预应力混凝土抗震性能研究进展

预应力混凝土抗震性能研究进展刘克敏（西安交通大学土木工程系，西安市咸宁西路28号710049）摘要:综述了预应力混凝土的抗震性能研究的背景和进展。

本文分析了国内外的研究成果，研究了预应力混凝土在强度、刚度、延性和耗能能力等抗震性能的研究现状。

关键词:预应力混凝土；抗震性能；框架结构Progress of Seismic Performance of PrestressedConcrete ResearchLiu Kemin（Department of Civil Engineering, Xi’an Jiaotong University，28 West Road, Xi’an, China 710049）【Abstract】In this paper, the author summarizes the background and progress of the seismic performance of prestressed concrete research. This paper analyzes the research results at home and abroad to study the research status of prestressed concrete strength, stiffness, ductility and energy dissipation capacity.【Key words】prestressed concrete; seismic performance; frame structure正文内容1 引言上世纪八十年代以来，随着材料、工艺技术、设计理论及方法等预应力技术的发展，预应力结构更加节约材料，降低了工程造价，提高了结构的经济性；同时预应力提高了构件的抗裂度与抗渗性，使预应力混凝土结构具有良好使用性能；预应力提高了构件的刚度，充分发挥高强材料的性能，减小了构件的变形，纵向预应力的存在延缓了构件中斜裂缝的形成及卸载后使裂缝完全闭合，从而改善了结构卸载后的恢复能力，提高了结构的抗震性能；另外预应力混凝土框架结构具有大空间大跨度的优势，提高了土地的使用效率，从而具有节约城市建设用地的优点。

[1]可是由于其阻尼小、耗能差、地震反应大，因采用高强钢材会导致结构延性差,而使得设计人员对抗震设防区采用预应力混凝土结构持谨慎和回避态度。

[2]从结构设计的角度来看，影响预制预应力混凝土应用的最大阻碍是在地震荷载作用下预制预应力混凝土抗震性能。

根据Priestley和Tao的研究表明[3]，由于预应力混凝土抗震性能的不确定性，美国抗震地区曾经限制了预应力混凝土的使用。

然而，20世纪60年代以来，预应力混凝土结构经受了地震的考验，震害调查表明预应力混凝土结构的破坏并不一定比普通混凝土结构严重，其实际抗震性能要比人们想象得好得多，如1968年南斯拉夫朋加卢卡地震中，有17栋IMS体系建筑，最高达14层，这些采用双向预应力束将板和柱连接在一起的板柱框架，是按7度设防设计的，经历了8度地震，震后未发现主体结构有明显损害，尽在用轻质混凝土砌块砌筑的墙上发现有震害。

再如1978年日本的宫城县强震后的的调查发现，九幢1~5层的预应力混凝土建筑中，除一框架梁端混凝土严重压碎外，其余均没有明显破坏，而一些普通混凝土建筑却有严重破坏。

而且大量震害调查表明，凡结构震后受到损坏或破坏，都是由于结构连接不当，钢筋锚固不足，以及由于支撑结构倒塌原因造成，而不是预应力混凝土引起的。

人们通过对预应力混凝土结构震害调查结果的反思，认为深入研究其抗震性能是非常必要的。

早在1963年成立的国际预应力协会（FIP）抗震结构委员会，曾举行过多次讨论会，并于1977年制定了《抗震预应力混凝土结构设计建议》。

随后新西兰、美国、意大利、中国等相继开展了预应力混凝土结构抗震性能的理论分析和试验研究工作，在一定程度上对一些长期争论的问题得到了较为清晰的认识。

[4]近年来，我国众多学者对预应力混凝土结构的抗震性能和设计反应谱，有粘结及无粘结预应力混凝土框架和板柱节点，整体预应力板柱房屋，预应力混凝土电视塔，以及预应力锚具的低周疲劳性能等进行了大量的试验研究和综合分析研究工作，从而制定了《预应力混凝土结构抗震设计规程》(JGJl40)[5]。

2 国内外预应力混凝土性能的研究[2] 2.1 日本2.1.1 K.Nakano 研究成果[6]1965年K.Nakano 完成了四层有粘结单跨预应力框架结构在水平反复荷载下的试验及分析研究。

试验中荷载加在各层楼面处，节点和梁柱均采用后张的预应力技术。

Nakano 指出：1)由于预应力混凝土临界阻尼较小，在实际地震中更容易产生塑性铰而发生破坏。

2)节点的性能如果可以充分发挥，预应力混凝土框架结构将具有足够的延性。

3)在地震荷载作用下，普通预应力混凝土结构变形不满足规范的要求。

2.1.2 Muguruma 等人的研究成果[7][8][9][10]Muguruma 等人对预制预应力混凝土简支梁、悬臂梁和框架的试验研究得出了其延性和能量耗散性能可通过用普通钢筋代替一部分预应力筋的办法予以补偿，而中低预应力度的预制预应力混凝土构件的极限弯曲曲率与普通钢筋混凝土构件基本相同。

Muguruma 等人对混合配筋的预制预应力混凝土梁和单层单跨框架进行了系统研究，他们的研究表明，在地震作用下，承受较大弯矩的梁端界面还承受很大的剪力，而预应力可以提高梁的抗剪能力；预应力混凝土梁的弯曲延性主要受受拉钢筋总量、预加应力和混凝土受压变形的影响，随受拉钢筋的总量和预应力的增加，梁在反复荷载作用下的弯矩延性降低。

Muguruma 等人对有粘结与无粘结预应力混凝土梁在反复荷载下的试验研究表明，两者没有明显差别。

有粘结与无粘结预应力混凝土框架的反复荷载试验也显示，两者的滞回曲线十分接近。

2.1.3 Okamato 等人的研究成果[11]Okamato 等人对配臵间距较密的箍筋和有侧限约束螺旋配筋的预制预应力混凝土梁的试验表明，即使配筋指数ω超过FIP 设计建议规定的最大值0.2而高达0.3以上，其曲率延性系数仍然很容易超过10，配筋指数ω是指：()()'/p py s y c A f A f bdf ω=+（1）式中：f c ′为混凝土圆柱体抗压强度。

Okamato 的研究表明，用地震系数0.3按极限强度设计方法设计预应力混凝土结构是足够安全的，而用地震系数0.2设计的预应力混凝土结构，在强震作用下遭受了严重破坏。

Suzuki 等人通过预制预应力混凝土结构构件的循环试验也得到这样的成果：配箍得当塑性铰可在临界截面形成，配臵螺旋钢筋将会大大改善其曲率延性。

2.1.4 Watanabe 等人的研究成果[12]Watanabe 等人的研究表明，高强侧限箍筋比低强钢材箍筋能显著提高预应力混凝土梁的弯曲性能，而且梁进入塑性范围后的荷载–挠度滞回曲线仍然非常稳定，因此可以认为采用高强钢材作螺旋箍筋以约束混凝土的侧向变形，是提高预应力混凝土弯曲延性的最有效方法之一。

2.2 新西兰[13]新西兰是研究预应力混凝土结构抗震问题较早的国家之一，早在20实际六七十年代，R.Park 等人就相继对预应力混凝土框架梁、柱、节点及框架结构进行了大量研究。

1980年R.Park 和K.J.Thompson 完成了对单自由度的预应力框架结构动力反应分析，模型中输入的地震波为EL-Centro N-S 分量及相应人工地震波。

分析后得到的主要结论是：1)框架结构的预应力度越低，框架位移延性需求越易满足；2)阻尼越小，位移延性要求越高；3)普通钢筋混凝土框架比预应力框架结构更容易发生永久变形；4)钢筋混凝土框架比预应力框架结构耗能能力更强，但最大的位移反应差别却不大；5)框架达到其抗侧能力极限时，预应力框架的振动周期会增大，约为结构初始弹性周期的两倍，导致结构的位移反应减小；然而钢筋混凝土框架的振动周期则与初始振动周期非常相近。

预应力混凝土框架的这种效应在一定程度上补偿了它们因耗能小引起的不足；6)全预应力混凝土框架结构的最大位移反应比普通钢筋混凝土框架的平均要高1.3倍，其范围在 0.7–2.4倍之间。

2.3 美国[14][15][16][17] 2.3.1 Hawkins 的研究成果美国Hawkins 进行过三个后张预制预应力混凝土框架单元在水平反复荷载下的试验，其中一个是足尺寸的。

结果表明：名义预压应力在2.36N/mm 2 左右的中等预应力对延性框架抗震性能影响不大。

Hawkins 通过对试验结果的分析建议:1)平均预压应力(N p /bd )不应大于2.5N/mm 2; 2)非预应力筋含量宜满足下式要求:()/0.65w w pw μμμ+≥ （2） 式中: '/w s y c A f bdf μ=；p py p pw c A f d bdf dμ=；d p 为预应力筋距受压边缘的距离。

3) 梁端底部钢筋不应少于上部钢筋的65%，即应满足：0.65w pw w pwμμμμ+≥+下下上上（3）2.3.2 ACIACI(318M –05)规定用于计算构件抗弯强度的预应力筋和非预应力筋应满足下列要求：()110.360.36p p s s pd d ωβωωωβ≤⎧⎪⎨'+-≤⎪⎩配置纯预应力筋的构件 混合配筋的构件（4） 式中：/p p py c A f bdf ω=′；/s s y c A f bdf ω'=；/s s y c A f bdf ω''''=；1β的取值与c f '的大小有关，当227.6N/mm c f '≤时，每增加6.9N/mm 2，1β减少0.05，但10.65β≥。

同时还规定中等地震区，框架梁端正弯矩承载 力不应小于负弯矩承载力的1/3，且任何截面上其正弯矩或负弯矩承载力均不应小于两端最大弯矩承载力的1/5。

高地震区中，受弯构件任何截面上部和 下部钢筋均不应少于200/c bdf ′，配筋率不应超过 2.5%，梁端正弯矩承载力不应小于负弯矩承载力 的1/2，而任何截面上其正、负弯矩承载力均不应小于两端最大弯矩强度的1/4。

高地震区框架柱的抗弯强度应满足 1.2c b M M ≥∑∑的要求，柱子的纵向钢筋配筋率应不小于1%，也不应大于6%。

2.3.3 其他研究一些学者对预应力混凝土平板–柱节点进行了水平荷载试验研究,得出了预应力混凝土平板–柱节点耗能能力要比梁柱节点小得多的初步结论.一些学者还对后张预应力混凝土平板–柱节点性能进行了研究，提出了有关承载力计算方法和配筋构造建议。