预制混凝土框架结构抗震研究新进展

预制混凝土框架结构抗震研究新进展

1预制混凝土的发展1875年6月11日，英国的威廉拉里兰克尔在英国获得了第2151号专利申请。在这项专利申请中，兰克尔提出了一种安装预制混凝土板的建筑方案。这是预制混凝土的起源。到今天,预制混凝土已经历了130余年的发展历史,由于预制混凝土具有生产效率高、产品质量好、工人劳动强度低、保护环境、有利于社会可持续发展等优点,目前在世界各国被广泛采用。在一些发达国家,预制混凝土更是很多类型建筑如工业厂房、仓库、停车场、住宅等的主要结构形式。虽然预制混凝土的发展已有上百年历史,但对预制混凝土结构抗震的系统研究从20世纪70年代才开始。经过各国学者不懈努力,预制混凝土结构抗震研究已经取得了很大进展,积累了很多有益经验,但相比现浇混凝土结构,预制混凝土结构的抗震研究明显偏少。以往有关预制混凝土结构的抗震研究主要集中于节点研究,对结构整体研究较少;在节点研究中又集中于后浇整体式和预应力拼接等等效现浇(emulationmonolithic)节点,对装配式(jointedprecsat)节点的研究较少。本文旨在回顾预制混凝土框架结构的抗震研究历史,对过去研究成果进行一些总结,对今后预制混凝土框架结构抗震研究进行展望。2预制混凝土框架结构预制混凝土结构可以分为框架结构、墙结构和框架-墙结构,其中,预制框架结构主要用于厂房、停车场、商场等需要开敞大空间的建筑中。预制混凝土框架结构中,柱、梁、板的连接方式是预制混凝土结构与现浇混凝土结构的根本区别,也是区分各类预制混凝土框架结构的主要依据。对Nothridge等地震的震害调查表明:预制混凝土墙结构在震后破坏较轻,而一些大空间的预制混凝土框架结构破坏较严重,主要表现为因各构件间的连接破坏而导致结构整体离散、倒塌(图1)。预制构件间的连接是预制混凝土结构的薄弱环节,也是预制混凝土结构抗震研究的重点及结构整体抗震研究的前提和基础。3混凝土框架连接设计方案按照美国NEHRP(NationalEarthquakeHazardsReductionProgram)2000规范,预制混凝土框架连接可以分为等效现浇连接和装配式连接,等效现浇连接要求达到或超过现浇混凝土连接的抗震性能,装配式连接和现浇混凝土连接力学性能不同,NEHRP另行给出抗震规定。常用的等效现浇节点有后浇整体式和预应力拼接式,常用的装配式节点有焊接节点和螺栓连接节点。对以上几类节点,研究人员都进行了一些试验和理论研究。3.1节点区后浇混凝土1990年美国和日本合作开展的一项预制混凝土结构抗震研究项目PRESSS(PrecastSeismicStructuralSystemResearchProgram),在预制混凝土抗震研究历史上有重要影响。该项目由加利福尼亚大学的Priestley教授负责,分三个阶段进行:第一阶段主要是鉴别、评估在地震区有发展前景的预制混凝土结构体系,准备预制混凝土结构的分析工具,构建规范修订建议框架;第二阶段主要是节点的试验和分析;第三阶段主要是结构的试验和分析。按照力学特性,PRESSS项目将预制混凝土框架结构的连接分为线弹性连接(LE)、非线性弹性连接(NLE)、拉-压屈服连接(TCY)、剪切屈服连接(SY)、库仑摩擦连接(CF)等几类,各类连接的滞回特性和等效阻尼比见图2。在PRESSS项目第二阶段,进行了一系列预制混凝土节点的试验和理论研究,其中有关框架节点的研究主要有以下内容。明尼苏达大学的非线性弹性连接和拉压屈服连接研究。该研究的非线性弹性连接节点为柱连续,梁在柱两侧用无黏结预应力筋拼接,该节点在层间变形2%以内时预应力筋保持弹性,在节点大变形时强度损失很小,残余变形也很小;拉压屈服连接节点采用柱连续,梁内纵筋穿过柱内预埋波纹管并灌浆,该节点变形较大,强度和刚度有较大衰减,但耗能较好。德克萨斯大学的非线性弹性连接和库仑摩擦连接研究。该研究的非线性弹性连接节点为梁连续并沿梁长施加无黏结预应力,柱在梁上下面拼接,该节点在层间变形2%以内表现出低残余变形、低耗能和高残余刚度的特性,层间变形超过2%以后耗能有所增加;库仑摩擦连接节点采用柱连续,梁底面与柱铰接,梁顶面通过特制的摩擦片与柱连接,节点变形时摩擦片可以滑动以耗散能量,该节点的特点是耗能很大。加利福尼亚大学的预应力拼接节点研究。Priestley对部分黏结预应力拼接节点进行了理论研究,他指出由于预应力筋在节点内和节点两边一定范围内不与混凝土发生黏结,因此在节点产生较大变形时预应力筋仍可保持弹性。这种节点在大变形后强度和刚度的衰减及残余变形都较小,节点复原能力强;由于预应力的夹持约束作用,对节点区抗剪有利,可以减少节点区箍筋用量。Priestley进行了8个无黏结预应力梁柱节点的低周反复加载试验。试验表明:节点最大层间变形可达2.8%~4%,残余变形约为最大层间变形的2.2%;大变形时,由于梁柱界面处混凝土的塑性发展使节点刚度有所下降,但节点只有轻微损坏。与现浇混凝土节点相比,预制混凝土无黏结预应力拼接节点耗能较小,损伤、强度损失和残余变形也较小。根据试验结果,Priestley给出了预制混凝土无黏结预应力框架节点考虑残余变形和不考虑残余变形的两种滞回模型。密歇根大学的纤维增强混凝土节点研究。采用纤维增强混凝土作为节点区后浇混凝土的主要目的是加大节点区的耗能能力。密歇根大学首先进行了钢筋在纤维混凝土中的黏结滑移试验,试验表明:在钢筋产生较大滑移的情况下黏结强度仍保持较高值,没有明显下降,而且混凝土保护层没有发生碎裂,这对地震作用下提高耗能和保持结构整体性有重要意义。1998年,Vasconez进行了13个预制混凝土节点的反复加载试验,这些节点包括9个钢纤维混凝土节点、1个聚乙烯醇纤维混凝土节点和3个普通混凝土节点。试验结果表明:钢纤维比聚乙烯醇纤维对改善节点性能更为有效;采用后浇钢纤维混凝土可以提高钢筋与混凝土的黏结强度,有助于提高节点延性、推迟破坏发生,同时还可以提高节点抗剪强度;与普通后浇节点相比,钢纤维混凝土节点的强度、耗能和变形能力分别增加约30%,35%,65%;使用3%体积含量的钢纤维混凝土可以使节点区箍筋用量减少50%,并获得更好的抗震性能。3.2节点层面的试验研究2003年,欧盟发起了一项预制混凝土抗震研究项目“SeismicBehaviorofPrecastConcreteStructureswithRespecttoEurocode8”。该项目属于欧盟第五框架项目,共有来自不同国家的10个单位参与,研究目标是对新型预制混凝土框架结构抗震性能进行系统研究,为Eurocode8的相关修订提供依据。同济大学作为参加单位之一进行了预制混凝土结构的试验和理论研究,在节点方面进行的研究主要有如下内容。预制混凝土框架梁柱节点试验研究。同济大学课题组进行了现浇混凝土节点、后浇混凝土节点、钢纤维混凝土后浇节点和橡胶片螺栓连接节点的抗震性能对比试验。试验表明:后浇整体节点与现浇节点具有相同的抗震能力;钢纤维混凝土对减少节点区箍筋用量有益,但对节点强度、延性和耗能的提高作用不明显;橡胶片螺栓连接节点力学性能与现浇节点和后浇节点存在明显的差异,呈非线性弹性特点,弹性变形范围大、耗能少,橡胶片螺栓连接节点与后浇整体节点的滞回曲线比较见图3,建议采取必要措施增加橡胶片螺栓连接节点的耗能能力。预制混凝土框架柔性节点理论研究。同济大学课题组采用端部带转动弹簧的梁单元模型,对柔性节点预制混凝土框架结构的动力特性及在地震作用下的动力反应规律进行了研究。研究表明:结构自振频率随节点相对刚度比的增加不断增大;结构峰值位移反应随着节点相对刚度比的增加呈总体下降趋势,但下降趋势和程度受输入地震波能量分布特征的影响,并可能局部增大;随着节点相对刚度比的增加,结构在地震作用下的峰值加速度反应受输入地震波能量分布特征的控制,分布规律非常复杂。建议根据结构可能遭受的地震作用的能量分布特征,通过结构动力分析,确定节点的最优相对刚度比,以减小结构的动力反应。3.3带延性连接器的预制梁1993年,Ersoy进行了5个焊接节点和2个现浇节点的对比试验。焊接节点为预制混凝土框架梁跨中节点,采用顶板、底板和侧板进行焊接连接。试验表明:焊接节点的强度、刚度、耗能都与现浇节点相当;连接侧板对该焊接节点具有重要意义,没有侧板的节点承载能力将会大大下降,变形也会显著增加。1993年,Cheok完成了10个预制节点和4个现浇节点的反复加载试验研究。预制节点全部为预应力拼接,在拼接界面填充纤维砂浆。10个预制节点的参数变化包括预应力筋位置、预应力筋种类、黏结和非黏结等因素。试验表明:预应力节点破坏特征为预应力筋屈服、梁端混凝土压碎、梁柱拼接界面开裂,界面开裂宽度与预应力筋种类和黏结或非黏结关系不大,但预应力筋位置对裂缝宽度影响较大。多数情况下,预应力节点的位移延性系数(非黏结预应力节点可达到14)超过对应的现浇节点(延性系数为6)。在一次相同加载循环内,预应力节点的耗能大约相当于现浇节点的30%~60%,但由于预应力节点具有更高的延性,达到破坏时的累计耗能大约相当于现浇节点的80%~100%,有黏结预应力节点耗能好于无黏结预应力节点。1994年,Nakaki提出了一种带延性连接器的预制混凝土梁柱节点。在预制柱内预埋高延性的合金连杆,预制梁通过螺栓、连接块与合金连杆相连(图4),地震作用下合金连杆发生塑性变形,从而避免其他构件的损坏,同时利用合金连杆的低屈服、高延性和高耗能特性改善梁柱节点的抗震性能。Englekirk介绍了延性连接器节点的反复加载试验,试验验证了这种节点良好的抗震性能,在层间变形达到3.5%的情况下,节点仍无明显破坏。1996年,Englekirk将延性连接器用于洛杉矶的一个4层预制混凝土框架结构停车场WilternCenterParking中。1995年,新西兰的restrepo进行了6个后浇整体式预制混凝土框架节点的反复加载试验研究。这些试件预制构件端部伸出直筋或带弯钩钢筋在节点区搭接。试验表明:节点的具体构造差别对试件整体的反应影响不大;6个试件在强度、耗能和延性等方面都表现良好,层间侧移都达到2.4%以上,位移延性系数达到6以上;各节点抗震性能达到或超过相应的现浇节点。Restrepo给出了这类预制节点的设计方法,并对具体构造提出了建议。1995年,澳大利亚的Loo进行了18个梁柱节点反复加载试验研究。这些节点分为6组,每组均包括1个带牛腿的后浇整体节点、1个不带牛腿的后浇整体节点和1个现浇节点。所有试件尺寸相同,6组节点间的参数变化包括混凝土强度、钢筋强度和配筋率。试验表明:后浇整体节点的强度、延性和耗能均好于现浇节点,而无牛腿节点的延性和耗能又好于带牛腿的节点。1995年,土耳其的Sucuoglu研究了节点刚度对预制混凝土框架结构抗震性能的影响。Sucuoglu以固结系数(fixityfactor)p作为分析变量,他认为当节点固结系数p大于0.8时,预制混凝土与现浇混凝土结构的抗震性能差别不大;当节点固结系数p小于0.8时,则需要将节点刚度作为一个设计变量,考虑它对结构整体性能的影响。2005年,Morgen针对无黏结预应力框架节点耗能较差的特点,提出了在框架节点安装摩擦阻尼器的改进方案(图5)。Morgen的研究表明:这种节点由于附加了摩擦阻尼器,具有很好的耗能能力,同时由于预应力作用又具有很好的复原能力,节点残余变形很小。Morgen给出了这种改进节点的阻尼器和预应力筋的设计方法。2006年,土耳其的Ertas进行了5个预制混凝土梁柱节点的反复加载试验研究。这5个节点包括1个现浇节点、2个后浇整体节点,1个带牛腿的焊接节点和1个螺栓连接节点。试验表明:这些预制混凝土节点与现浇节点都表现出良好的抗震性能,除焊接节点外,其他节点均达到3.5%的层间位移,而螺栓连接节点在强度、延性、耗能和方便施工等方面表现出更大的优势。4预制混凝土结构的整体抗疲劳性能的研究4.1基于位移的预制混凝土结构1996年,伊利诺斯大学进行的预制混凝土框架结构振动台试验研究。试验采用了2个缩尺6层预制混凝土框架模型,第一个模型节点为柱连续,梁用螺栓在柱两侧拼接,螺栓在地震作用下屈服;第二个模型节点为柱连续,梁用预应力筋拼接。这两种节点分别代表拉压屈服连接和非线性弹性连接。试验结果表明:小幅地震作用下,结构呈弹性状态,表现与现浇结构相同;在大幅地震作用下,第一个模型节点螺栓屈服,破坏集中在连接螺栓,预制柱、梁没有开裂,第二个结构直到预应力筋屈服前一直保持弹性,损坏主要是梁端混凝土压碎。第一个结构的自振周期随着结构损伤的发展而变长,结构上的地震作用不是随着基底振动强度的增大而线性增大。加利福尼亚大学的基于位移的设计方法研究。Priestley提出了一种基于位移的预制混凝土结构设计方法,以单自由度预制混凝土结构为例,设计步骤为:(1)首先确定结构屈服层间位移角θy和极限层间位移角θu,对一般预制混凝土结构Priestley建议取:θy=0.003,θu根据规范规定并考虑结构重要性确定。(2)根据θy和θu计算结构屈服层间变形Δy=θyh,极限层间变形Δu=θuh,和结构位移延性系数μΔ=Δu/Δy。其中,h为层高。(3)根据不同延性系数μΔ确定结构等效阻尼比ξ,Priestley给出了几类常用连接的延性系数μΔ和等效阻尼比ξ的关系曲线,可以查图以确定ξ。(4)已知Δu和ξ,根据弹性位移反应谱可得到极限位移下的结构自振周期T。(5)由极限位移下的结构自振周期T可得到极限位移下的结构割线刚度Keff=4π2T2MΚeff=4π2Τ2Μ。(6)由极限位移下的割线刚度Keff求得结构在极限位移下的需求抗力Fu=KeffΔu。(7)根据需求抗力Fu进行截面设计。(8)根据设计好的截面参数修正θy,重复(1)~(7)步骤,进行迭代。基于位移的设计方法比传统的基于力的设计方法能更好地反应结构延性和耗能性能。PRESSS项目进行的5层预制结构拟动力试验模型就是按照基于位移方法设计的。1999年,加利福尼亚大学进行的5层预制混凝土框架结构拟动力试验研究。该试验采用60%缩尺模型,一个方向为预制框架体系,另一个方向为预制框架-墙体系,如图6所示。框架节点采用了非线性弹性连接的预应力拼接节点和拉压屈服连接的普通后浇节点。结构按照UBC规范4类地震区地震强度用基于位移的方法进行设计。试验时,最大地震强度超出UBC规范4类地震区地震强度的50%。试验表明该结构具有良好的抗震性能:在框架-墙方向,最大层间位移达到1.8%,残余变形仅为0.06%,预应力对减小结构残余变形有很大帮助,试验结束后只有墙、柱底部和少量楼板出现轻微破坏;在框架方向,最大层间位移达到4.5%,但结构没有明显的强度损失,尽管后浇整体节点耗能大于预应力节点,但强度损失、残余变形和损坏程度也大于预应力节点。试验同时验证了基于位移设计方法的可靠性。4.2梁柱节点节点欧洲ELSA实验室进行的预制混凝土框架结构拟动力试验研究。2003年起,ELSA实验室进行了多个预制混凝土框架结构的拟动力试验研究,包括单跨双榀、双跨双榀及不同楼板铺设方向的预制框架结构。梁柱节点采用欧洲预制混凝土厂房常用的螺栓连接节点,在柱顶预埋螺栓,梁端留孔,螺栓插入梁孔后用螺母紧固而成节点,部分节点在梁柱间加入橡胶垫。这种节点的特点是转动刚度较弱,但具有很大的变形能力。试验表明:这些预制框架结构具有与现浇结构相当的抗震能力;结构最大层间位移可达到8%;未加橡胶垫的节点由于梁柱混凝土直接接触出现部分混凝土压碎,加橡胶垫的节点由于橡胶垫的大变形能力节点在试验后基本保持完好。同济大学进行的预制混凝土框架结构试验研究。2004年,同济大学课题组进行了3个预制混凝土框架结构的拟动力试验研究,包括2个单榀框架和1个铺板的三榀框架(图7),梁柱节点采用了橡胶垫螺栓连接节点。试验表明:此类预制混凝土框架结构具有较好的抗震性能;橡胶垫螺栓连接节点抗震性能良好;而采用焊接的板梁连接节点在试验中破坏严重,是结构的薄弱环节;结构最大层间位移达到4.2%时仍具有较好承载力和复原能力。2005年,同济大学课题组进行了一个3跨3层预制混凝土框架结构1/5缩尺模型振动台试验研究(图8)。梁柱和板梁节点采用螺栓连接。试验表明