無粘結預應力鋼混結構抗震性能研究概況

葉 陽，王勇凱

（武漢大學土木建筑工程學院，湖北 武漢 430072）

無粘結預應力鋼混結構抗震性能研究概況

葉 陽，王勇凱

（武漢大學土木建筑工程學院，湖北 武漢 430072）

無粘結預應力混凝土不需預留孔道，不必灌漿，因此施工簡便、工期短、造價較低，但是在抗震性能方面，國內外工程界還存在爭議。本文分析了國內外關于預應力混凝土結構的研究資料，討論了HRB500高強鋼筋對無粘結預應力混凝土抗震性能的影響，并分析了無粘結預應力鋼筋混凝土在強度、剛度、延性和耗能能力等抗震性能方面的研究現狀。

無粘結；預應力混凝土；抗震性能；HRB500高強鋼筋

1 概述

無粘結預應力混凝土的顯著優(yōu)點是不需預留孔道，不必灌漿，因此施工簡便、工期短、造價較低。目前，工程界在地震區(qū)建造了大量的無粘結預應力混凝土結構[1]。但在抗震性能方面，國內外工程界還存在爭議。因此，有必要對無粘結預應力鋼筋混凝土的抗震性能的研究現狀進行分析。

以往的觀點認為，預應力混凝土結構的阻尼小，耗能能力不強，導致在地震反復荷載作用下位移較大，而且此結構采用的高強鋼筋和高強混凝土塑性較差[2]，特別是國內在推廣HRB500高強鋼筋在實際工程中的應用。然而高強鋼筋雖能夠提高構件強度、降低截面尺寸、減少用鋼量，但其極限變形較大，對構件的抗震性能的影響與普通鋼筋不同。

2 無粘結預應力結構抗震性能的評定

本文討論HRB500高強鋼筋對無粘結預應力混凝土抗震性能的影響，并分析無粘結預應力鋼筋混凝土在強度、剛度、延性和耗能能力等抗震性能方面的研究現狀。

2.1 HRB500鋼筋的強度影響

HRB500高強鋼筋能夠提高構件強度、降低截面尺寸、減少用鋼量，但其極限變形較大，其對構件的抗震性能的影響與普通鋼筋不同。

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

2.2 極限強度

無粘結預應力筋受力后應變的增長量和沿預應力筋全長混凝土產生的平均變化量相等。其受力后一般只出現一條或少數幾條裂縫。裂縫一出現就迅速上伸，增加不了多少荷載，就會起彎曲破壞，強度也比有粘結的要降低10%～20%，破壞呈脆性。

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

2.3 剛度

結構在荷載作用下剛度退化對結構抗震性能至關重要。結構在地震下的響應發(fā)生變化，是由于結構剛度的退化引起結構動力性能發(fā)生變化造成的。高強鋼筋和高強混凝土在鋼混結構中的使用，可在一定程度上增加構件的剛度。

同濟大學的楊震等人使用若干普通混凝土板柱節(jié)點和無粘結預應力板柱節(jié)點完成了其在多荷載共同作用下的試驗研究[5]，研究指出：和普通混凝土節(jié)點相比，無粘結預應力混凝土節(jié)點的剛度、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)點小。

西南交通大學土木工程學院劉艷輝，趙世春進行了2榀2種類型的無粘結預應力混凝土框架模型在水平低周反復荷載作用下的試驗[6]，對其破壞形態(tài)、延性、強度、剛度和耗能能力等進行了研究。試驗結果表明：梁和柱均配置無粘結預應力鋼筋的框架強度及剛度衰減較慢。

2.4 延性

延性指結構在外部荷載作用下，結構內應力超過其屈服強度并繼續(xù)增加時，整體結構不發(fā)生破壞的變形性質。它是評價結構抗震性能的關鍵因素，結構進行延性設計的目標就是要實現結構在發(fā)生屈服后，仍具有充足的變形能力。在地震發(fā)生時，結構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，從而是結構不發(fā)生破壞性的倒塌。

在1980年K.J.Thompson和R.Park用恢復力模型對單自由度的預應力混凝土框架進行了動力反應分析。分析后得出結論：雖然鋼筋混凝土框架結構比預應力混凝土框架結構的耗能能力強，但兩者最大的位移相近；預應力混凝土框架結構的最大位移比鋼混框架的最大位移平均高出1.3倍。

同濟大學的周德源教授開展了關于有粘結預應力混凝土框架結構和無粘結預應力混凝土框架結構擬靜力試驗研究。試驗結果表明：有粘結的預應力混凝土和無粘結的預應力混凝土均都表現出很好的位移延性，并且從定量分析得角度來看，無粘結預應力混凝土框架比有粘結預應力混凝土框架的位移延性小10%左右。

福州大學結構研究所進行了關于無粘結預應力混凝土框架結構和普通鋼筋混凝土框架結構的擬靜力對比試驗[8][9]。結果表明：無粘結預應力混凝土框架結構的骨架曲線在下降段相較普通鋼筋混凝土框架結構的要平緩的多，普通混凝土框架的變形能力相比無粘結框架的變形能力要小很多。其原因在于無粘結預應力鋼筋的存在有助于提高整體結構的延性。

2.5 耗能能力

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

圖1 結構滯回曲線圖

福州大學結構研究所針對普通鋼混框架結構和無粘結預應力鋼混框架結構開展了擬靜力對比試驗。兩者的恢復力曲線如圖2，對比分析可以發(fā)現，配置了非預應力鋼筋的無粘結框架結構的耗能能力與普通鋼筋混凝土框架結構的區(qū)別不大。

圖2 框架結構恢復力曲線

同濟大學的蘇小卒、朱伯龍等人針對有粘結和無粘結單層單跨PC框架開展了一系列的試驗研究[10]，試驗中使用的框架試件的梁和柱在受壓區(qū)、受拉區(qū)都布置了預應力筋。反復水平荷載試驗和振動臺試驗表明：有粘結PC框架滯回環(huán)初期呈現正態(tài)，并且有粘結預應力筋可能由受拉狀態(tài)轉為受壓狀態(tài)；靜力試驗研究表明有粘結的預應力PC框架的能量消耗大于無粘結的，但是在動力試驗中，其結果卻是有粘結PC框架耗能能力小于無粘結框架。這種相反的試驗結論說明了無粘結框架中存在一種獨特的耗散能量方式。經過理論分析發(fā)現，這種耗能能力來源于預應力鋼筋與管道之間的摩擦，對動力試驗的結果分析表明無粘結預應力筋在管道中的摩擦所產生的能量消耗占框架總消耗的（47.6±14）%。

3 總結與討論

3.1 強度

結合以往的實驗研究，在無粘結預應力混凝土的強度問題方面，工程界得到了比較一致的結論，在這方面存在很少的爭議。無粘結預應力混凝土極限承載力低的缺點和抗裂度高的優(yōu)點在大量的試驗中覺得到一致的證明。同時，在地震作用下，無粘結預應力筋承受的應力變化幅度較小，且保持在彈性階段。從受力的角度評價，無粘結預應力筋的抗震安全性較好。

3.2 剛度

研究結構抗震性能，往往最關心的是結構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論。筆者認為對無粘結預應力混凝土的剛度退化問題分析應該進行試驗全過程的分析比較，不應該僅僅對比分析最終的試驗結果。同時由于試驗條件試驗方案的差異導致得到不同的試驗結論。這里主要差異表現在：擬動力試驗與擬靜力試驗，試驗對象是框架，構件還是節(jié)點。針對不同的實驗對象無粘結預應力混凝土表現出不同甚至相反的剛度退化現象。然而，實驗的結果對判斷無粘結預應力混凝土的抗震性能的價值取決于其試驗方案試驗條件是否更加貼近實際的工程條件。因此，筆者認為在設計試驗方案時應考慮其設計的試驗的模型在實際工程中的作用，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，全預應力混凝土框架結構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)的延性系數來評價結構延性，預應力鋼混結構的延性比鋼筋混凝土框架結構的延性要差。但是預應力鋼混結構屈服后的位移反應卻比普通鋼筋混凝土的大?？v觀工程界，目前確定結構屈服點的方法還未達成一致。現在結構的延性已逐漸采用結構的變形能力來表示，特別是結構屈服后的變形能力。另一方面，以往的試驗表明：無粘結預應力混凝土板柱節(jié)點延性比普通混凝土板柱節(jié)點低很多，變形能力也較差。但在一些試驗中無粘結預應力鋼混框架的變形能力卻明顯高于普通鋼筋混凝土框架。筆者認為框架結構的試驗模型更加接近實際的工程。只要在進行合理的設計，按照“強節(jié)點”的設計原則，我們可以保證框架具有較大的變形能力，從而提高無粘結預應力混凝土的抗震性能。

3.4 耗能能力

以往大量的試驗表明：全預應力混凝土的耗能能力較普通混凝土差很多。但是研究和工程實踐表明，若在預應力鋼混構件中使用非預應力鋼筋，彎矩-曲率滯回環(huán)將會變胖，位移反應得到減少，耗能能力得到提高。福州大學結構研究所試驗表明：配置一定非預應力筋的無粘結預應力混凝土框架結構耗能能力與普通鋼筋混凝土框架結構的沒有明顯的差異。因此，在工程實踐中通過有效設置非預應力鋼筋可以確保無粘結預應力混凝土框架結構具有較好的耗能能力。除此之外，無粘結預應力混凝土還有其獨特的耗能方式。通過對動力試驗的結果進行分析可知無粘結預應力筋在管道中的摩擦導致的能量消耗占框架總消耗的（47.6±14）%。這種耗能機理還有待深入的研究。

[1]李飛燕.無粘結與有粘結預應力混凝土結構抗震性能對比[J].福建建筑，2008（11）.

[2]程浩德，房貞政.有粘結預應力、無粘結預應力以及鋼筋混凝土結構抗震性能的比較與分析[M].福建建筑，2008（12）.

[3]鄧艷青.HRB500鋼筋混凝土柱的抗震性能試驗研究[D].重慶大學，2010.

[4]Hawkins N.M. Lateral Load Resistance of Unbonded Post- Tensioned Flat Plate Construction，PCI Journal，Vol.26，No.1，Jan.-Feb.1981，PP.94-115.

[5]楊震.預應力鋼筋混凝土板柱節(jié)點抗震性能研究[J].上海: 同濟大學土建學院，1999.

[6]劉艷輝,趙世春.無粘結預應力混凝土框架抗震性能的試驗研究[R].西南交通大學報，2003（12）.

[7]K.J.Thompson,R.Park.Seismic Response of PPC, Proc.ASCE, PP.1755-1774, J.Struct. Piv.Aaug.1980.

[8]林飛.無粘結預應力混凝土框架結構抗震性能試驗研究[D].福州:福州大學, 2001.

[9]陳紅媛，房貞政，林希.無粘結部分預應力混凝土扁梁框架抗震性能試驗研究[J].地震工程與振動工程，2003，23（6）:91-96.

[10]蘇小卒，朱伯龍.框架大位移時無粘結預應力筋的耗能效應[J].結構工程師，1995（1）.

TU352.11

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1671-3362（2013）07-0012-02