 236.4正弯矩 186.5 128.04层梁 负寄矩 正弯矩 446.8 151.8 233.1 128.25层梁 负矩 正弯矩 422.5 227.2 126.5星面梁 负弯矩 310.1 271.6正弯矩 134.3 148.3 图2设计实例DRAIN-2DX建模Fig.2Modeling with DRAIN-2DX 3.5罕遇地震下Pushover分析 析，分析采用DRAIN-2DX程序，求解采用位移控 罕遇地震下框架的抗震性能采用Pushover分制，最大控制位移取框架总高度的0.2倍，即控制位移取0.02H=0.438m.目标位移的确定采用位移影响系数法，经计算最终目标位移为d，=54.8mm.Pushover分析得到的顶点位移-基底剪力曲线及柱 端出现塑性铰的顺序如图3所示，图4是楼层转角沿高度分布示意.由图3可见，当框架顶点达到目标位移d，时，框架仅在底层柱的柱脚部分出现塑性铰，其他部位的柱端没有出现塑性铰，所以本框架在罕遇地震下具有良好的抗震性能.由图4可见， 本框架在罕遇地震下最大弹塑性楼层转角发生在第2层，6=0.0035.，因此，框架的实际性能水准满足“大震可修”.
注：①内力组合1:1.2（载0.5活荷载）1.3地震作用；②内力组合2：1.2恒载1.4括有载
3.3.4梁柱节点核心区抗剪设计
根据《混凝土结构设计规范》第11.6.2条式节点核心区剪力设计值如下：顶层最大值：V = （11.6.2-2）和式（11.6.2-4），可以计算得到梁柱729.52kN（边节点）；其他层最大值：V=1414.53kN（2层中间节点）.
按美国规范设计，偏于保守按公式（4）计算，取f=26.8/0.85=31.53MPa A =360 000mm² ，可以 得到混凝土提供的节点核心区抗剪承载力为：V=2021.46kN>V.因此，节点核心区可以按构造配制箍筋.
3.6构造设计
3.6.1梁端转动能力验算
考虑混凝土提供的抗剪能力，则计算得到V，= 按我国规范设计，应按公式（1）计算.其中，仅1670.2kN>V.因此，节点核心区可以按构造配
梁柱连接截面受压区边缘混凝土压应变e.与连接截面转角的关系为：
(7)
3.6.2柱底塑性饮转动能力
万方数据
Fig. 3 Curve of top points displacement 图3顶点位移-基底剪力曲线and basement floor shear
图4罕遇地震下楼层转角沿高度分布状况Fig. 4 Storey angle conditions at rare earthquake
式中：A.为截面各点混凝土变形：9为连接截面转角；x.为受压区高度；L为塑性铰区长度，对于装配式结构取梁高的1/3.在此基础上进行转换，得到：
根据文献[8]分析结果，梁端承受负弯矩时，在极限状态下其受压区高度为x，=0.3h~0.5h.由此得到，x ≤0.5h，因此得到：
θ=e L/x ≥e （h/3)/(0.5h)=0.67e.（9)
根据公式（9）可以方便地计算梁柱连接截面所能达到的极限转角的下限值.实际设计过程中，只要结构梁柱连接截面转角不超过此下限值，即能满足转角变形要求.梁端约束擅筋$12@100mm，体积配箍率取2.58%.采用Mander约束混凝土模型，计算得到约束混凝土极限压应变6.=0.0376. 带人式（9）得到梁端极限转角为6.=0.0212rad.对结构进行Pushover分析，得到目标位移时梁端最大转角为0.003rad，所以，梁端的转动能力满足要求.
钢筋混凝土截面的极限转角计算公式为：
(8)
4结语
参考文献：
式中：0，和0.为屈服转角和最大塑性转角：中，和Φ.为弯矩最大截面屈服曲率和极限曲率；L为构件反弯点到最大弯矩截面距离；L为普通钢筋混凝土塑性长度，可取梁高的1/2.
文献[9]给出了受弯构件的中，和的计算方法，钢筋混凝土柱属于压弯构件，基本计算公式同受弯构件，只是里面的参数计算稍作变化.底层柱底端加密区箍筋采用$10@100mm，经计算得到极限转角为0.061rad.罕遇地震下Pushover分析得到 的柱脚边柱转角最大为0.0024rad，小于极限转角0.061rad，满足要求.
土框架的特点，引人性能化设计的理念，建立了基 针对后张预应力装配式不对称混合连接混摄于选代变形的不对称混合连接框架抗震设计方法，重点研究了不对称混合连接框架梁柱连接截面的抗弯和抗剪设计、预制构件的设计及梁柱节点核心区的抗剪设计.通过一个设计实例，详细闹述了不 对称混合连接框架的设计过程，并对设计后的框架结构的抗震性能进行了评价.
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