無粘結(jié)高強(qiáng)鋼筋混凝土柱自復(fù)位性能研究綜述

施云 戴偉 吳慶 徐新文

【摘 要】對后無粘結(jié)高強(qiáng)鋼筋混凝土柱進(jìn)行了介紹，分析了研究的必要性，從國內(nèi)外對無粘結(jié)高強(qiáng)鋼筋混凝土柱的耗能性能的實(shí)驗(yàn)研究、理論研究等方面進(jìn)行了論述，介紹了最新研究進(jìn)展。

【關(guān)鍵詞】無粘結(jié)高強(qiáng)鋼筋；低周反復(fù)荷載試驗(yàn)；復(fù)位性能；殘余變形

中圖分類號： TU375.3；TU352.11 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）21-0088-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.21.039

【Abstract】Introduced the post unbonded high strength reinforced concrete column Introduced，the necessity of the study is analyzed，the experimental research and theoretical research on the energy dissipation performance of unbonded high strength reinforced concrete column are discussed from home and abroad，and the latest research progress is introduced.

【Key words】Unbonded high-strength steel bar；Low cyclic loading test；Reduction performance；Residual deformation

0 引言

現(xiàn)有的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為了達(dá)到“大震不倒，中震可修，小震不壞”的抗震設(shè)計(jì)目的，地震后出現(xiàn)較大的結(jié)構(gòu)變形或殘余變形是被結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范允許的，而且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候也是遵循這一理念的，但是地震后建筑物的較大殘余變形卻給社會(huì)救援和建筑物的修復(fù)工作帶來了一定的困難，許多建筑物由于較大殘余變形的存在而無法修復(fù)，不得不拆除，造成了極大的資源浪費(fèi)和財(cái)產(chǎn)損失[1]。因此在日本1997年發(fā)生神戶大地震后，日本學(xué)者大谷和川島等[2，3]等學(xué)者已經(jīng)指提出應(yīng)當(dāng)采取一定的措施來減小建筑物地震后殘余變形，并強(qiáng)調(diào)了減小建筑物殘余變形的重要性。

綜上考慮只遵循傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)理念及方法現(xiàn)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代的抗震設(shè)計(jì)目的及要求，建筑物在地震后具備較小的殘余變形也應(yīng)當(dāng)作為一個(gè)重要的衡量指標(biāo)。日本神戶大學(xué)的孫玉平等[4]指出在不久的將來新型建筑物在抗震性能方面應(yīng)當(dāng)具備：1、在大地震時(shí)建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)該具備良好的抗震承載力及良好的延性；2、建筑物即使經(jīng)歷了大地震也應(yīng)當(dāng)具備較小的殘余變形及良好地自復(fù)位性能。

雖然減小建筑物地震的殘余變形的重要意義在很早以前就已經(jīng)提出并得到重視，但是建筑結(jié)構(gòu)具備良好的自復(fù)位性能的研究卻鮮有涉及。近年來，建筑物具備良好地自復(fù)位性能正在成為眾多學(xué)者的研究對象。

1 無粘結(jié)高強(qiáng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

無粘結(jié)或低粘結(jié)高強(qiáng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和普通混凝土結(jié)構(gòu)從組成材料的方面考慮兩者差別不大，其組成材料都是鋼筋及混凝土，但是由于無粘結(jié)高強(qiáng)鋼筋的存在決定兩種結(jié)構(gòu)所用的材料形式及強(qiáng)度都會(huì)有所區(qū)別。鋼筋混凝土材料實(shí)現(xiàn)了鋼筋與混凝土的結(jié)合，使兩種材料能夠取長補(bǔ)短，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，將傳統(tǒng)有粘結(jié)鋼筋變成無粘結(jié)高強(qiáng)鋼筋的目的在于在構(gòu)件或結(jié)構(gòu)發(fā)生變形時(shí)無粘結(jié)高強(qiáng)鋼筋能產(chǎn)生一個(gè)恢復(fù)力以減小其殘余變形。

2 研究現(xiàn)狀

2.1 國外研究現(xiàn)狀

國外學(xué)者對這一領(lǐng)域的研究進(jìn)入較早，研究成果也較為豐富，但對該課題的研究仍然方興未艾。縱觀所有學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn)為了減小建筑物的殘余變形及具備自復(fù)位能力到，研究者們一般會(huì)采取兩種方式，一是通過在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件中加入后張拉無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋來施加預(yù)應(yīng)力，二是增加無粘結(jié)或低粘結(jié)力的高強(qiáng)鋼筋或用其取代（部分取代）傳統(tǒng)受力主筋。

渡邊教授等研究者[5]通過在普通鋼筋混凝土柱中通過預(yù)應(yīng)力筋施加預(yù)應(yīng)力，綜合利用鋼筋混凝土柱的高承載力及良好的抗震性能，預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)應(yīng)力及變形后可以提供良好的回復(fù)力的特點(diǎn)。使得后張拉預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)不但擁有較好的承載能力及抗震性能，而且能夠切實(shí)減小結(jié)構(gòu)或構(gòu)件地震后的殘余變形。Priestley等 [6]已經(jīng)建議在鋼筋混凝土橋梁中通過加入后張拉預(yù)應(yīng)力筋來實(shí)現(xiàn)減小殘余變形的目的。而Panian[7]在 David Brown Center的設(shè)計(jì)及建造過程中將該方法付諸實(shí)踐，取得了不錯(cuò)的應(yīng)用效果。

雖然通過在構(gòu)件中加入預(yù)應(yīng)力筋的方式來提高建筑的自復(fù)位能力并減小建筑物震后殘余變形的有效性已經(jīng)通過眾多學(xué)者的研究及應(yīng)用得到驗(yàn)證，但是有關(guān)預(yù)應(yīng)力筋在實(shí)際應(yīng)用過程中及幾個(gè)問題仍然沒有得到很好地解決。一是如何評定或測量預(yù)應(yīng)力筋在地震或者使用過程中的預(yù)應(yīng)力損失及由此造成的建筑結(jié)構(gòu)或構(gòu)件自復(fù)位性能能力降低殘余變形增大；二是該方法如何保證建筑結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在地震作用時(shí)能夠擁有穩(wěn)定地承載能力而不出現(xiàn)退化現(xiàn)象；三是由于施加了預(yù)應(yīng)力無可避免的會(huì)造成建筑結(jié)構(gòu)的耗能性能變差。

Pandey[9]通過采用改變鋼筋與混凝土之間的無粘結(jié)形式，無粘結(jié)區(qū)段長度對無粘結(jié)高強(qiáng)鋼筋混凝土柱的抗剪承載力及其延性性能的影響及規(guī)律。研究結(jié)論表明在普通鋼筋混凝土柱中加入無粘結(jié)或低粘結(jié)鋼筋后（或用無粘結(jié)或低粘結(jié)鋼筋替換柱中受力主筋）柱身裂縫的出現(xiàn)及發(fā)展主要集中在柱的柱腳處，且鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力越小這種現(xiàn)象越明顯，很好地改善了柱的損傷情況，柱的破壞形式逐漸由剪切破壞轉(zhuǎn)變成彎曲破壞。隨著鋼筋與混凝土之間粘結(jié)力的減小或鋼筋無粘結(jié)區(qū)段長度的增加，柱的延性性能不斷得到改善。

江琦文也[12]在鋼筋混凝土柱身上外包鋼管及采用無粘結(jié)高強(qiáng)鋼筋取代柱中的傳統(tǒng)鋼筋來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的自復(fù)位。其研究用的試件雖然表現(xiàn)出良好的自復(fù)位性能，殘余變形較小，但同時(shí)也存在著無傳統(tǒng)主筋僅有無粘結(jié)高強(qiáng)鋼筋的混凝土柱的承載力低于理論值及由無粘結(jié)鋼筋提供的自復(fù)位力急劇減小的現(xiàn)象。而利用鋼管對柱進(jìn)行外包其承載力可切實(shí)得到提高。

日本神戶大學(xué)孫玉平等人[10]利用一種SBPDN鋼筋作為建筑構(gòu)件的主筋，這種鋼筋的粘結(jié)力只有傳統(tǒng)熱軋帶肋鋼筋的20%左右。由于較低的粘結(jié)力會(huì)使該鋼筋的屈服出現(xiàn)延遲，使得結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在發(fā)生較大形變時(shí)該鋼筋沒有出現(xiàn)屈服從而具備較好的自復(fù)位性能及延性性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明使用該鋼筋不僅對減小建筑結(jié)構(gòu)的殘余變形作用明顯，而且能夠保證構(gòu)件及結(jié)構(gòu)具備良好的承載能力

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

近年來，國內(nèi)一些學(xué)者對于建筑物結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的自復(fù)位性能研究開始逐漸開始重視起來[11]。清華大學(xué)的一些研究者[12]在橋梁墩柱軸心位置設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼筋及柱周邊布置耗能鋼筋來減小其殘余變形及提高其耗能性能。

孟少平等[28]著眼于裝配式建筑，將裝配式建筑中的鋼筋混凝土梁、柱混凝土梁柱通過外加角鋼連接，遵循“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、弱構(gòu)件”的抗震設(shè)計(jì)原理，使梁柱節(jié)點(diǎn)的抗震性能得到提高，使梁、柱構(gòu)件的變形皆能保持在彈性范圍內(nèi)，以保證結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的自復(fù)位能力，使其提供穩(wěn)定的回復(fù)力，減小其殘余變形。

胡曉斌等[13]通過設(shè)置在墻體中的水平縫使墻體在地震或受力時(shí)可沿縫隙轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)通過預(yù)埋在墻體中的預(yù)應(yīng)力筋使墻體在地震或受力后自復(fù)位，減小殘余變形。

國內(nèi)學(xué)者的研究主要是在結(jié)構(gòu)中采用一定的構(gòu)造措施從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的自復(fù)位，一般來說該構(gòu)造措施都具備一定的復(fù)雜性，給設(shè)計(jì)和施工帶來一定的難度，不具備普遍性和推廣應(yīng)用價(jià)值。因此，針對應(yīng)用更為廣泛的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，研制或發(fā)明出一種無須特殊構(gòu)造或復(fù)雜施工工程即具備良好復(fù)位能力的結(jié)構(gòu)形式或裝置應(yīng)當(dāng)作為以后一段時(shí)期的重點(diǎn)研究方向。

3 研究結(jié)論分析

根據(jù)國內(nèi)外等人的研究結(jié)論，減小主筋與混凝土之間的粘結(jié)力或提高主筋的無粘結(jié)區(qū)段長度可有效地提高結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的自復(fù)位能力，減小其殘余變形。這是因?yàn)橹鹘钆c混凝土之間粘結(jié)力的減小使構(gòu)件主筋的受力更加的趨于均勻，柱的受力機(jī)制發(fā)生了變化，由剪切破壞模式轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓧U拱受力模式，受力模式轉(zhuǎn)變?nèi)鐖D1所示。

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