预应力砌体结构研究现状分析.pdf

5 8 四川建筑科学研究 S i e hu a n Bu i l d i ng S c i e nc e 第 3 9卷第 2期 2 0 1 3年 4月 预应力砌体结构研究现状分析 邵 帅， 张广泰 新疆 大学建筑 工程学 院 ， 新疆 乌鲁木齐8 3 0 0 4 7 摘要 介绍了预应力砌体结构体系的特点、 国外预应力砌体结构的应用现状， 通过对国内预应力砌体结构的研究 现状包括试验研究和理论分析的介绍和分析， 提出了需要解决的一些问题。 关键词 预应力砌体结构 ； 研究现状 ； 问题 中图分类号 T U 3 7 8 文献标志码 - B 文章编 号 1 0 0 8 1 9 3 3 2 0 1 3 0 20 5 8 0 3 0 前言 砌体结构是用砌体作为材料 的结构， 砌体是块 体 如砖 、 石、 混凝土块 、 土块等 和灰浆的组合 。这 一 结构形式在国内外都是最古老的结构形式之一， 从原始的石砌遗址到今天的新型墙体材料 、 新技术 、 新理论 ， 它经历 了漫长 的发展过程 。本文从预应 力砌体的研究及应用现状入手 ， 列举该技术 的诸多 优点和 目前的研究现状 ， 并在此基础上做 了简单 的 分析 。 预应力砌体结构就是在砌体墙等构件的体外或 体内的特定位置配置预应力纵筋的砌体结构。由于 预应力砌体钢筋与砌体“ 组合” ， 通过设置预应力钢 筋会使砌体受力相对均匀合理 ， 所 以该结构体系 的 整体性和抗 裂能力效果 明显 J 。预应 力砌体 中的 预应力筋及锚 固方式 与预应力混凝 土结构基本相 似 ， 主要采用后 张拉 的方式施加预应力。根据施压 预应力度 的高低不 同， 锚 固方式及施工方式等亦不 同。 1 预应 力砌体 结构在国外的应用研 究情况 从很多的文献资料 中都可以了解到 ， 预应力砌 体结构主要是在部分欧洲 国家 、 美国等地得到研究 和广泛应用 ， 很多国家早在 2 0世纪就编制了相关 的 设计和施工规范 。该技术除 了在砌体结构的环 向受拉 、 受弯构件和房屋建筑 的大块墙体等构件中 应用外 ， 还应用于 旧房加 固、 改造等。相比之下 ， 我 国在此领域 的研究 、 应用开展较晚。近些年 ， 国内外 收稿 日期 2 0 1 l - l 0 - 2 5 作者简 介 邵帅 1 9 8 4一 ， 女 ， 硕士 研究生 ， 主要从 事结构 工程抗 震性能 及加 固研究 。 E ma i l s h a o s h u a i 一 8 4一 1 6 3 ． C O II 1 对预应力砌体的研究越来越多， 下面从 试验和理论 两个方面简单介绍一下国内的研究现状。 2 我 国预应 力砌 体 结 构 的试 验 研 究 现状 国内关于预应力砌体 的试验研究始于 2 0世纪 9 0年代 ， 很多是关于单片预应力墙体 的抗震试验 、 预应力损失值 的研究 。试验考虑 了很多不 同的情 况 ， 例如 1 砌体材料 试验 中的材料 有普通砖砌体 ， 也 有混凝土空心砌块。 2 预应力的张拉方 式 有采用千斤顶的 施加 的预应力度较高 ， 也有通过扭矩扳手拧 紧螺 帽来 张拉预应力钢筋的 施加 的预应力度较低 ， 这种方 法简便 、 经济 ， 适用于量大面广的砌体墙 。 3 预应力钢筋的布置 如图 1所示布置竖 向预 应力钢筋 ， 以适 当增加整个建筑物墙体 的预压应力 来提高砌块结构的整体性 和水平抗剪能力 ， 改善墙 体在正常使用条件下 的温差裂缝 ， 同时预应力筋也 起抗弯作用 ， 以承受地震和风载时结构中产生 的弯 矩 ； 还有布置斜向预应力钢筋以及布置横 向预应力 钢筋的； 其中竖向布置预应力钢筋的试验中， 钢筋布 置方式有集 中布置和分布布置两种。 _ _ 5 i l 1 工 一 I 】 I I f l l l l l 『 芒 白 j l [ ] y l 一 r l J一』 i L L 一 [ L_h L - “ L ⋯ 图 1 预应力筋的布置方式示意 4 试验研究中有非开洞墙体 ， 也有开洞墙体 。 5 墙体试件有些设置了圈梁 和构造柱， 有些没 有设置。 2 0 1 3 N o ． 2 邵帅 ， 等 预应力砌体结构研究现状分析 5 9 重庆建筑大学的骆万康和西北建筑工程学院的 王天贤 对施加了竖 向预应力开洞 、 非开洞砖墙的 抗震性能问题开展 了试验研究 ， 试验墙体 的抗震性 能由于预应力的作用而得到改善。例如 ， 预应力砖 墙较非预应力砖墙 的抗裂及承载能力有所提高， 预 应力墙的滞回耗能性能更 好、 变形潜力 和相对刚度 大 ， 在抗震工程 中应用具有很大意义。 1 9 9 7年 ， 哈尔滨建筑大学 的唐岱新 、 马晓儒。 。 通过 4片预应力砌块墙的单调水平荷载试验发现预 应力提高影响了砌体墙的抗剪承载力 、 延性及破坏 形态 ， 并指出需要对预应力砌体的应力损失 、 连接构 造等基础工作进行研究。 2 0 0 1 年 ， 刘智敏 、 姚 甫昌、 朱云丽 、 王世琪 通 过试验建议预应力混凝土砌块砌体墙预应力损失 的 取值为 2 0 ％ 。 2 0 0 3年 ， 王艳晗 、 艾军 、 张春锋 、 吕志涛 通过 3 片试验墙体的低周反复试验研究得出预应力砌体墙 具有 良好 的抗震性能 ； 由于预应力筋没有明显 的屈 服段 ， 所以研究者建议在实际应用 中， 砌体墙不仅要 配置预应力钢筋 ， 还需要 间配非预应力钢筋来提高 预应力筋 的效率和构件的延性 、 耗能能力。 2 0 0 3年 ， 孙伟 民、 胡晓明、 郭樟根等 对预应力 砌块墙体 和对 比墙 体进 行 了水平低周反 复荷载试 验。试验的结论显示预应力墙体 比普通墙的抗震性 能好 ； 开窗洞的试验墙体 的整体性能 比不开窗洞 的 墙体差 ， 当在窗洞底部现浇水平混凝土条带后墙体 的承载力和整体性能有所提高； 并根据相关文献资 料提 出了预应力砌体抗剪承载力的计算公式。 2 0 0 9年， 兰 州理工大 学 的宋或 、 原 国华 、 周乐 伟_ l 对采用斜拉筋方式加 固的砌体墙进行 了低周 反复荷载试验 ， 结果表明采用该方法加固的砖砌体 的刚度 、 承载力整体性有所提高 ， 其中加固后墙体的 刚度与斜拉筋直径有关 ； 抗剪承载力与预应力 的控 制值相关 。 2 0 1 0年 ， 南京 工业 大学 的郭樟根 、 孙 伟 民、 彭 阳⋯ 对预应力砌块砌体 的预应力损失做 了试验研 究和分析 ， 试验试件为 5片设置构造柱 、 圈梁 的混凝 土砌块墙体 ， 采用后张预应力钢筋的方 法对墙体施 加预应力 。试验发现施加预应力的砌块砌体预应力 前期损失量较多 ， 随着时间变化逐渐趋于稳定。研 究者指出预应力砌体 的预应力损失 的组成为 预应 力钢筋的松弛、 砌体 的弹性变形 、 砌体的收缩变形和 徐变 、 锚具 的回缩 、 孔道摩擦 、 温度变形等， 并基于试 验提出后张法预应力混凝土砌块砌体的预应力损失 的计算公式及预应力总损失量。 2 0 1 0年， 吉林 建筑工程学 院等单位 的尹新 生 、 桑艳丽 、 徐蕾 推导 了施加横 向预应力的砖砌体墙 体的抗剪承载力计算公式 ， 同时对施加 了体外预应 力的 1片砖砌体墙进行水平单调加载静力试验 ， 其 结论表明施加横 向预应力的砖砌体墙体的抗剪承载 力提高非常显著 ， 试件 比未施加预应力的砖砌体墙 体的抗震性能好。 3 我 国预应 力砌体 结构 的理论研究 现状 1 9 9 5年 ， 骆万康 、 王天贤 在 预应力 带圈梁、 构造柱砖墙 的试验研究基础上 ， 提 出了有关抗裂及 极限承载力的计算方法。 1 9 9 9年 ， 熊峰、 应付钊 采用有 限元法对预应 力砖砌体结构进行 了模拟分析 ， 分析所得承载力与 试验值较吻合 ， 但计算位移与实际相差较大。 2 0 0 1年 ， 王艳 晗、 吕志涛 、 张伟涛 在 试验 的 基础上编制程序分析计算了预应力砌体墙、 柱在不 同影响因素下的受压承载力， 并提出了预应力砌体 墙 、 柱受压承载力的计算公式和设计建议。 2 0 0 3 年， 郭樟根、 孙伟民、 蔡雪斌_ 1钊对带窗洞 的预应力砌块墙体的刚度进行 了研究 ， 提出了相应 的弹性刚度计算公式 。 2 0 0 4年， 于建刚、 骆万康、 喻敏 借鉴 已有带 构造柱组合砖墙 的抗侧承载力计算公 式 ， 在试验研 究的基础上提出了集 中式预应力砖墙抗侧承载力计 算 的建议公式。 4 存在 的问题 通过上文的介绍会发现 ， 国内许多专家学者对 预应力砌体结构 的诸多 问题进行 了试 验和理论研 究， 这为预应力砌体结构的发展提供了良好的基础。 预应力砌体结构有很多的优点 ， 但需要解决 的问题 还很多 ， 例如 1 目前的研究工作很 多是针对构件 的分析 ， 整 体结构的性能如何 ， 还不清楚 ； 2 开展的试验方法主要是静力方 面的， 动力方 面的试验少 ； 3 砌体材料也是一种地域性材料 ， 关于预应力 砌体结构的可靠度及耐久性 的研究尚应开展； 4 国内关于预应力砌体对裂缝控 制的试 验研 究主要集 中针对受力裂缝 ， 对地基不均匀沉降和温 度影响引起的裂缝控制如何， 值得探究； 四川建筑科学研究 第 3 9卷 5 可以尝试采用其他新材料替代预应力钢筋 。 参 考 文 献 施楚贤． 砌体结构理论与设 计 [ M] ． 2版． 北京 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 0 3 ． 施楚贤． 对砌体结构类 型的分析 与抗 震设计 建议 [ J ] ． 建筑结 构 ， 2 0 1 0， 4 0 1 7 4 - 7 6 ． 孙海粟， 张保善． 预应力砌体及其发展[ J ] ． 洛阳大学学报， 2 0 0 0， l 5 2 3 4 3 7 ． 叶燕华 ， 孙伟民． 预应力砌体 的研究应用及 发展 [ J ] ． 南京建筑 工程学院学报 ， 2 0 0 0 4 5 1 - 5 7 ． 骆万康 ， 王天贤． 关于 预应 力砖端 的变形 、 延性 与耗 能问题 的 试验研究 [ J ] ． 世界地震工程 ， 1 9 9 5 1 5 0 5 7 ． 唐岱新 ， 马晓儒． 预应 力对砌块剪力墙抗震性 能的改善 [ J ] ． 低 温建筑技术 ， 1 9 9 7 4 2 3 - 2 5 ． 刘智敏 ， 姚甫昌 ， 朱云丽， 等． 砌块墙体预应力 损失的试验研究 [ J ] ． 湖北工学院学报， 2 0 0 1 ， 1 6 2 4 5 4 7 ． 王艳晗 ， 艾军 ， 张春锋 ， 等． 低周反 复倚 载作用预应力} 昆 凝土 砌块墙试验研究[ J ] ． 建筑结构 ， 2 0 0 3 ， 3 3 4 3 ， 7 ． [ 9 ] 孙伟 民， 胡晓明 ， 郭樟根 ， 等． 预应力砌体抗震性 能的试 验研究 [ J ] ． 建筑结构学报 ， 2 0 0 3 ， 2 4 6 2 5 ． 3 1 ． [ 1 O ]宋或 ， 原国华 ， 周 乐伟． 斜拉筋 加 固砌 体结构抗震 性能试 验 研究 [ J ] ． 建筑技术 ， 2 0 0 9 ， 4 0 1 4 2 44 ． [ 1 1 ]郭樟根 ， 孙伟民， 彭 阳． 预应力 砌块砌 体预应力 损失 的试 验 研究与分析[ J ] ． 混凝土与水泥制 品， 2 0 1 0 4 6 6 - 6 8 ． [ 1 2 ]尹新生 ， 桑艳丽， 徐蕾 已建砌 体房屋 低预应力度 体外 预应 力砌体墙抗震加 固研究 [ J ] ． 土木工 程学报 ， 2 0 1 0 ， 4 3 增 刊 4 5 8 461 ． [ 1 3 ]骆万康 ， 王天贤． 预应力抗震砖 墙抗裂与承载力及其计算方 法 的试验研究[ J ] ． 建筑结构 ， 1 9 9 5 4 2 4 3 2 ． [ 1 4 ]熊峰 ， 应付钊 ． 非线性有限元 法分析预应力砌体墙结构 [ J ] ． 四J I 『 大学学报， 2 0 0 0， 3 2 3 1 6 - 2 0 ． [ 1 5 ] 壬艳晗 ， 吕志 涛 ， 张伟 涛． 预应 力砌 体墙 、 柱 受压 承载 力计算 [ J ] ． 工业建筑 ， 2 0 0 1 ， 3 1 5 2 9 41 ． [ 1 6 ]郭樟根， 孙伟民， 蔡雪斌． 预应力砌块带窗洞墙体的刚度研究 [ J ] ． 混凝土与水泥制品 ， 2 0 0 3 6 4 1 43 ． [ 1 7 ]于建刚 ， 骆万康 ， 喻敏． 集 中式 预应力砖 墙抗侧承 载力计算 公式的建议 [ J ] ． 建筑结构 ， 2 0 0 4， 3 4 9 5 3 ． 5 5 ． 上接第 5 7页 2 2 蚕 饕 0 1 0 20 3 O 4 0 5 O 6 0 70 位移／ ram 图 1 5 最大挠度随荷载变化曲线 Fi g ．1 5 M ax i m u m de fle c t i o n a l o ng wi t h t he l oa d c ha ng e 元非线性分析得出的荷载一 挠度 曲线 ， 同试验结果进 行比较 ， 由图中可见 ， 理论计算值由于没有考虑普通 钢筋的作用， 在荷载大于 5 0 0 k N后 ， 挠度要 比实测 值大 ， 没有明显的屈服阶段 ， 直到计算结果不收敛为 止 。 通过试验 ， 明确了该结构的抗疲劳性能和其挠 度随荷载的变化情况， 说明结构足够的安全 、 稳定 ， 有较大的安全系数 ， 并可为同类型的桥梁提供参考。 位 移／ ram 图 l 6 理论计算 和实测 的挠度 随荷载变化 曲线 Fi g．1 6 Th e t he o r e t i c al c a l c ul a t i on a nd me a s ur e d de fle c t i o n al o ng wi t h t he l oa d c ha ng e 参 考 文 献 [ 1 ] 朱聘儒． 钢一 混凝 土组合梁设计原理 [ M] ． 北京 中国建 筑工业 出版社 ， 1 9 8 9 ． [ 2 ] J T G D 6 2 --2 0 0 4公路桥涵钢结构及木结构设计规范[ S ] ． [ 3 ] 黄侨． 桥梁钢一 混凝土组合结构设计原理 [ M] ． 北 京 人民交 通 出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 4 ] 项 海 帆． 高等 桥 梁结 构理 论 [ M] ． 北 京 人 民交通 出版 社 ， 2 0 01 ． [ 5 ] N i e J G， Y a n x， C h e n L ． E x p e r i m e n t a l S t u d i e s o n S h e a r S t r e n g t h o f S t e e l C o n c r e t e C o m p o s i t e B e a ms [ J ] ． J o u rna l o f S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g ． AS C E， 2 0 0 4 8 1 2 0 6 1 2 1 3 ． ⋯ ⋯ 堇 辑挺