新型预应力梁柱非对称混合连接设计分析

魏建林

摘要:文章对新型预应力梁柱连接形式——非对称混合连接(简称UNSH连接)设计进行分析研究,该连接形式主要应用于装配式混凝土框架结构,一方面采用后张有粘结预应力将预制梁、柱拼装在一起,另一方面在梁叠合层现浇混凝土内设置连续普通钢筋。预应力筋在设防烈度地震作用下保持弹性,结构塑性变形主要产生在梁柱接缝处。

关键词:预应力;混凝土;非对称混合连接;UNSH连接

中图分类号:TU398文献标识码:A文章编号:1009-2374(2009)22-0025-02

建筑工业化的优越性在于大幅度提高了建造能力和建造速度,具体来说具有以下一些特点和优势:建筑构配件集中的、先进的、产业化的工业生产方式,能保证较高的工艺水准和产品质量,使建造质量得到保证;预制构件可以直接作为建筑的外部构件而无需另外做面层装饰,省时省力;构配件大批量物流化供应、机械化施工,使建造速度得以大大提高;构件及模板体系可重复使用,具有良好的经济效益;预制构件可以在场外提前制作并堆放,在施工场地准备完毕后很快进行安装;改善劳动条件,使手工作业转向机械化施工,同时大大减少了建筑工地的用工量,降低造价;与现浇混凝土相比,采用预制混凝土构件还能减少混凝土变形裂缝,提高结构耐久性;与传统的施工方式相比,实行工业化方式,一般节材率可达20%左右,节水率达60%以上。推进建筑工业化可从根本上改变传统的建筑生产方式,使建设逐步走上科技含量高、资源消耗低、环境污染少、经济效益好的道路。

一、预应力连接

经国外数名学者多年研究认为,用后张预应力将预制梁连接到预制柱的装配式混凝土框架是一种经济的、多高层建筑建造方式。有粘结和无粘结预应力构件在进行正截面分析时的基本区别在于应变一致性条件:有粘结预应力构件的截面应变具有一致性,在张拉灌浆后,预应力筋和邻近的混凝土在预应力构件中任意截面具有相同的应变增长,预应力构件沿构件长度方向弯矩变化,混凝土应变增量也相应变化;而无粘结预应力筋通常忽略与孔道之间可能存在的摩擦力,假定在整个无粘结长度上的应变为常数。

(一)无粘结连接的优缺点

全无粘结的设计有因锚固端失效导致预应力彻底丧失的风险,考虑到梁跨中是一个对称点,无粘结预应力筋在此处不会有相对于混凝土的滑动,所以在PRESSS研究项目中将无粘结预应力连接加以改进,设置成预应力筋在跨中有粘结而其它部分无粘结(图1),这样在柱面处仍能产生相对滑动,预应力筋无粘结长度取决于需要的延伸长度。

而无粘结连接的性能主要有以下不理想的方面:因为预应力筋保持弹性,所以结构耗能很少;无粘结预应力连接的做法是与通常的后张法一样,预应力筋放在预留孔道中,但张拉后不灌浆。节点核心区会受到预应力孔道削弱的影响;由于梁柱接缝开展较宽,无粘结预应力筋防腐蚀性能较差的弱点更加突出;梁柱接缝开展较宽,预制梁角部的压应变将很大,梁的压碎程度比有粘结预应力连接严重,需要在梁端部加强配置约束钢筋;部分无粘结的构造并不能完全解决以上的缺陷,而且在实际施工中颇为不便,不利于推广应用。

(二)有粘结连接的优缺点

使用有粘结钢绞线能有效抵御腐蚀,并且在锚固失效的情况下结构只会逐步倒塌。美国国家标准与科学技术协会(NIST)的研究表明使用有粘结预应力连接能改善节点延性。在较低幅度的地震作用下,预应力筋应力的变化保持在弹性范围之内,当变形恢复到零时没有预应力损失。但在达到一定的位移水平后,梁柱接缝处预应力筋的局部屈服有可能导致预压力损失,从而降低连接的受剪承载力,此时的滞回性能表现为在较低荷载下刚度比较低,在小位移时刚度退化很快。从更高的位移水平卸载后,由于较大的塑性变形,预应力有可能会全部损失。

二、新型连接的形式

在研究多种延性连接优缺点的基础上,设想一种应用于框架结构体系的新型预应力。

梁柱连接形式,命名为非对称混合连接(unsymmetrical hybrid connection),后文统一简称UNSH连接。该连接的具体形式如下:预制梁、柱的连接不仅通过后张有粘结预应力,还采用连续普通钢筋进行连接。预应力筋穿过预留孔道将柱两侧横梁连接在一起,然后灌浆形成有粘结预应力节点。预应力筋在设计地震作用下始终保持弹性,结构非线性变形主要发生在梁柱接缝。后张直线预应力筋既可以起连接预制构件的作用,又能承受梁端弯矩,构成整体受力节点和连续受力框架。当层间位移角超过一定大小时,梁柱接缝张开,预应力筋拉力增加,产生恢复力使接缝闭合,将梁柱拉回原来的位置;普通钢筋除了承担梁截面抗弯外,还随着接缝的张开和闭合交替受拉和受压,起到耗散地震能量的作用。为方便建筑施工,UNSH连接没有在梁截面上下对称配置普通钢筋,仅在梁上部叠合层后浇混凝土内埋设普通钢筋与预埋在柱内的钢筋通过直螺纹套筒连接(如图2所示);梁与柱的连接面不设置牛腿,而是采用平面拼接,依靠接触面预压力产生的摩擦力传递梁端剪力。

本文提出UNSH连接这种预制装配形式,除了考虑到预制结构的一般优越性以外,主要是出于以下几方面原因:我国《混凝土结构设计规范》建议框架梁宜采用后张有粘结预应力筋和普通钢筋的混合配置方式;全预应力连接滞回曲线的捏缩现象比较严重,增加普通钢筋能改善节点的滞回性能;以往抗震设计原则是以保障人的生命安全为准则,因此地震带来的经济损失在结构设计中很少考虑。而在UNSH体系框架中,地震带来的破坏主要出现在梁柱连接处,评估地震造成的损失变得非常容易;UNSH体系优于现浇体系的一个方面在于将破坏集中到连续普通钢筋,降低了结构维修费用。只要普通钢筋没有断裂,UNSH连接承载力基本就不会退化;有粘结预应力与无粘结预应力相比预应力筋容易屈服,这会造成连接刚度退化,接触面摩擦受剪承载力下降,非弹性地震作用后结构残余变形大,残余刚度低;现浇节点的梁转动沿塑性铰长度分布,而UNSH连接的破坏模式和现浇构件不同,接缝处梁转动集中,可能会导致局部普通钢筋应变过大而过早断裂,在此对这部分钢筋作无粘结处理以解决该问题。

PRESSS的混合连接上下对称配置连续普通钢筋,比较理想的做法是在预制梁的顶部和底部开槽(如图3所示),将普通钢筋穿过孔洞,然后灌浆。与混合连接相比,UNSH连接下部没有连续普通钢筋,可能会造成耗能钢筋不足,增大地震作用下的侧移。

三、结语

在对国内外预制装配建筑的研究和应用进行考察的基础上,本文提出一种应用于框架结构体系的新型预应力梁柱连接形式——非对称混合连接(unsymmetrical hybrid connection),本文中简称UNSH连接。这种梁柱连接一方面采用后张有粘结预应力将预制梁、柱拼装在一起,另一方面在梁叠合层现浇混凝士内设置连续普通钢筋。UNSH体系框架结构的预应力筋在设计地震作用下始终保持弹性,结构非线性变形主要发生在梁柱接触面。后张直接预应力筋既可以起连接预制构件的作用,又能承受梁端弯矩。UNSH体系施工方便快捷,抗震性能理想,有利于实现梁铰耗能机制,结构恢复性能优越,残余变形小。地震作用下节点核心区破坏极小,损伤主要集中于梁柱连接,易于评估。UNSH体系的低程度破坏可以在强震之后最小化停工时间以及维修费用。

参考文献

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