葉 陽，王勇凱

（武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，湖北 武漢 430072）

無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼混結(jié)構(gòu)抗震性能研究概況

葉 陽，王勇凱

（武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，湖北 武漢 430072）

無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土不需預(yù)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(nèi)外工程界還存在爭議。本文分析了國內(nèi)外關(guān)于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的研究資料，討論了HRB500高強鋼筋對無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土抗震性能的影響，并分析了無粘結(jié)預(yù)應(yīng)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(xiàn)狀。

無粘結(jié)；預(yù)應(yīng)力混凝土；抗震性能；HRB500高強鋼筋

1 概述

無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土的顯著優(yōu)點是不需預(yù)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(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)[1]。但在抗震性能方面，國內(nèi)外工程界還存在爭議。因此，有必要對無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土的抗震性能的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析。

以往的觀點認(rèn)為，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的阻尼小，耗能能力不強，導(dǎo)致在地震反復(fù)荷載作用下位移較大，而且此結(jié)構(gòu)采用的高強鋼筋和高強混凝土塑性較差[2]，特別是國內(nèi)在推廣HRB500高強鋼筋在實際工程中的應(yīng)用。然而高強鋼筋雖能夠提高構(gòu)件強度、降低截面尺寸、減少用鋼量，但其極限變形較大，對構(gòu)件的抗震性能的影響與普通鋼筋不同。

2 無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)抗震性能的評定

本文討論HRB500高強鋼筋對無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土抗震性能的影響，并分析無粘結(jié)預(yù)應(yīng)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(xiàn)狀。

2.1 HRB500鋼筋的強度影響

HRB500高強鋼筋能夠提高構(gòu)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(gòu)件的抗震性能的影響與普通鋼筋不同。

重慶大學(xué)的鄧艷青[3]等人使用若干配置HRB500縱筋柱的進(jìn)行了模擬地震荷載試驗，分析了與箍筋相關(guān)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(jìn)行了分析。試驗結(jié)果指出：對采用HRB500的鋼筋混凝土柱，相對普通配箍試件，復(fù)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(dá)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(jié)預(yù)應(yīng)力筋受力后應(yīng)變的增長量和沿預(yù)應(yīng)力筋全長混凝土產(chǎn)生的平均變化量相等。其受力后一般只出現(xiàn)一條或少數(shù)幾條裂縫。裂縫一出現(xiàn)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(jié)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(fù)荷載試驗研究，并將試驗結(jié)果與ACI318-1977規(guī)范研究比較后認(rèn)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(jié)鋼筋；施加預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力筋成束布置于柱附近。

2.3 剛度

結(jié)構(gòu)在荷載作用下剛度退化對結(jié)構(gòu)抗震性能至關(guān)重要。結(jié)構(gòu)在地震下的響應(yīng)發(fā)生變化，是由于結(jié)構(gòu)剛度的退化引起結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中的使用，可在一定程度上增加構(gòu)件的剛度。

同濟(jì)大學(xué)的楊震等人使用若干普通混凝土板柱節(jié)點和無粘結(jié)預(yù)應(yīng)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(jié)預(yù)應(yīng)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(xué)土木工程學(xué)院劉艷輝，趙世春進(jìn)行了2榀2種類型的無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土框架模型在水平低周反復(fù)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(jìn)行了研究。試驗結(jié)果表明：梁和柱均配置無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋的框架強度及剛度衰減較慢。

2.4 延性

延性指結(jié)構(gòu)在外部荷載作用下，結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力超過其屈服強度并繼續(xù)增加時，整體結(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞的變形性質(zhì)。它是評價結(jié)構(gòu)抗震性能的關(guān)鍵因素，結(jié)構(gòu)進(jìn)行延性設(shè)計的目標(biāo)就是要實現(xiàn)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞性的倒塌。

在1980年K.J.Thompson和R.Park用恢復(fù)力模型對單自由度的預(yù)應(yīng)力混凝土框架進(jìn)行了動力反應(yīng)分析。分析后得出結(jié)論：雖然鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)比預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)的耗能能力強，但兩者最大的位移相近；預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)的最大位移比鋼混框架的最大位移平均高出1.3倍。

同濟(jì)大學(xué)的周德源教授開展了關(guān)于有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)和無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)擬靜力試驗研究。試驗結(jié)果表明：有粘結(jié)的預(yù)應(yīng)力混凝土和無粘結(jié)的預(yù)應(yīng)力混凝土均都表現(xiàn)出很好的位移延性，并且從定量分析得角度來看，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土框架比有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土框架的位移延性小10%左右。

福州大學(xué)結(jié)構(gòu)研究所進(jìn)行了關(guān)于無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)和普通鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的擬靜力對比試驗[8][9]。結(jié)果表明：無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)的骨架曲線在下降段相較普通鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的要平緩的多，普通混凝土框架的變形能力相比無粘結(jié)框架的變形能力要小很多。其原因在于無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋的存在有助于提高整體結(jié)構(gòu)的延性。

2.5 耗能能力

結(jié)構(gòu)滯回環(huán)所包圍的面積是結(jié)構(gòu)耗能性能的重要指標(biāo)之一。以往的試驗表明，在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中，預(yù)應(yīng)力筋在初始彈性拉伸后，具有較強的恢復(fù)變形的能力。并且當(dāng)在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中使用非預(yù)應(yīng)力筋，彎矩-曲率滯回環(huán)將會變胖，位移反應(yīng)得到減少并且能量耗散的更多。同樣在混凝土梁結(jié)構(gòu)中使用的非預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力混凝土的力矩-曲率滯回曲線。

圖1 結(jié)構(gòu)滯回曲線圖

福州大學(xué)結(jié)構(gòu)研究所針對普通鋼混框架結(jié)構(gòu)和無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼混框架結(jié)構(gòu)開展了擬靜力對比試驗。兩者的恢復(fù)力曲線如圖2，對比分析可以發(fā)現(xiàn)，配置了非預(yù)應(yīng)力鋼筋的無粘結(jié)框架結(jié)構(gòu)的耗能能力與普通鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的區(qū)別不大。

圖2 框架結(jié)構(gòu)恢復(fù)力曲線

同濟(jì)大學(xué)的蘇小卒、朱伯龍等人針對有粘結(jié)和無粘結(jié)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(yù)應(yīng)力筋。反復(fù)水平荷載試驗和振動臺試驗表明：有粘結(jié)PC框架滯回環(huán)初期呈現(xiàn)正態(tài)，并且有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋可能由受拉狀態(tài)轉(zhuǎn)為受壓狀態(tài)；靜力試驗研究表明有粘結(jié)的預(yù)應(yīng)力PC框架的能量消耗大于無粘結(jié)的，但是在動力試驗中，其結(jié)果卻是有粘結(jié)PC框架耗能能力小于無粘結(jié)框架。這種相反的試驗結(jié)論說明了無粘結(jié)框架中存在一種獨特的耗散能量方式。經(jīng)過理論分析發(fā)現(xiàn)，這種耗能能力來源于預(yù)應(yīng)力鋼筋與管道之間的摩擦，對動力試驗的結(jié)果分析表明無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋在管道中的摩擦所產(chǎn)生的能量消耗占框架總消耗的（47.6±14）%。

3 總結(jié)與討論

3.1 強度

結(jié)合以往的實驗研究，在無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土的強度問題方面，工程界得到了比較一致的結(jié)論，在這方面存在很少的爭議。無粘結(jié)預(yù)應(yīng)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(jié)預(yù)應(yīng)力筋承受的應(yīng)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(jié)預(yù)應(yīng)力筋的抗震安全性較好。

3.2 剛度

研究結(jié)構(gòu)抗震性能，往往最關(guān)心的是結(jié)構(gòu)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(jié)論。筆者認(rèn)為對無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土的剛度退化問題分析應(yīng)該進(jìn)行試驗全過程的分析比較，不應(yīng)該僅僅對比分析最終的試驗結(jié)果。同時由于試驗條件試驗方案的差異導(dǎo)致得到不同的試驗結(jié)論。這里主要差異表現(xiàn)在：擬動力試驗與擬靜力試驗，試驗對象是框架，構(gòu)件還是節(jié)點。針對不同的實驗對象無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土表現(xiàn)出不同甚至相反的剛度退化現(xiàn)象。然而，實驗的結(jié)果對判斷無粘結(jié)預(yù)應(yīng)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(rèn)為在設(shè)計試驗方案時應(yīng)考慮其設(shè)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(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)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(shù)來評價結(jié)構(gòu)延性，預(yù)應(yīng)力鋼混結(jié)構(gòu)的延性比鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的延性要差。但是預(yù)應(yīng)力鋼混結(jié)構(gòu)屈服后的位移反應(yīng)卻比普通鋼筋混凝土的大。縱觀工程界，目前確定結(jié)構(gòu)屈服點的方法還未達(dá)成一致。現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的延性已逐漸采用結(jié)構(gòu)的變形能力來表示，特別是結(jié)構(gòu)屈服后的變形能力。另一方面，以往的試驗表明：無粘結(jié)預(yù)應(yīng)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(jié)預(yù)應(yīng)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(rèn)為框架結(jié)構(gòu)的試驗?zāi)Ｐ透咏咏鼘嶋H的工程。只要在進(jìn)行合理的設(shè)計，按照“強節(jié)點”的設(shè)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(jié)預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力鋼混構(gòu)件中使用非預(yù)應(yīng)力鋼筋，彎矩-曲率滯回環(huán)將會變胖，位移反應(yīng)得到減少，耗能能力得到提高。福州大學(xué)結(jié)構(gòu)研究所試驗表明：配置一定非預(yù)應(yīng)力筋的無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)耗能能力與普通鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的沒有明顯的差異。因此，在工程實踐中通過有效設(shè)置非預(yù)應(yīng)力鋼筋可以確保無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)具有較好的耗能能力。除此之外，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土還有其獨特的耗能方式。通過對動力試驗的結(jié)果進(jìn)行分析可知無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋在管道中的摩擦導(dǎo)致的能量消耗占框架總消耗的（47.6±14）%。這種耗能機(jī)理還有待深入的研究。

[1]李飛燕.無粘結(jié)與有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能對比[J].福建建筑，2008（11）.

[2]程浩德，房貞政.有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力、無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力以及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)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(xué)，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(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土板柱節(jié)點抗震性能研究[J].上海: 同濟(jì)大學(xué)土建學(xué)院，1999.

[6]劉艷輝,趙世春.無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土框架抗震性能的試驗研究[R].西南交通大學(xué)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(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能試驗研究[D].福州:福州大學(xué), 2001.

[9]陳紅媛，房貞政，林希.無粘結(jié)部分預(yù)應(yīng)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(jié)預(yù)應(yīng)力筋的耗能效應(yīng)[J].結(jié)構(gòu)工程師，1995（1）.

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