無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼混結(jié)構(gòu)抗震性能研究概況

葉陽　王勇凱

摘 要：無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土不需預(yù)留孔道，不必灌漿，因此施工簡便、工期短、造價(jià)較低，但是在抗震性能方面，國內(nèi)外工程界還存在爭議。本文分析了國內(nèi)外關(guān)于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的研究資料，討論了HRB500高強(qiáng)鋼筋對(duì)無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土抗震性能的影響，并分析了無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土在強(qiáng)度、剛度、延性和耗能能力等抗震性能方面的研究現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：無粘結(jié)；預(yù)應(yīng)力混凝土；抗震性能；HRB500高強(qiáng)鋼筋

中圖分類號(hào)：TU352.11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-3362（2013）07-0012-02

1 概述

無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土的顯著優(yōu)點(diǎn)是不需預(yù)留孔道，不必灌漿，因此施工簡便、工期短、造價(jià)較低。目前，工程界在地震區(qū)建造了大量的無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)[1]。但在抗震性能方面，國內(nèi)外工程界還存在爭議。因此，有必要對(duì)無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土的抗震性能的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析。

以往的觀點(diǎn)認(rèn)為，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的阻尼小，耗能能力不強(qiáng)，導(dǎo)致在地震反復(fù)荷載作用下位移較大，而且此結(jié)構(gòu)采用的高強(qiáng)鋼筋和高強(qiáng)混凝土塑性較差[2]，特別是國內(nèi)在推廣HRB500高強(qiáng)鋼筋在實(shí)際工程中的應(yīng)用。然而高強(qiáng)鋼筋雖能夠提高構(gòu)件強(qiáng)度、降低截面尺寸、減少用鋼量，但其極限變形較大，對(duì)構(gòu)件的抗震性能的影響與普通鋼筋不同。

2 無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)抗震性能的評(píng)定

本文討論HRB500高強(qiáng)鋼筋對(duì)無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土抗震性能的影響，并分析無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土在強(qiáng)度、剛度、延性和耗能能力等抗震性能方面的研究現(xiàn)狀。

2.1 HRB500鋼筋的強(qiáng)度影響

HRB500高強(qiáng)鋼筋能夠提高構(gòu)件強(qiáng)度、降低截面尺寸、減少用鋼量，但其極限變形較大，其對(duì)構(gòu)件的抗震性能的影響與普通鋼筋不同。

重慶大學(xué)的鄧艷青[3]等人使用若干配置HRB500縱筋柱的進(jìn)行了模擬地震荷載試驗(yàn)，分析了與箍筋相關(guān)的因素對(duì)柱破壞性狀、延性、滯回曲線和剛度退化等的影響；并分別對(duì)配置HRB500和HRB335縱筋柱的受力性能進(jìn)行了分析。試驗(yàn)結(jié)果指出：對(duì)采用HRB500的鋼筋混凝土柱，相對(duì)普通配箍試件，復(fù)合配箍的試件的延性顯著提高；相對(duì)配置HRB335級(jí)鋼筋柱，配置HRB500試件達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)的變形能力有小幅增加。

2.2 極限強(qiáng)度

無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋受力后應(yīng)變的增長量和沿預(yù)應(yīng)力筋全長混凝土產(chǎn)生的平均變化量相等。其受力后一般只出現(xiàn)一條或少數(shù)幾條裂縫。裂縫一出現(xiàn)就迅速上伸，增加不了多少荷載，就會(huì)起彎曲破壞，強(qiáng)度也比有粘結(jié)的要降低10%～20%，破壞呈脆性。

1981年Hawkins[4]使用若干板柱不同位置的節(jié)點(diǎn)在多荷載共同作用下完成了全尺試件的反復(fù)荷載試驗(yàn)研究，并將試驗(yàn)結(jié)果與ACI318-1977規(guī)范研究比較后認(rèn)為：為控制節(jié)點(diǎn)開裂，防止板破裂時(shí)的完全倒塌，需在柱板頂和板底處布置一定的粘結(jié)鋼筋；施加預(yù)應(yīng)力可有效提高柱的節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度；為最大程度增加節(jié)點(diǎn)抗剪強(qiáng)度及抗不平衡彎矩的性能，需把預(yù)應(yīng)力筋成束布置于柱附近。

2.3 剛度

結(jié)構(gòu)在荷載作用下剛度退化對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能至關(guān)重要。結(jié)構(gòu)在地震下的響應(yīng)發(fā)生變化，是由于結(jié)構(gòu)剛度的退化引起結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能發(fā)生變化造成的。高強(qiáng)鋼筋和高強(qiáng)混凝土在鋼混結(jié)構(gòu)中的使用，可在一定程度上增加構(gòu)件的剛度。

同濟(jì)大學(xué)的楊震等人使用若干普通混凝土板柱節(jié)點(diǎn)和無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力板柱節(jié)點(diǎn)完成了其在多荷載共同作用下的試驗(yàn)研究[5]，研究指出：和普通混凝土節(jié)點(diǎn)相比，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土節(jié)點(diǎn)的剛度、承載力均有一定程度的提高，而剛度退化、承載力退化卻比普通混凝土節(jié)點(diǎn)小。

西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院劉艷輝，趙世春進(jìn)行了2榀2種類型的無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土框架模型在水平低周反復(fù)荷載作用下的試驗(yàn)[6]，對(duì)其破壞形態(tài)、延性、強(qiáng)度、剛度和耗能能力等進(jìn)行了研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：梁和柱均配置無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋的框架強(qiáng)度及剛度衰減較慢。

2.4 延性

延性指結(jié)構(gòu)在外部荷載作用下，結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力超過其屈服強(qiáng)度并繼續(xù)增加時(shí)，整體結(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞的變形性質(zhì)。它是評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)抗震性能的關(guān)鍵因素，結(jié)構(gòu)進(jìn)行延性設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是要實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)在發(fā)生屈服后，仍具有充足的變形能力。在地震發(fā)生時(shí)，結(jié)構(gòu)可以利用其具有的這種彈塑性的變形能力來吸收并耗散地震能量，從而是結(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞性的倒塌。

在1980年K.J.Thompson和R.Park用恢復(fù)力模型對(duì)單自由度的預(yù)應(yīng)力混凝土框架進(jìn)行了動(dòng)力反應(yīng)分析。分析后得出結(jié)論：雖然鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)比預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)的耗能能力強(qiáng)，但兩者最大的位移相近；預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)的最大位移比鋼混框架的最大位移平均高出1.3倍。

同濟(jì)大學(xué)的周德源教授開展了關(guān)于有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)和無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)擬靜力試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：有粘結(jié)的預(yù)應(yīng)力混凝土和無粘結(jié)的預(yù)應(yīng)力混凝土均都表現(xiàn)出很好的位移延性，并且從定量分析得角度來看，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土框架比有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土框架的位移延性小10%左右。

福州大學(xué)結(jié)構(gòu)研究所進(jìn)行了關(guān)于無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)和普通鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的擬靜力對(duì)比試驗(yàn)[8][9]。結(jié)果表明：無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)的骨架曲線在下降段相較普通鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的要平緩的多，普通混凝土框架的變形能力相比無粘結(jié)框架的變形能力要小很多。其原因在于無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋的存在有助于提高整體結(jié)構(gòu)的延性。

2.5 耗能能力

結(jié)構(gòu)滯回環(huán)所包圍的面積是結(jié)構(gòu)耗能性能的重要指標(biāo)之一。以往的試驗(yàn)表明，在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中，預(yù)應(yīng)力筋在初始彈性拉伸后，具有較強(qiáng)的恢復(fù)變形的能力。并且當(dāng)在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中使用非預(yù)應(yīng)力筋，彎矩-曲率滯回環(huán)將會(huì)變胖，位移反應(yīng)得到減少并且能量耗散的更多。同樣在混凝土梁結(jié)構(gòu)中使用的非預(yù)應(yīng)力鋼筋可以發(fā)揮受壓鋼筋的作用從而提高其延性，圖1是典型的部分預(yù)應(yīng)力混凝土的力矩-曲率滯回曲線。

福州大學(xué)結(jié)構(gòu)研究所針對(duì)普通鋼混框架結(jié)構(gòu)和無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼混框架結(jié)構(gòu)開展了擬靜力對(duì)比試驗(yàn)。兩者的恢復(fù)力曲線如圖2，對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，配置了非預(yù)應(yīng)力鋼筋的無粘結(jié)框架結(jié)構(gòu)的耗能能力與普通鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的區(qū)別不大。

同濟(jì)大學(xué)的蘇小卒、朱伯龍等人針對(duì)有粘結(jié)和無粘結(jié)單層單跨PC框架開展了一系列的試驗(yàn)研究[10]，試驗(yàn)中使用的框架試件的梁和柱在受壓區(qū)、受拉區(qū)都布置了預(yù)應(yīng)力筋。反復(fù)水平荷載試驗(yàn)和振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)表明：有粘結(jié)PC框架滯回環(huán)初期呈現(xiàn)正態(tài)，并且有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋可能由受拉狀態(tài)轉(zhuǎn)為受壓狀態(tài)；靜力試驗(yàn)研究表明有粘結(jié)的預(yù)應(yīng)力PC框架的能量消耗大于無粘結(jié)的，但是在動(dòng)力試驗(yàn)中，其結(jié)果卻是有粘結(jié)PC框架耗能能力小于無粘結(jié)框架。這種相反的試驗(yàn)結(jié)論說明了無粘結(jié)框架中存在一種獨(dú)特的耗散能量方式。經(jīng)過理論分析發(fā)現(xiàn)，這種耗能能力來源于預(yù)應(yīng)力鋼筋與管道之間的摩擦，對(duì)動(dòng)力試驗(yàn)的結(jié)果分析表明無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋在管道中的摩擦所產(chǎn)生的能量消耗占框架總消耗的（47.6±14）%。

3 總結(jié)與討論

3.1 強(qiáng)度

結(jié)合以往的實(shí)驗(yàn)研究，在無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土的強(qiáng)度問題方面，工程界得到了比較一致的結(jié)論，在這方面存在很少的爭議。無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土極限承載力低的缺點(diǎn)和抗裂度高的優(yōu)點(diǎn)在大量的試驗(yàn)中覺得到一致的證明。同時(shí)，在地震作用下，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋承受的應(yīng)力變化幅度較小，且保持在彈性階段。從受力的角度評(píng)價(jià)，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋的抗震安全性較好。

3.2 剛度

研究結(jié)構(gòu)抗震性能，往往最關(guān)心的是結(jié)構(gòu)在荷載作用下剛度退化的問題。在這方面工程界還沒有得到完全一致的結(jié)論。筆者認(rèn)為對(duì)無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土的剛度退化問題分析應(yīng)該進(jìn)行試驗(yàn)全過程的分析比較，不應(yīng)該僅僅對(duì)比分析最終的試驗(yàn)結(jié)果。同時(shí)由于試驗(yàn)條件試驗(yàn)方案的差異導(dǎo)致得到不同的試驗(yàn)結(jié)論。這里主要差異表現(xiàn)在：擬動(dòng)力試驗(yàn)與擬靜力試驗(yàn)，試驗(yàn)對(duì)象是框架，構(gòu)件還是節(jié)點(diǎn)。針對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)對(duì)象無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土表現(xiàn)出不同甚至相反的剛度退化現(xiàn)象。然而，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果對(duì)判斷無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土的抗震性能的價(jià)值取決于其試驗(yàn)方案試驗(yàn)條件是否更加貼近實(shí)際的工程條件。因此，筆者認(rèn)為在設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案時(shí)應(yīng)考慮其設(shè)計(jì)的試驗(yàn)的模型在實(shí)際工程中的作用，放在工程整體中考慮其交互作用。

3.3 延性

在相同的水平荷載條件下，全預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)的最大位移比鋼混框架的最大位移平均高出1.3倍，并且其范圍在0.7～2.4倍之間。如果按傳統(tǒng)的延性系數(shù)來評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)延性，預(yù)應(yīng)力鋼混結(jié)構(gòu)的延性比鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的延性要差。但是預(yù)應(yīng)力鋼混結(jié)構(gòu)屈服后的位移反應(yīng)卻比普通鋼筋混凝土的大?？v觀工程界，目前確定結(jié)構(gòu)屈服點(diǎn)的方法還未達(dá)成一致。現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的延性已逐漸采用結(jié)構(gòu)的變形能力來表示，特別是結(jié)構(gòu)屈服后的變形能力。另一方面，以往的試驗(yàn)表明：無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土板柱節(jié)點(diǎn)延性比普通混凝土板柱節(jié)點(diǎn)低很多，變形能力也較差。但在一些試驗(yàn)中無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼混框架的變形能力卻明顯高于普通鋼筋混凝土框架。筆者認(rèn)為框架結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ透咏咏鼘?shí)際的工程。只要在進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，按照“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”的設(shè)計(jì)原則，我們可以保證框架具有較大的變形能力，從而提高無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土的抗震性能。

3.4 耗能能力

以往大量的試驗(yàn)表明：全預(yù)應(yīng)力混凝土的耗能能力較普通混凝土差很多。但是研究和工程實(shí)踐表明，若在預(yù)應(yīng)力鋼混構(gòu)件中使用非預(yù)應(yīng)力鋼筋，彎矩-曲率滯回環(huán)將會(huì)變胖，位移反應(yīng)得到減少，耗能能力得到提高。福州大學(xué)結(jié)構(gòu)研究所試驗(yàn)表明：配置一定非預(yù)應(yīng)力筋的無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)耗能能力與普通鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的沒有明顯的差異。因此，在工程實(shí)踐中通過有效設(shè)置非預(yù)應(yīng)力鋼筋可以確保無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)具有較好的耗能能力。除此之外，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土還有其獨(dú)特的耗能方式。通過對(duì)動(dòng)力試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析可知無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋在管道中的摩擦導(dǎo)致的能量消耗占框架總消耗的（47.6±14）%。這種耗能機(jī)理還有待深入的研究。

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