建筑技术丨无粘结预应力混凝土结构抗震性能研究分析

1 研究意义

1.1 无粘结预应力混凝土结构

UPC框架结构的中柱节点，一般指采用无粘结预应力筋将预制梁和柱拼接在一起的框架结构形式。其中梁一般为无粘结预应力构件，预应力筋可采用直线形或曲线形，柱也可以为预应力构件或非预应力构件。然而，由于塑性铰链较早出现在梁端，符合强柱弱梁的相关规定，现有工程中的预应筋一般放置在梁体内。因此，在整个框架结构的抗震性能中，贯穿于梁柱节点的预应力筋起到了至关重要的作用。此外，预应力筋的布置需要高强度混凝土配合，使用高强度混凝土被认为是现代建筑的一种趋势。许多研究者从试验和理论上对高强度混凝土构件进行了研究，高强度混凝土与普通强度混凝土相比，其具有密度高、强度大、工作性能良好等特点。预应力混凝土结构将两者的优点结合，形成更耐用、更美观的结构。目前无粘结预应力技术可以支撑建筑使用可更换的无粘结预应力筋，以实现混凝土构件的升级。维护和修复，在很大程度上提高了无粘结预应力混凝土结构的经济效益。

众所周知，无粘结预应力与有粘结预应力在施加预应力的形式上不同的。有粘结预应力筋是通过混凝土与预应力筋之间粘结滑移使预应力生效，因此该类型节点的预应力筋传力模式与普通钢筋混凝土中的非预应力筋传力的“桁架模式”相似（图1）。这种模式的缺点是结构的预应力筋一旦节点处的混凝土发生粘结滑移，就会使节点处的传力机构失效，从而破坏节点的抗剪作用，大幅减弱节点的刚度和耗能能力，最终造成明显的结构震害破坏，因此，这种结构的预应力筋会使节点处的传力结构失效。

图1 桁架模式示意

而无粘结预应筋则没有粘结滑移的作用，其预应力是通过锚具在框架结构中施加的，其在结构中的应力值和应变值沿着筋的长度均匀分布，所以其结点上的传力模型类似于斜压杆模式，即使在较大的地震荷载下，构件也是在这种模式作用下发生的。在有塑性铰的梁端不会使应变值发生较大变化，也不会使预应力筋屈服。上述设计预应力筋的方法，即使结构在地震荷载的作用下，节点处的非预应力筋与该区域的混凝土发生了粘结滑移，但预应力筋处的斜压杆模型依然可以传递剪力，并可得到一定程度地加强，只有当该区域的混凝土被完全压溃时，结构才会被完全破坏。

1.2 中柱节点的重要性

梁柱节点核心区的受力较复杂（图2），其也是地震中较薄弱的环节。因为中柱节点承受柱子带来的压力，所以会形成柱端受压破坏；也会承担梁端传递的弯矩，所以会形成梁端受弯破坏，在节点核心区域由于剪切破坏形成斜向裂缝以及钢筋的锚固破坏。因其破坏形式复杂多样，导致节点核心区在以往的震灾中成为最容易破坏的部位。相较于边节点，中柱节点处应力集中、结构复杂、施工困难，更容易影响结构整体抗震性能。大量研究表明，施加预应力对节点的影响是显著的，一是预应力可以提高节点的初裂荷载、刚度和极限抗剪承载力；二是节点处预应力可以减缓节点混凝土的开裂，因其让节点处于双向受压的状态，故可增强对混凝土的约束；三是施加预应力可以减缓节点的钢筋拔出，减少了失稳破坏的可能性。尽管我国抗震规范要求是强柱弱梁、强剪弱弯、强节点强锚固，但是UPC结构中柱节点的抗震设计和要求在我国现行规范中提及较少，这对于我国无粘结预应力技术的推广应用无疑是一个阻碍。

图3 梁柱节点核心区受力示意

综上所述，UPC结构能够承受更大的地震荷载。中柱节点受力复杂，相较于框架中其他节点的受力情况来说，其更具研究意义。

2　发展概况

同样是作为预应力混凝土结构，有粘结、无粘结预应力混凝土结构都存在抗震性能上的共性。一直以来，有大量的国内外学者研究无粘结、有粘结预应力混凝土的抗震性能，并且做了大量的试验以进行抗震性能分析，但与过去相比，近年来的技术研究在方法和分析技术方面未取得较大突破。

2.1 国内研究进展

我国的预应力起步较晚，自改革开放以来，我国一些科研单位的研究人员才对UPC扁梁结构进行了较为深入地研究。

在2003—2011年，程浩德等对UPC结构做了大量的试验研究，提出了以下结论：（1）预应力扁梁框架结构的无粘结部分，设计得当即可形成梁铰，以达到耗能目的并因此出现破坏；（2）UPC框架内的非预应式筋体配置都能达到屈服强度，但同时其残余变形也因非预应式筋体的约束而比较大；（3）强柱弱梁型UPC混凝土框架滞回环形状介于弓形与反S形之间，滞回曲线较丰满，但稍有“捏拢”现象。表明若锚固可靠且设计合理，则UPC框架可以考虑在地震设防区域应用。

近年来，东南大学吕志涛教授和孟少平教授带领其团队开展了一系列为国内推广无粘结预应力技术提供坚实理论支撑的UPC结构试验研究。其中2013年种迅等对4榀梁柱中节点（2榀预应力筋为有粘结，另外2榀在梁端的预应力筋部分为粘结）进行低周往复加载试验，试验表明：与普通混凝土构件相比，预应力混凝土试件的残余变形小，恢复性能好，但滞回环面积较小，耗能能力差。对于设置了部分无粘结预应力筋的试件来说，由于其预应力筋没有达到屈服强度，所以耗能更小，恢复性能也更好。张晨等于在2014年提出了一种节点骨架曲线上特征点的计算方法，研究后张无粘结装配框架梁柱节点的抗震性能，其依据是弹性理论和刚体转动原理。

2010年，王冬雁等通过对7个无粘结预应力装配式梁柱节点的试验研究，对照预应力筋在直接装配和混合装配下不同的受力性能进行试验研究。试验表明：直接装配试件中降低初始有效预应力虽然会降低构建的承载力，但预应力增量不会受到影响；混合装配试件中增加初始预应力度会使预应力发挥能力阶段推后。但总体来看两者的无粘结预应力筋在受到荷载的整个过程中都始终保持弹性状态，无粘结预应力筋的弹性性能不仅保证了节点连接强度，而且可使其产生较大的延性变形。并且该科研团队还运用弯曲–曲率分析方法计算了在无粘结预应力筋中的应力增量，文中公式的计算值与试验值吻合较好，为其后无粘结预应力筋的研究提供一个适用的理论公式。

近年来，我国许多科研人员也对UPC结构框架节点提出了很多创新性的连接方式，为我国无粘结预应力混凝土技术注入了新血液。

2016—2020年，张晨等、蔡小宁等提出了一种新型的后张无粘结混合装配式预应力混凝土框架（PTHP）节点，并进行了3榀PTHP节点的低周往复拟静力试验。该节点的预应力筋配置在梁内，并在梁柱节点外表面附上带加劲肋角钢，角钢由高强度螺栓固定。

其中角钢负责提供耗能能力，而预应力筋起到拼接和提高自恢复能力的作用。试验数据表明带有PTHP节点的构件损伤小，易于震后的恢复；节点的通长无粘结预应力筋在加载过程中弹性表现良好，增强了节点的自恢复能力。该节点在拟静力模拟中抗震性能表现优异，易于震后修复，可广泛推广应用。

刘航等提出了一种采用新型连接节点构造的自复位装配式混凝土框架结构。该节点的无粘结预应力筋设置在梁内，并且在节点区域增加了低成本的耗能钢筋。

其团队制作了两榀单层单跨框架结构试件，一组为现浇混凝土框架结构，另一组为新型装配式混凝土框架结构，并对其做了2次拟静力试验，第2次试验的目的是检验试件在第1次试验后更换耗能钢筋字符为能力。

试验结果表明，该新型装配式混凝土框架节点具有震后自主复位、低损伤等特点，并在更换了耗能钢筋后其抗震能力基本恢复。该节点的创新为实际工程中震后恢复提供了可观的经济效益。

2.2 国外研究进展

国外对预应力混凝土结构的认知较早，自20世纪60年代开始，新西兰的R.Park对预应力混凝土结构进行了大量的研究。

20世纪80年代，Naaman等便对UPC结构展开了研究。其中Naaman是最早对无粘结预应力钢筋束展开非线性分析研究的学者之一。长久以来，结构工程界一直用线性弹性理论进行钢筋混凝土结构的应力或内力分析，而他的研究为随后涉及无粘结预应力混凝土梁的非线性分析技术的相关研究奠定了基础。本研究提出了一种近似非线性设计的程序预测预应力混凝土梁的极限强度行为，强调了预应力钢筋的类型和数量、非预应力拉伸和压缩钢筋的数量对混凝土极限压缩应变的影响；并且在20世纪90年代末Naaman还提出了一种简单的解析，其适用于线弹性开裂阶段和未开裂阶段的无粘结预应力混凝土结构。此解析式可以推导出计算混凝土截面、拉伸钢筋、压缩钢筋和预应力钢筋的应力方程。特别是证明了无粘结预应力筋的应力是通过施加的荷载、材料属性和裂缝宽度（或裂缝带宽度）与跨度之比的函数关系所计算，为其后的无粘结预应力混凝土抗震性能试验研究打下了一个坚实的理论基础。

日本的H. Muguruma、美国N. M. Hawkins等相继对UPC结构的节点及框架进行了低周往复加载试验，以模拟无粘结预应力筋在地震荷载作用下的抗震效果和恢复能力。试验得出的结论如下：（1）在地震作用下，预应力可以提高梁的抗剪能力，并且梁的弯曲延性与预加应力有关。此外，在其进行的有粘结与UPC结构的反复荷载试验结果也表明：其滞回曲线几乎相同；（2）预应力的施加可以减轻节点的刚度退化效应，因为预应力筋抑制了非预应力钢筋的拔出，不仅可以减少失稳破坏的可能性，而且大幅降低了震后恢复建筑的经济支出；（3）无粘结预应力筋无需灌浆砂浆，所以无粘结预应力筋的铺设总面积小于有粘结预应力筋，由此形成体积差；正因如此，当结构达到最大层间剪力后，UPC结构的节点强度退化及剪切变形均大于有粘结预应力混凝土。

2018年乌拉圭学者Pablo M. Páez等提出了一种用于计算有UPC构件中预应力损失的改进简化方程。该方法考虑了混凝土徐变、混凝土收缩、预应力钢筋松弛和粘结非预应力钢筋的影响，经模拟对比，该方程更加充分、精准地预测预应力随时间的损失变化，并且具有很高的准确性。

2021年Tao等研究了不同截面面积的无粘结预应力筋的UPC结构梁柱节点在柱子损失情况下的连续倒塌行为。基于相容性和平衡条件，建立了考虑边界条件和无粘结预应力筋截面面积影响的UPC结构抗压拱作用的能力模型。此外，还详细阐述了无粘结预应力筋截面面积配置对UPC框架结构崩溃机制过程的影响。分析结果表明，无粘结预应力筋是UPC结构抗压拱能力的主要来源，抗压拱能力对无粘结预应力筋的变形反应很敏感，因为无粘结预应力筋的形变会改变梁的轴向力和力矩。

3　无粘结预应力混凝土结构框架节点数值模拟方法

自20世纪90年代初以来，随着计算机数值分析技术的进步，涌现出了一大批有限元分析软件，包括有限元法（FEM）、有限差分法（FDM）、定制的计算机非线性迭代程序和各种数学推导的有理解的使用，为结构分析的科研工作带来了极大的便捷以及更加真实的模拟效果。实质上，对于无粘结预应力筋的结构模拟来说，钢筋束的应力应变是已经设定好的变形函数，并且假设应力是沿着端部到整个长度之间均匀分布，这种情况很依赖于数据的准确性,所以数值模拟方法在分析结构反应上仍有缺陷，需要国内外研究学者进一步研究发展。

2018年同济大学熊学玉等采用ABAQUS软件和清华大学开发的滞回材料本构子程序PQ–Fiber对有无粘结混合配置预应力筋混凝土梁在竖向低周反复荷载下的抗震性能进行研究。ABAQUS中丰富的单元库和优秀的全面仿真计算能力，使其成为近年来土木结构科研人员进行结构模拟分析的重要工具。值得一提的是，熊学玉团队在运用ABAQUS软件中所自带的损伤塑形模型时，发现其滞回曲线过于饱满，不能很好地反映出构件在加载下的真实力学性能，经对比，PQ–Fiber中的钢筋本构能更真实地反映出构件在加载下的力学性能，PQ–Fiber是清华大学科研团队针对ABAQUS软件开发的一组单轴滞回本构模型的集合，适用于定义ABAQUS杆系结构中的钢筋和混凝土的材料模型。研究发现：有无粘结混合配置预应力筋混凝土梁（尤其是当无粘结筋的配筋比例在30 %以内）的抗震性能是良好的。该模型模拟的方式为以后的科研模拟提出了一种在构件材料方面更接近现实的方法。

2019年王中阳等利用Perform–3D有限元软件，基于震级–断层距条带方法随机选取了10条地震动，对8层预制UPC框架结构进行了易损性分析，这种分析模式可以得到结构的地震易损性曲线、破坏状态概率曲线以及结构破坏概率矩阵。Perform–3D是一种用于研究抗震设计的非线性计算软件，它是通过以变形或强度的限制状态为基础对复杂结构进行非线性分析。在近10年的结构抗震模拟分析中表现优异，并且该文考虑了地震动的随机性，可以更加真实地模拟结构在地震荷载作用下的破坏概率。模拟结果说明：预制UPC结构可以满足规范中的三水准设防目标，并且结构具有较强的抗倒塌能力，可以在高烈度区推广。

西安建筑科技大学的张娇磊等运用Pushover分析方法对UPC框架结构的整体抗震性能做出了分析。自20世纪末以来，Pushover分析方法被各国学者所认知，21世纪初我国学者对该分析方法进行了大量的理论研究。

Pushover方法是一种基于性能的结构抗震设计方法，优点：一是具有较小的计算量和偶然性，并且模拟成本较低，更适合工程人员掌握，满足了一般的工程需求；二是引入了设计反应谱，模拟地震惯性力，通过塑性铰发展的状况快速找出结构抗震性能薄弱的地方以及屈服点。该方法可以快速地分析UPC结构的抗震性能是否符合规范的相关要求，为工程设计人员提供了一种抗震设计的新思路。

4 结束语

随着经济与科技的发展，建筑工程的建设阶段已趋于稳定，但建筑的安全问题仍然是大众所关注的问题。UPC结构优势明显，在以往的地震灾害中，不论是抗震性能的表现，还是其地震记录数据的分析结果都说明结构设计合理，都可以成功地在高层房屋建筑乃至组合结构、大跨度工程中展现出优良的性能，以节省成本。

本研究介绍了近40年来研究人员对UPC结构中柱节点的抗震性能分析的相关研究，以及现有科技技术对UPC结构的创新性影响研究及发展，最终得出无粘结预应力混凝土结构处于辉煌状态，但仍需要大量的优秀学者进行创新性的试验研究。