新型預(yù)應(yīng)力梁柱非對(duì)稱(chēng)混合連接設(shè)計(jì)分析

魏建林

摘要:文章對(duì)新型預(yù)應(yīng)力梁柱連接形式——非對(duì)稱(chēng)混合連接(簡(jiǎn)稱(chēng)UNSH連接)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析研究,該連接形式主要應(yīng)用于裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu),一方面采用后張有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力將預(yù)制梁、柱拼裝在一起,另一方面在梁疊合層現(xiàn)澆混凝土內(nèi)設(shè)置連續(xù)普通鋼筋。預(yù)應(yīng)力筋在設(shè)防烈度地震作用下保持彈性,結(jié)構(gòu)塑性變形主要產(chǎn)生在梁柱接縫處。

關(guān)鍵詞:預(yù)應(yīng)力;混凝土;非對(duì)稱(chēng)混合連接;UNSH連接

中圖分類(lèi)號(hào):TU398文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-2374(2009)22-0025-02

建筑工業(yè)化的優(yōu)越性在于大幅度提高了建造能力和建造速度,具體來(lái)說(shuō)具有以下一些特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì):建筑構(gòu)配件集中的、先進(jìn)的、產(chǎn)業(yè)化的工業(yè)生產(chǎn)方式,能保證較高的工藝水準(zhǔn)和產(chǎn)品質(zhì)量,使建造質(zhì)量得到保證;預(yù)制構(gòu)件可以直接作為建筑的外部構(gòu)件而無(wú)需另外做面層裝飾,省時(shí)省力;構(gòu)配件大批量物流化供應(yīng)、機(jī)械化施工,使建造速度得以大大提高;構(gòu)件及模板體系可重復(fù)使用,具有良好的經(jīng)濟(jì)效益;預(yù)制構(gòu)件可以在場(chǎng)外提前制作并堆放,在施工場(chǎng)地準(zhǔn)備完畢后很快進(jìn)行安裝;改善勞動(dòng)條件,使手工作業(yè)轉(zhuǎn)向機(jī)械化施工,同時(shí)大大減少了建筑工地的用工量,降低造價(jià);與現(xiàn)澆混凝土相比,采用預(yù)制混凝土構(gòu)件還能減少混凝土變形裂縫,提高結(jié)構(gòu)耐久性;與傳統(tǒng)的施工方式相比,實(shí)行工業(yè)化方式,一般節(jié)材率可達(dá)20%左右,節(jié)水率達(dá)60%以上。推進(jìn)建筑工業(yè)化可從根本上改變傳統(tǒng)的建筑生產(chǎn)方式,使建設(shè)逐步走上科技含量高、資源消耗低、環(huán)境污染少、經(jīng)濟(jì)效益好的道路。

一、預(yù)應(yīng)力連接

經(jīng)國(guó)外數(shù)名學(xué)者多年研究認(rèn)為,用后張預(yù)應(yīng)力將預(yù)制梁連接到預(yù)制柱的裝配式混凝土框架是一種經(jīng)濟(jì)的、多高層建筑建造方式。有粘結(jié)和無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件在進(jìn)行正截面分析時(shí)的基本區(qū)別在于應(yīng)變一致性條件:有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的截面應(yīng)變具有一致性,在張拉灌漿后,預(yù)應(yīng)力筋和鄰近的混凝土在預(yù)應(yīng)力構(gòu)件中任意截面具有相同的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng),預(yù)應(yīng)力構(gòu)件沿構(gòu)件長(zhǎng)度方向彎矩變化,混凝土應(yīng)變?cè)隽恳蚕鄳?yīng)變化;而無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋通常忽略與孔道之間可能存在的摩擦力,假定在整個(gè)無(wú)粘結(jié)長(zhǎng)度上的應(yīng)變?yōu)槌?shù)。

(一)無(wú)粘結(jié)連接的優(yōu)缺點(diǎn)

全無(wú)粘結(jié)的設(shè)計(jì)有因錨固端失效導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力徹底喪失的風(fēng)險(xiǎn),考慮到梁跨中是一個(gè)對(duì)稱(chēng)點(diǎn),無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋在此處不會(huì)有相對(duì)于混凝土的滑動(dòng),所以在PRESSS研究項(xiàng)目中將無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力連接加以改進(jìn),設(shè)置成預(yù)應(yīng)力筋在跨中有粘結(jié)而其它部分無(wú)粘結(jié)(圖1),這樣在柱面處仍能產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng),預(yù)應(yīng)力筋無(wú)粘結(jié)長(zhǎng)度取決于需要的延伸長(zhǎng)度。

而無(wú)粘結(jié)連接的性能主要有以下不理想的方面:因?yàn)轭A(yù)應(yīng)力筋保持彈性,所以結(jié)構(gòu)耗能很少;無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力連接的做法是與通常的后張法一樣,預(yù)應(yīng)力筋放在預(yù)留孔道中,但張拉后不灌漿。節(jié)點(diǎn)核心區(qū)會(huì)受到預(yù)應(yīng)力孔道削弱的影響;由于梁柱接縫開(kāi)展較寬,無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋防腐蝕性能較差的弱點(diǎn)更加突出;梁柱接縫開(kāi)展較寬,預(yù)制梁角部的壓應(yīng)變將很大,梁的壓碎程度比有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力連接嚴(yán)重,需要在梁端部加強(qiáng)配置約束鋼筋;部分無(wú)粘結(jié)的構(gòu)造并不能完全解決以上的缺陷,而且在實(shí)際施工中頗為不便,不利于推廣應(yīng)用。

(二)有粘結(jié)連接的優(yōu)缺點(diǎn)

使用有粘結(jié)鋼絞線(xiàn)能有效抵御腐蝕,并且在錨固失效的情況下結(jié)構(gòu)只會(huì)逐步倒塌。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)(NIST)的研究表明使用有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力連接能改善節(jié)點(diǎn)延性。在較低幅度的地震作用下,預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力的變化保持在彈性范圍之內(nèi),當(dāng)變形恢復(fù)到零時(shí)沒(méi)有預(yù)應(yīng)力損失。但在達(dá)到一定的位移水平后,梁柱接縫處預(yù)應(yīng)力筋的局部屈服有可能導(dǎo)致預(yù)壓力損失,從而降低連接的受剪承載力,此時(shí)的滯回性能表現(xiàn)為在較低荷載下剛度比較低,在小位移時(shí)剛度退化很快。從更高的位移水平卸載后,由于較大的塑性變形,預(yù)應(yīng)力有可能會(huì)全部損失。

二、新型連接的形式

在研究多種延性連接優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上,設(shè)想一種應(yīng)用于框架結(jié)構(gòu)體系的新型預(yù)應(yīng)力。

梁柱連接形式,命名為非對(duì)稱(chēng)混合連接(unsymmetrical hybrid connection),后文統(tǒng)一簡(jiǎn)稱(chēng)UNSH連接。該連接的具體形式如下:預(yù)制梁、柱的連接不僅通過(guò)后張有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力,還采用連續(xù)普通鋼筋進(jìn)行連接。預(yù)應(yīng)力筋穿過(guò)預(yù)留孔道將柱兩側(cè)橫梁連接在一起,然后灌漿形成有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力節(jié)點(diǎn)。預(yù)應(yīng)力筋在設(shè)計(jì)地震作用下始終保持彈性,結(jié)構(gòu)非線(xiàn)性變形主要發(fā)生在梁柱接縫。后張直線(xiàn)預(yù)應(yīng)力筋既可以起連接預(yù)制構(gòu)件的作用,又能承受梁端彎矩,構(gòu)成整體受力節(jié)點(diǎn)和連續(xù)受力框架。當(dāng)層間位移角超過(guò)一定大小時(shí),梁柱接縫張開(kāi),預(yù)應(yīng)力筋拉力增加,產(chǎn)生恢復(fù)力使接縫閉合,將梁柱拉回原來(lái)的位置;普通鋼筋除了承擔(dān)梁截面抗彎外,還隨著接縫的張開(kāi)和閉合交替受拉和受壓,起到耗散地震能量的作用。為方便建筑施工,UNSH連接沒(méi)有在梁截面上下對(duì)稱(chēng)配置普通鋼筋,僅在梁上部疊合層后澆混凝土內(nèi)埋設(shè)普通鋼筋與預(yù)埋在柱內(nèi)的鋼筋通過(guò)直螺紋套筒連接(如圖2所示);梁與柱的連接面不設(shè)置牛腿,而是采用平面拼接,依靠接觸面預(yù)壓力產(chǎn)生的摩擦力傳遞梁端剪力。

本文提出UNSH連接這種預(yù)制裝配形式,除了考慮到預(yù)制結(jié)構(gòu)的一般優(yōu)越性以外,主要是出于以下幾方面原因:我國(guó)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》建議框架梁宜采用后張有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋和普通鋼筋的混合配置方式;全預(yù)應(yīng)力連接滯回曲線(xiàn)的捏縮現(xiàn)象比較嚴(yán)重,增加普通鋼筋能改善節(jié)點(diǎn)的滯回性能;以往抗震設(shè)計(jì)原則是以保障人的生命安全為準(zhǔn)則,因此地震帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中很少考慮。而在UNSH體系框架中,地震帶來(lái)的破壞主要出現(xiàn)在梁柱連接處,評(píng)估地震造成的損失變得非常容易;UNSH體系優(yōu)于現(xiàn)澆體系的一個(gè)方面在于將破壞集中到連續(xù)普通鋼筋,降低了結(jié)構(gòu)維修費(fèi)用。只要普通鋼筋沒(méi)有斷裂,UNSH連接承載力基本就不會(huì)退化;有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力與無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力相比預(yù)應(yīng)力筋容易屈服,這會(huì)造成連接剛度退化,接觸面摩擦受剪承載力下降,非彈性地震作用后結(jié)構(gòu)殘余變形大,殘余剛度低;現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)的梁轉(zhuǎn)動(dòng)沿塑性鉸長(zhǎng)度分布,而UNSH連接的破壞模式和現(xiàn)澆構(gòu)件不同,接縫處梁轉(zhuǎn)動(dòng)集中,可能會(huì)導(dǎo)致局部普通鋼筋應(yīng)變過(guò)大而過(guò)早斷裂,在此對(duì)這部分鋼筋作無(wú)粘結(jié)處理以解決該問(wèn)題。

PRESSS的混合連接上下對(duì)稱(chēng)配置連續(xù)普通鋼筋,比較理想的做法是在預(yù)制梁的頂部和底部開(kāi)槽(如圖3所示),將普通鋼筋穿過(guò)孔洞,然后灌漿。與混合連接相比,UNSH連接下部沒(méi)有連續(xù)普通鋼筋,可能會(huì)造成耗能鋼筋不足,增大地震作用下的側(cè)移。

三、結(jié)語(yǔ)

在對(duì)國(guó)內(nèi)外預(yù)制裝配建筑的研究和應(yīng)用進(jìn)行考察的基礎(chǔ)上,本文提出一種應(yīng)用于框架結(jié)構(gòu)體系的新型預(yù)應(yīng)力梁柱連接形式——非對(duì)稱(chēng)混合連接(unsymmetrical hybrid connection),本文中簡(jiǎn)稱(chēng)UNSH連接。這種梁柱連接一方面采用后張有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力將預(yù)制梁、柱拼裝在一起,另一方面在梁疊合層現(xiàn)澆混凝士?jī)?nèi)設(shè)置連續(xù)普通鋼筋。UNSH體系框架結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力筋在設(shè)計(jì)地震作用下始終保持彈性,結(jié)構(gòu)非線(xiàn)性變形主要發(fā)生在梁柱接觸面。后張直接預(yù)應(yīng)力筋既可以起連接預(yù)制構(gòu)件的作用,又能承受梁端彎矩。UNSH體系施工方便快捷,抗震性能理想,有利于實(shí)現(xiàn)梁鉸耗能機(jī)制,結(jié)構(gòu)恢復(fù)性能優(yōu)越,殘余變形小。地震作用下節(jié)點(diǎn)核心區(qū)破壞極小,損傷主要集中于梁柱連接,易于評(píng)估。UNSH體系的低程度破壞可以在強(qiáng)震之后最小化停工時(shí)間以及維修費(fèi)用。

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