预制预应力混凝土框架结构体系研究与应用进展_廖显东.pdf
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1、第 45 卷 第 22 期 2015 年 11 月下 建筑结构 Building Structure Vol 45 No 22 Nov 2015 预制预应力混凝土框架结构体系研究与应用进展 廖显东 ( 同济大学建筑工程系,上海 200092) 摘要 预制预应力混凝土框架结构是一种预制结构, 它兼有预制结构和预应力结构的特点。对国内外有关预制 预应力混凝土框架结构体系研究和工程应用进行了较为系统的综述和分析, 包括预制预应力混凝土框架节点的受 力性能研究, 预制预应力混凝土框架的抗震性能研究, 预制预应力混凝土框架结构体系的非线性有限元数值分析, 以及这种结构形式的工程应用案例。在综述的基础上对
2、该结构体系今后的发展趋势进行展望, 并指出装配整体式 预应力混凝土框架结构将是预制结构, 尤其是大跨度、 大空间预制结构发展的一个重要方向。 关键词 预制预应力;框架结构体系;性能研究;应用;进展 中图分类号: TU398. 7文献标识码: A 文章编号: 1002- 848X( 2015) 22- 0065- 06 Progress of studies and applications of precast prestressed concrete frame structural system Liao Xiandong ( Department of Structural Engine
3、ering,Tongji University,Shanghai 200092,China) Abstract: Precast prestressed concrete frame structure is a kind of precast structure,which has characteristics of precast structure and prestressed structure The domestic and international researches and engineering applications about the precast prest
4、ressed concrete frame structural system were reviewed and analyzed systematically,including mechanical performance study of precast prestressed concrete frame joint,seismic performance study of the precast prestressed concrete frame,nonlinear finite element numerical analysis about precast prestress
5、ed concrete frame structural system,and engineering application cases of this kind of structural type Based on reviews, development trend of the structural system in the future was prospected,and it was concluded that monolithic precast prestressed concrete frame structure would be an important deve
6、lopment direction for precast structures,especially large- span or large- space precast structures Keywords: precast prestressed;frame structural system;performance research;application;progress 作者简介: 廖显东, 博士研究生, 高级工程师, 一级注册结构工程师, Email: kz- liaoxiandong163 com。 0引言 预制混凝土结构现代化的制造、 运输、 安装和科 学管理是工业化建筑
7、的生产方式。1875 年 6 月 11 日, William Henry Lascell 获得了英国 2151 号发明 专利 “Improvement in the Construction of Buildings” , 这标 志 着 预 制 混 凝 土 的 兴 起。1891 年,巴 黎 Ed Coigent公司首次在 Biarritz 的俱乐部建筑中使 用预制混凝土梁。到今天, 预制混凝土已经历了 140 余年的发展历史 1 。与现浇混凝土结构相比, 预制混凝土结构具有现场湿作业量少、 构件质量高、 施工速度快、 工期短、 节约材料、 耐久性好、 经济和社 会环境效益好等优点, 但也存在节
8、点连接可靠性和 结构整体性差, 在抗震区应用受到限制等不足2 。 如在 1976 年唐山大地震、 1988 年 Spitak 地震、 1994 年 Northridge 地震( 图 1) 、 1995 年阪神地震、 1999 年 Marmara 地震、 2008 年汶川地震、 2011 年新西兰 Christchurch 地震( 图 2) 、 2013 年雅安地震中, 预制 混凝土结构的损伤和破坏较严重。预制混凝土结构 的预制构件间连接既是结构连接的薄弱环节, 也是 结构整体抗震性能研究的前提和基础。 如何确保预制混凝土结构的抗震性能是其能否 图 1美国 Northridge 地震中预制结构破
9、坏 推广应用的一个关键问题, 预制混凝土框架节点不 仅要有效传递预制构件间的弯矩和剪力, 还应具有 较好的延性和耗能能力。美国 NEHP ( National Earthquake Hazards eduction Program)2000 规范 3 根据预制混凝土框架节点的连接方式及其性能特点 将预制混凝土框架节点划分为两大类: 等效现浇 ( Equivalent monolithic) 和装配式( Joint systems) , 等 效现浇连接要求达到或超过现浇混凝土连接的抗震 建筑结构2015 年 图 2新西兰 Christchurch 地震中预制结构破坏 性能。等效现浇节点常用后浇整
10、体式和预应力拼接 式, 装配式节点常用焊接和螺栓连接。很多专家建 议在预制混凝土结构上引进预应力技术, 利用预应 力筋的自复位恢复力可以有效改进预制节点的连接 性能, 延缓裂缝的开展, 减小残余变形, 提高耗能 能力。 1866 年 美 国 Jackson P H 和 1888 年 德 国 Dochring C E W 率先在混凝土结构中应用预应力, 大部分是低值预应力, 但应用并没成功, 主要是由于 混凝土徐变和收缩导致预应力很快损失殆尽。使得 预应力混凝土技术真正进入实用阶段的是法国工程 师 Freyssinet E, 1928 年他在大量研究和总结混凝土 和钢材性能的基础上, 指出预应力
11、混凝土必须采用 高强钢材和混凝土, 这一论断在预应力混凝土技术 领域取得了关键性突破。1938 年德国 Hoyer E 研究 出预应力先张法工艺, 无需靠专用锚具传力, 提供了 简单可靠的预应力混凝土构件工厂化生产方法; 1939 年 Freyssinet E 创造的锥形锚具和双作用千斤 顶, 1940 年比利时的麦尼尔( Magnel G) 研制的麦式 锲型锚具 4 , 提供了可行的后张预应力混凝土生产 工艺。预应力在粘结构造上也得到了不断的发展, 主要分为部分无粘结、 无粘结和粘结三种类型。 预应力有很多优点: 能充分利用构件的拉、 压强 度, 提高结构的抗剪切承载力和抗疲劳强度; 减小构
12、 件的截面高度, 改善结构的使用性能; 调节刚度, 增 加稳定性, 减少变形; 具有良好的裂缝闭合与变形恢 复性能。因此预制预应力混凝土结构易于实现大跨 度预应力混凝土框架结构的梁铰机制; 易于评估地 震对结构造成的损伤; 恢复性能好, 残余变形小, 易 于修复 5 。 近年来, 预应力混凝土技术在桥梁以外的预制 结构中也得到了迅速发展, 发达国家预制混凝土结 构在土木工程中的应用比重: 美国为 35%, 俄罗斯 为 50%, 欧洲为 35% 40%; 其中预制预应力混凝 土结构在美国和加拿大等国预应力混凝土用量中占 80%以上 6 。我国预制预应力混凝土结构虽然起 步晚, 但发展非常迅速,
13、现已成为重要的建筑结构形 式之一, 尤其在大跨度、 大空间、 桥梁等大型建筑中 应用更加广泛 。“十二五” 规划我国进入了保障性 住房建设阶段, 充分发挥装配整体式住宅的优越性, 对加快城市化发展进程具有重大意义; 正在编制的 “十三五” 规划中将明确新建和竣工产业化住宅面 积等发展目标以及分城市、 分阶段的发展战略。 本文介绍了国内外有关预制预应力混凝土框架 结构体系的最新研究成果, 重点对该体系抗震性能 研究与工程应用的最新进展进行综述分析, 并展望 预应力装配整体式混凝土框架结构的发展趋势。 1预制预应力混凝土框架结构体系研究 1. 1 预制预应力混凝土节点受力性能研究 1990 年美国
14、和日本的学术界和工程界通力合 作, 开展了一项有关预制混凝土结构的抗震研究, 即 PESSS( Precast Seismic Structural Systems) 研究计 划 7, 8 , 主要目标是研发适用于抗震区应用的预制 混凝土结构及新材料, 通过试验和理论研究, 得到相 应的计算模型和计算方法。1991 年 Cheok Geraldine S 等 9 进行了预制预应力节点与现浇节点对比试验, 结果表明预制预应力节点位移延性好, 残余变形小, 但耗能较差, 主要原因是预应力筋屈服。为了避免 预应力筋提前屈服, 1993 年 Priestley M J N 和 Tao J10 提出了部
15、分无粘结预应力筋可改善节点核 心区和梁端塑性铰区的受力性能和减小残余变形的 概念, Priestley M J N 和 Macae G A11 于1996 年的 试验证明了节点核心区内采用无粘结预应力筋可显 著降低在大侧移的情况下核心区的损伤程度。为了 提高预应力连接的耗能能力, 1995 年 Stone W C 等12, 13 通过试验验证了预应力混合连接节点强度 高、 变形恢复能力好, 归因于配置的普通钢筋能显著 提高节点的耗能能力。1997 年, John Stanton 等 14 通过预制无粘结预应力混合连接混凝土框架中节点 试验, 配置了一定数量的有粘结非预应力普通钢筋 用于耗能,
16、得到了较好的抗剪切性能和变形恢复能 力。2007 年 Ozden S 和 Ertas O15 开展了预应力混 合连接框架边节点试验研究, 不但验证了节点具有 足够的抗弯强度, 即使在相对侧移达 4% 时强度也 无显著退化, 而且表明了普通钢筋配置量为 50% 65%时, 滞回性能和耗能能力接近对比现浇节点, 普 通钢筋配置太少的试件耗能能力差, 不能满足设计 要求。 2005 年柳炳康等 16 开展了预压装配式预应力 66 第 45 卷 第 22 期廖显东 预制预应力混凝土框架结构体系研究与应用进展 混凝土框架节点的试验研究, 构件发生梁端弯曲破 坏, 滞回曲线在预应力筋屈服前捏缩, 屈服后趋
17、于饱 满, 残余变形较小。2006 年董挺峰等 17 重点试验 研究了无粘结预应筋连接节点, 与现浇节点相比较, 虽然耗能能力差, 但破坏程度小, 具有良好的变形恢 复能力。为了改善预应力连接的耗能能力, 2006 年 李振宝等 18 试验研究了预应力混合连接节点, 普通 钢筋通过屈服或拉断来吸收能量, 梁端弯曲破坏时 混凝土被压碎, 节点表现出比较好的位移延性和变 形恢复能力。2007 年陈申一 19 试验研究表明, 配 置无粘结段的预应力非对称混合连接节点在试验过 程中预应力钢筋不会发生提前屈服, 位移延性和变 形恢复能力会更好, 同课题组的梁培新等 20 , 21 在 2010 年通过试
18、验验证表明, 无粘结后张预应力不对 称混合连接边节点耗能和变形恢复能力强。孟少平 等 22 拓展了部分无粘结预应力预制框架节点试验 研究, 将预应力分两批张拉, 试件最终也是发生梁端 弯曲破坏, 核心区在达到较大位移时仍未屈服, 卸载 后残余变形较小, 具有较强的恢复能力。2012 年孟 少平等 23 在自己多年研究基础上提出一种新型的 自复位预应力预制节点形式( PTED) , 该节点形式 具有稳定的屈服后刚度及延性, 提高了结构震后可 修复性, 适合在地震区推广应用。2009 年冯健 等 24 进行了带键槽的预制预应力节点试验, 破坏主 要集中于梁端键槽部位, 核心区和预制柱均未发生 破坏
19、, 滞回曲线丰满, 耗能能力较强。另外, 2010 年 柳炳康等 25 提出了预压装配式预应力混凝土框架 节点核心区处于双向受压状态使得节点具有良好的 抗裂和耗能性能的观点。 国内外已有的有关装配式和装配整体式预应力 节点研究均没有考虑楼板影响, 考虑楼板影响的 T 形梁装配整体式节点能大大提高节点的极限承载 力, 尤其对于边节点影响更大。另外预制板与预制 梁、 叠合层间的滑移等值得进一步深入研究。 1. 2 预制预应力混凝土框架抗震性能 1996 年, Priestley M J N8 在伊利诺斯大学开展 了六层预制混凝土框架结构振动台试验, 框架在小 震作用下处于弹性状态均未发生破坏; 在
20、大震作用 下, 螺栓连接的预制框架首先发生螺栓屈服, 预应力 连接的框架在预应力屈服前均处于弹性状态, 最终 破坏时梁端混凝土被压碎。Priestly M J N 等 26 于 1999 年在加利福利亚大学开展了一个 60% 缩尺比 例的振动台试验, 试验模型为五层两开间框架- 剪力 墙结构, 结果表明其抗震性能好, 残余变形小, 这试 验一直被认为是 PESSS 研究项目的巅峰之作, 试 验得到了很多重要的成果, 并且被 ACI 采纳。 1996 年廖莎和易伟建 27 开展了预应力叠合框 架的试验研究, 发现叠合面水平裂缝会导致支座截 面的负钢筋得不到充分利用。为了验证大型工程的 安全性,
21、2006 年薛伟辰等 28 进行了预制预应力混 凝土空间结构的试验研究, 框架整体性良好, 符合设 计要求。2006 2007 年徐远征等 29 和柳炳康等30 相继开展了预压装配式预应力混凝土框架抗震性能 研究, 试验得到的滞回曲线饱满, 耗能良好, 残余变 形小, 具有较强的变形恢复能力。2010 2012 年柳 炳康等 31- 34 开展了两跨两层和单跨三层预压装配 式混凝土框架的拟动力和拟静力试验, 框架梁端首 先出现塑性铰, 满足“强柱弱梁” 的设计原则, 核心 区处于双向受压状态, 抗裂性、 节点刚度和框架抗侧 移刚度都较好, 变形恢复能力强。2010 年李振宝 等 35 验证了预
22、应力装配式混凝土框架具有与现浇 框架相近的抗震能力。2012 年孟少平等 36 开展的 后张预应力筋预制混凝土框架的试验具有典型的梁 端破坏和较好的恢复能力, 设置无粘结段的框架耗 能能力和恢复能力更好。 当前国内外对于预制预应力框架的抗震性能研 究领域包括装配式与装配整体式, 先张拉和后张拉, 预应力筋与非预应力普通钢筋混合配筋, 无粘结和 有粘结连接方式, 但对于考虑叠合楼板、 混合配筋的 预应力度、 曲线布筋、 部分无粘结等对预制预应力混 凝土框架性能的影响还有待系统研究, 为预制预应 力混凝土框架结构在抗震设防地区的推广应用提供 理论依据和基础资料。 1. 3 预制预应力混凝土结构体系
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