预应力混凝土结构抗震性能若干问题探讨.pdf

第2 5 卷第3 期 2 0 0 8 年 9月 华中科技大学学报 城市科学版 J ． o f HUS T． Ur b a n S c i e n c e E d i t i o n Vo 1 ． 2 5 NO． 3 Se p． 2 008 预应力混凝土结构抗震性能若干问题探讨 ／ 程浩德，房贞政 福州大学 土 木工 程学院，福建 福州 3 5 0 0 0 2 摘要本文通过对以往的试验数据进行比较，对预应力混凝土结构抗震性能进行较为系统的分析研究，其主 要从两个角度来分析 a ． 预应 力混凝 土结构与普通钢筋 混凝 土结构的 比较；b ． 有粘结预应力混凝土结构和无粘 结预应力混凝土结构的比较。 关键词预应力混凝土；抗震性能；有粘结预应力；无粘结预应力 中图分类号l T U3 7 8 ． 4 ；T U3 1 1 _ 3 文献标识码A 文章编号1 6 7 2 7 0 3 7 2 0 0 8 0 3 ． 0 1 4 6 0 3 2 0世纪 2 0年代后期，预应力混凝土结构开 始进入 了实用阶段。由于预应力混凝土结构具有 抗裂性好、耐久性能优、能满足较高的工艺要求 和功能要求、综合经济效益好等优点【 l 】 ，因此得 到了迅速的推广 。特别是 2 0世纪 8 0年代以来 ， 预应力混凝土技术在世界范围内得到了非常广泛 的应用和发展。但是在预应力混凝土抗震性能方 面，国内外工程界存在不少争议 。以往的观点L 2 认为，预应力混凝土结构的阻尼较小，耗能能力 差，在地震荷载作用下位移反应较大，而且预应 力混凝土结构采用的高强钢筋和高强混凝土塑性 性能差，从而导致结构延性差，因此不少国家的 规范和建议都限制使用预应力混凝土结构，甚至 禁止预应力混凝土结构在地震区使用。 本文结合近年来进行的相关实验，对预应力 混凝土结构抗震性能进行较为系统 的分析研究， 主要是从两个角度来分析 a ． 预应力混凝土结构 与普通钢筋混凝土结构的比较 ；b ． 有粘结预应力 混凝土结构和无粘结预应力混凝土结构的比较。 1 预应 力混凝 土结构 与普通钢筋 混 凝土结构 的 比较 根据我国 G B 5 0 0 1 1 - 2 0 0 1 建筑抗震设计规 范[ 5 1 ，在抗震设计中要使得建筑结构能够经济 有效地抵御地震，必须满足三个水准 目标，即小 震不坏、中震可修 、大震不倒。本文从这三个水 准 目标入手，分析 、比较预应力混凝土结构与普 通钢筋混凝土结构在抗震性能方面的差异。 1 ． 1 小震 不坏 该准则主要要求防止建筑结构发生较脆的且 只能承受有限变形的非结构构件的破坏，这就必 须限制结构的弹性变形 。从结构抗震分析角度而 言，结构处于正常使用状态时，可 以视为弹性体 系，采用弹性反应谱进行弹性分析 。预应力混凝 土框架结构 由于施加了预应力，其抗裂性能得到 了很大 的提高，与钢筋混凝土框架结构相比，一 般较晚才出现裂缝， 因此其弹性阶段也相对较长 ， 这一点更加符合 “ 小震不坏”的设防标准。 1 ． 2 中震可修 该准则主要保证建筑结构 的主要结构构件在 地震荷载作用下不受明显 的损坏，以避免进行 困 难 、昂贵的修复工作，使得结构稍加修缮后仍能 继续工作，这就要求建筑结构具有足够的强度 。 由于预应力混凝土框架结构 比钢筋混凝土框架结 构多施加了预应力 ，其恢复性相对更好，在卸载 之后残余变形都比较小，而且产生的裂缝一般能 够 闭合，因此可以保证预应力混凝土框架结构在 中震的情况下 ，主要的结构构件不受明显损坏 ， 避免 了进行困难、昂贵的修复工作，使得结构稍 加修缮后仍能继续工作，从而更加满足 “ 中震可 修 ”的设防标准。 1 - 3 大震不倒 该准则允许结构有很大的损伤 ，但必须保证 结构能继续存在，以防止造成重大的人员伤亡 ， 这就要求结构能经受较大的非弹性变形，即具有 较高的延性。 收稿 日期 2 0 0 8 0 4 ． 1 7 作者简介程浩德 1 9 7 5 一 ，男，福建福州人，实验师，博士生，研究方向为预应力混凝土结构，c h d f z u ．e d u ． c n 。 基金项目福』 、I1 大学科技发展基金 0 0 5 0 8 2 4 7 7 9 。 第 3期 程浩德等 预应力混凝土结构抗震性能若干问题探讨 1 4 7 1 ． 3 ． 1 变形的要求 由于预应力混凝土框架结构通常采用高强钢 筋和高强混凝土， 在满足同样的强度要求情况下 ， 一 般可以采用较小的构件截面。因此预应力混凝 土框架结构的刚度要比钢筋混凝土框架结构来得 小，也就是说其柔性更大，在同样的水平荷载情 况下其位移反应比钢筋混凝土框架结构来得大， 其变形能力也相应较大 ，但是 由于预应力混凝土 框架结构的屈服位移较大，如果按照传统的延性 系数来判定结构延性，预应力混凝土框架结构的 延性 比钢筋混凝土框架结构来得差，但是 目前判 定结构屈服点的方法 尚未统一，而且结构越柔 ， 延性系数反而越小，使得延性系数的计算具有相 当的随意性， 目前 已经逐渐开始直接采用结构的 变形能力来表示结构 的延性，特别是结构进入屈 服状态之后的变形能力。因此按照变形能力的标 准，预应力混凝土框架结构的延性比钢筋混凝土 结构的延性强。 1 ． 3 ． 2 能量的要求 在大震的情况下 ，钢筋混凝土框架结构和预 应力混凝土结构都进入了塑性阶段。根据 以往 的 试验结果表明，钢筋混凝土框架结构的滞回 曲线 比预应力混凝土框架结构的滞 回曲线更加丰满 ， 其滞回耗能能力更强，但是它通过产生大量不可 恢复的结构损伤来耗散较多能量的，震后 由于破 坏 比较严重 ，修复比较困难甚至无法修复 ，这在 经济上造成重大的损失 。而预应力混凝土框架结 构则可以通过配置一定数量的非预应力钢筋，从 而提高其耗能能力；而且在保证具有一定耗能能 力的同时，又具有较好的恢复性， 经济效益更佳。 ／ l 滚轴 油 干斤顶 ● 皿 日 亩 作 动 器 口 E L 一 A 预』 I } 钢管D 8 0 I l o 0 o I l 6 o 0 I 1 o o o l 3 3 o o 图 1 试验 装置简图／ m m 福州大学结构研究所进行 了无粘结预应力混 凝土框架结构和普通钢筋混凝土框架结构的拟静 力对比试验I 6 ．7 l ， 试件的试验加载装置图如 图 1所 示。图 2为二者的恢复力 曲线，很 明显 ，由于无 粘结预应力混凝土框架结构配置了一定数量 的钢 筋 ，其耗能能力与普通钢筋混凝土框架结构 的没 有明显的差异；同时从 曲线上可 以清楚看出，无 粘 结预应力混凝土框架结构的恢复力 曲线在下降 段 明显 比普通钢筋 混凝土框架结构 的要 来的平 缓，这是由于无粘结预应力筋的存在很大程度上 改善了框架结构的延性。 1 8O ． l 2 O ．． f 0 - 8 。 60 8o l l 位移／ m a 普通钢筋混凝土框架结构 斗U l 8 0 ‘ 1 2 O ．． -1 8 o 6 o 8 0 l O 位 移 ／ mm b 无粘结预应力混凝土框架结构 图 2 框架结构恢复力 曲线 从上面几个方面 的对比情况可以看出预应力 混凝土框架结构 的总体抗震性能比普通钢筋混凝 土框架结构更好 。 2 有粘结预应 力混凝土结构与无粘 结预应力混凝土结构的比较 有粘结预应力混凝土框架与无粘结预应力混 凝土框架的最大差别就在于预应力筋是否与混凝 土粘结，这在很大程度上决定了二者在抗震性能 方面的差异 。在预应力混凝土框架结构中，预应 力筋主要分布在梁上 ，考虑到塑性铰 出现在梁端 是满足 “ 强柱弱梁 ”的有关规定，因此预应力筋 贯穿节点段 的性能对于框架结构 的抗震性能起着 决定性的作用。下面通过对这两种类型框架节点 抗震性能的分析来比较二者抗震性能的优劣。 有粘结预应力混凝土的预应力作用是通过预 应力筋同混凝土的粘结应力来施加的，预应力筋 的应变值满足平截面假设，因此该节点预应力筋 的传力模式类似于普通钢筋混凝土结构中非预应 力筋的 “ 桁架模型” 。 在水平地震荷载作用下，节 点两侧梁端将 出现正负相反的弯矩值 。地震荷载 较小时，节点处于弹性工作状态，此时节点两侧 学学报 城市科学版 2 0 0 8 年 梁端预应力筋的应变值相差较小，不会导致预应 力筋与混凝土的粘结滑移，因此预应力的作用能 够得到正常的发挥 。但随着地震荷载的增大 ，梁 端进入屈服状态，塑性铰 区的预应力筋的应变变 化较大，还可能出现屈服，而且节点两侧预应力 筋应变的差值 明显增大 ，从而处于较为不利 的粘 结状态 。一旦预应力筋与节点核心区混凝土出现 粘结滑移，其传力模式将遭受破坏，失去节点抗 剪作用 ，最终导致节点核心区的刚度与耗能能力 明显下降，致使框架结构震害较为明显。 而无粘结预应力混凝土框架结构不存在预应 力筋与混凝土粘结的问题 ，它的应变值是沿着预 应力筋的长度均匀分布的，其预应力是通过锚具 是施加在框架结构上 ，因此其节点传力模式类似 于“ 斜压杆模式 ” 。 即使在承受较大的地震荷载时， 梁端出现塑性铰 ，塑性铰区的预应力筋应变值仍 然较小，不可能进入屈服状态 。虽然非预应力筋 与节点核心区混凝土 出现 了粘结滑移，其 “ 桁架 模型 ”丧失作用，但是预应力筋的斜压杆机构仍 然在起着继续传递节点剪力的作用 ，而且得到了 加强。在节点核心区斜压混凝土得到 良好约束作 用时，只有当核心区混凝土被压溃 ，其传力机构 才会最终破坏 。 福州大学结构研究所进行了一榀有粘结预应 力混凝土扁梁框架 试件 1 与一榀无粘结预应 力混凝土扁梁框架 试件 2 的拟动力试验L 8 ⋯， 该试验采用的试验加载装置与图 1中完全相例。 图 3为试件的刚度退化 曲线 ，图 4为由每个试验 工况所得恢复力 曲线峰值点连成的骨架曲线。 60 ’基 5 0 主4 o 盖 3 0 莶2O 娄1 0 O Z 搿 莓． O 0． 5 l 1 ． 5 2 2 ． 5 3 3． 5 4 4 ． 5 加速度峰恤 图 3 试件的刚度退化曲线 J‘u ． ～～ 2 40 l 6O 8 0 - - ● 0． 60． 4 0． 2 20 4 0 6 0 8 。 I 、 0 ． ． ． ． ． ． ． 试件1 位移／ mm 图4 试件的骨架曲线 从 图 3可以看到，在塑性的初期阶段，由于 有粘结预应力混凝土的强度较大，因此试件 1的 刚度 比试件 2的要高些。随着试件损伤加剧 ，由 于有粘结预应力混凝土的局部损伤 比较严重，因 此 粘结预应力混凝土的位移反应 明显大于无粘 结预应力混凝土，从而导致试件 1 的刚度在后期 小于试件 2 。但是 由于预应力筋只是布置在扁梁 中，对框架结构的整体刚度影响较小，两榀框架 的刚度差异相对较小。从图 4中可以看 出，两个 试件 的骨架 曲线基本相 同，只是在下 降阶段 时 口 4 ． 0 g 试件 1的位移反应明显大于试件 2 。 通过上面 比较可以看出，无粘结预应力混凝 土框架结构能够承受更大的地震荷载 ，因此其抗 震性能较粘结预应力混凝土框架结构而言更佳。 3 结论 1 预应力混凝土框架结构比普通钢筋混凝 土框架结构更加满足抗震设计的三个设防标准 ， 也就 是说预应力 混凝 土结构的抗震性能更加优 秀 。 2 无粘结预应力混凝土框架 结构能够承 受更大的地震荷载，因此其抗震性能较粘结预应 力混凝土框架结构而言更佳。 参考 文献 【 1 ] 房 贞政 ． 无粘 结与部分 预应 力结构【 M】 ．北京人 民 交通 出版社． 1 9 9 9 ． 【 2 】 P a r k R ，姚崇德，朱振奎 ．钢筋混凝土抗震 设计 六 预 应力和部 分预应 力框架【 J ] ．工业建筑， 1 9 8 5 ， 6 4 9 5 7 ． 【 3 ] 杜拱辰．部分预应力混凝土【 M】 ．北京中国建筑工 业出版社． 1 9 9 0 ． 【 4 】 苏小卒．预应力混凝土框架抗震性能研究【 M】 ．上 海 上海 科学技术出版 社，1 9 9 7 ． [ 5 】 G B 5 0 0 1 1 2 0 0 1 ， 建筑抗震设计规范【 s 】 ． [ 6 】 林飞．无粘结预应力混凝 土框架结构抗震性 能试 验研究【 D] ．福州福州大学， 2 0 0 1 ． [ 7 】 陈红媛，房贞政，林 希．无粘结部分预应力混凝 土扁梁框架抗震性能试验研究[ J ] ．地震工程与振动 工程 ， 2 0 0 3 ， 2 3 6 9 1 9 6 ． 【 8 ] 林希．无粘结部分预应力混凝土扁梁框架结构抗 震研究[ D 】 ．福州福州大学， 2 0 0 2 ‘ 下转第 1 5 6页 1 5 6 华中科技大学学报 城市科学版 2 0 0 8年 参考文献 罗素蓉，郑建岚．自密实混凝土在加固工程中的应 用研究[ J 】 ．建筑材料学报， 2 0 0 6 ， 9 3 3 3 0 ． 3 3 6 ． 冈村甫，前川宏一，小泽一雅．， 、 ， 7才 二 ／ j’／步y 【 C ] ／ ／ I - 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c o mpa c t i ng c o n c r e t e s c c ． T h e l o a d e d s p e c i me n s o f S C C a r e a l 1 t e s t e d f o r 1 2 0 d ， a n d h a l f o f t h e s p e c i me n s are s e a l e d t o me a s u r e t h e a u t o g e n o u s s h rin k a g e a n d b a s i c c r e e p ． Ba s e d o n the 1 2 0 d e x p e r i me n t a l r e s u l t s ， t h e g r e y mo d e l i s p r e s e n t e d t o p r e d i c t the c r e e p a n d s h r i n k a g e o f S CC．Th e a g r e e me n t b e t we e n the p r e d i c t i o n a n d t h e e x pe rime nt a l d a t a i n di c a t e s tha t ，the me tho d p r op o s e d C an be u s e d t o pr e d i c t the l o n g t i me c r e e p an d s h r i n ka g e o f S CC． Ke y wo r d s g r e y mo d e l ； s e l f - c o mp a c t i n g c o n c r e t e S CC ； s h r i nka g e ； c r e e p 上接 第 1 4 8页 梁框架抗震性能试验【 J 】 ． 建筑结构，2 0 0 8 , 3 8 6 1 9 ． 2 9． [ 9 】 李飞燕． 无粘结与有粘结预应力混凝土扁梁框架动力 特性与地震反应对比研究[ D 】 ． 福州 福州大学， 2 0 0 6 ． [ 1 0 】 程浩德． 有粘结预应力砼和无粘结预应力混凝土扁 Di s c u s s i o n o n t h e S e i s mi c Be h a v i o r o f P r e s t r e s s e d Co n c r e t e S t r u c t u r e CHENG Ha o - d e ， F ANG Z h e n ． z h e n g S c h o o l o f Ci v i l E n g i n e e rin g ， F u z h o u Un i v e r s i t y , F u z h o u 3 5 0 0 0 2 ， Ch i n a Ab s t r a c t Ba s e d o n the c o mp a r i s o n s o f e x p e r i me n t a l d a t a ，t h e p a p e r a n aly z e s the s e i s mi c b e h a v i o r o f pr e s t r e s s e d c o n c r e t e s t r u c t ur e i n t wo di ffe r e n t a s p e c t s t h e c o mp a r i s on b e t we e n p r e s t r e s s e d c o n c r e t e s t r u c t u r e an d r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t r u c t u r e an d t h e c o mp a ris o n b e t we e n b o n d e d p r e s t r e s s e d c o n c r e t e s t r u c t u r e a n d u n b o n d e d p r e s tr e s s e d c o n c r e t e s t r u c t u r e ． Ke y wo r ds p r e s tre s s e d c o n c r e t e ； s e i s mi c b e h a v i o r ； b o n d e d p r e s tre s s ； u n b o n d e d p r e s tre s s