预应力混凝土结构抗震性能若干问题探讨.pdf
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1、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。
2、 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
3、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
4、 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
5、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
6、,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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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 ,
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