[科普中国]-预应力度

预应力度装配式管柱抗震性能概述

高强混凝土管柱以其材料高强、工业化生产的特点尤其适用于多层装配式框架结构．采用在管柱柱底预埋装配式柱脚的方式可实现管柱与基础装配．装配式管柱自重轻，吊装方便，且现有制作工艺可实现管柱2 天成型且达到强度标准值，满足建筑工业化的需求．国内外学者对于普通钢筋普通混凝土管柱承载能力及抗震性能进行了相关研究．Zamil 等对地震作用下钢筋混凝土管柱抗震性能进行了分析；Wong等研究了钢筋混凝土管柱在多向地震作用下的反应；朱丽华等对不同轴压比、壁径比和配筋率的钢筋混凝土管柱的抗震性能进行了试验研究；周毅雷等提出了沿周边均匀配筋环形截面偏心受压构件延性系数的计算方法；童岳生等、冯鹏等分别提出了普通和高强混凝土环形截面偏心受压构件承载力的计算方法；王铁成等对配有非预应力筋的普通混凝土管桩与承台连接节点进行了试验研究及有限元分析．但普通混凝土预制管柱存在初始刚度小、混凝土易开裂问题，且由于管壁较薄，抗剪承载力较低.为解决上述问题，本文提出同时配置普通带肋钢筋和预应力钢棒的高强混凝土混合配筋装配式管柱技术，配置预应力钢棒可有效解决构件混凝土开裂问题，同时可提高构件抗剪强度；采用高强混凝土可减小构件截面尺寸，提高构件耐久性；配置普通带肋钢筋可提高构件延性．在此基础上设计制作了足尺预制钢筋混凝土管柱，管柱柱底预埋装配式柱脚与承台连接，通过拟静力试验，对比分析配筋方式及预应力度对装配式管柱承载能力、抗震性能和破坏特征的影响，为后期开展更多因素影响的预制管柱抗震性能研究奠定基础．

1试验概况1.1 试件设计与制作

试验共制作5 根管柱试件，管柱底部均通过装配式柱脚与承台连接．装配式柱脚由底板、裙板、栓钉以及肋板组成，并通过浇筑在混凝土内的栓钉与管柱连接．承台中预设8 根锚栓，装配时，通过螺栓将管柱柱脚底板与承台中预埋的锚栓连接．试 验 管 柱 高 度 为 原 型 管 柱 反 弯 点 高 度1,800,mm，外径500,mm，壁厚100,mm．试验管柱混凝土设计强度等级为C80，纵筋为单排布置．每个试件配置12 根纵筋，其中全预应力筋试件PHC1-2 与PHC2-2(prestressed high strength concrete)均配置12根f10.7 预应力钢棒，但预应力钢棒的张拉应力不同；混合配筋试件PNHC3-2、PNHC4-2 与PNHC5-2(prestressed，and non-prestressed high strength con-crete)均配置6 根f10.7 预应力钢棒和6 根HRB400 级钢筋，HRB400 级钢筋直径分别为12,mm、16,mm和18,mm．预应力钢棒两端分别固定在管柱两端端板上，通过张拉施加预压应力．HRB400 级钢筋仅与下端板焊接，其上端不与上端板连接．

箍筋采用f6 冷拔低碳钢丝，箍筋加密区间距45,mm，非加密区间距80,mm．钢筋保护层厚度46,mm．5 个试件设计轴压比均为0.15，计算得施加的轴压力为691,kN．试件设其中，预应力强度比l=fpyAp/(fpyAp+fuAs)．

1.2 加载制度与量测内容

试验采用1,000,kN 水平作动器对试件施加水平往复荷载，作动器与柱顶连接处设成铰接，竖向千斤顶上设滑动小车可自由水平移动．加载开始，先按照设计轴压比0.15 对试件施加竖向荷载，并保持在整个试验过程中恒定不变；然后施加水平荷载，加载方式采用先荷载控制，后位移控制．试件屈服前采用荷载控制，按每级20,kN 加载且循环一次，直至试件屈服，期间记录下试件开裂荷载 Pcr及屈服位移D；试件屈服后采用柱顶水平位移控制，按每级位移增量D加载且循环两次，直至试件无法继续承担荷载或承载力下降至最大承载力85%,以下．试验过程中，根据钢筋应变判断试件屈服点．

各试件位移计布置相同，共计7 个位移计．W-1 和W-2 水平布置在柱顶与加载点平行处，用来测量管柱顶点位移；B-3 水平布置在装配式柱脚裙板侧面，B-4 和B-5 垂直布置在装配式柱脚底板上，用来监测柱脚与承台是否发生相对错动及转动；B-1 和B-2 垂直布置在距柱底部450,mm 处的管柱外伸钢板上，通过测量管柱转角来计算钢筋应变．

采用混凝土应变片测量混凝土应变，据以判断试件开裂荷载大小．每个试件布置8 个混凝土应变片，应变片长100,mm ，均布置在距装配式柱脚裙板50,mm 处．

2试验结果与分析2.1 试件破坏过程

各试件最终破坏时受压区混凝土破坏情况及裂试件PHC1-2 加载过程中，当水平荷载达到210,kN 时，管柱受拉端表面距离柱根部约22,cm 处出现第1 条裂缝，裂缝延水平方向开展．随着荷载的增大，管柱表面未再出现其他裂缝，仅第1 条裂缝不断延伸，并由最初的水平裂缝变为向柱底方向延伸的斜裂缝，且一直延伸至柱底．当水平荷载达到311,kN 时，位于柱底与装配式柱脚接触部位约4,cm 范围内发生混凝土小范围剥落现象．当水平位移达到29.5,mm 时，随着“嘣”的一声响，受拉区有预应力钢棒断裂，试件宣告破坏，裂缝最宽处达0.8,mm．

试件PHC2-2 加载过程中，当水平推力达到178,kN 时，管柱受拉端表面距离柱根部约20,cm 处出现第1 条水平裂缝．随着水平力继续增大，在管柱受拉端表面距离柱根部约54,cm 处出现第2 条水平裂缝，随后两条裂缝不断沿管柱斜向下延伸，并一直延伸至柱底．当水平荷载达到290,kN 时，柱底受压区20,cm 范围内表层混凝土压碎剥落，当水平位移达到40.2,mm 时，受拉区钢筋断裂，试件宣告破坏，裂缝最宽处达1,mm．

试件PNHC3-2、PNHC4-2 和PNHC5-2 破坏过程及裂缝分布相似，当水平推力达到约160,kN 时，管柱受拉端表面距离柱根部10,cm 处附近出现第1 条裂缝，随着荷载继续增大，管柱受拉端从下至上出现多条水平裂缝，水平裂缝斜向下延伸至柱底．管柱最终破坏时，钢筋断裂，柱底50,cm 附近裂缝开展丰富，布满管柱下部，最大宽度处达2,mm，这是由于带肋钢筋混凝土握裹好，裂缝出现均匀，分布较广．3根试件混凝土最终压碎情况不同，试件PNHC3-2 和PNHC5-2 混凝土剥落情况同试件PHC1-2，为柱底小范围剥落；试件PNHC4-2 受压区混凝土大范围剥落，并露出箍筋．从试件最终破坏形态看，裂缝以受弯水平裂缝为主，剪切斜裂缝较少，破坏时受拉纵筋断裂或受压区混凝土压碎，故试验试件均发生以弯曲破坏为主的弯剪破坏．其中混合配筋试件PNHC3-2、PNHC4-2 和PNHC5-2 裂缝开展更为丰富．

2.2 试验结果分析

2.2.1 滞回曲线和骨架曲线

5 个试件水平力-顶点位移滞回曲线(P-D曲线)及骨架曲线如图7 所示，具有如下特点：

(1)试件屈服前呈弹性变形，滞回环形状均接近直线，由于试件PHC1-2 配置12 根预应力钢棒，且张拉应力最大，试件初始刚度较大，直线斜率最大；

(2)与普通配筋的框架柱相比，5 个试件滞回曲线均存在一定的“捏拢效应”，且骨架曲线下降段较陡，构件丧失承载力较快，耗能能力较差；

(3)试件PHC2-2 滞回曲线相比试件PHC1-2 较饱满，说明在条件允许的情况下，适当减小管柱内预应力筋的张拉应力，可改善管柱抗震性能；

(4)试件 PHC1-2 与 PHC2-2 的滞回曲线较为扁平，试件 PNHC3-2、PNHC4-2 与 PNHC5-2 的滞回曲线相对饱满；且管柱水平力承载力达到峰值后继续加载，承载力下降趋势变缓，说明降低预应力度可有效改善管柱滞回性能；

(5)从试验结果可以看出，试件 PNHC4-2 滞回性能优于试件 PNHC5-2，说明预应力强度比为影响管柱滞回性能的直接因素，而非普通钢筋配筋率．

2.2.2 承载力和位移延性

其中 Py、Pmax和Pu分别为管柱屈服荷载、峰值荷载和极限荷载，对应的位移分别为Dy、Dmax和Du，屈服荷载Py采用“通用屈服弯矩法”确定，Pu为试件承载力明显下降或达到最大承载力85%,以下时的承载力值，m (m=Du/Dy)为位移延性系数．

可以看出，试件PHC1-2 由于预应力钢棒张拉应力最大而屈服荷载最大；试件PHC2-2 延性系数较PHC1-2 大，由于减小预应力钢棒的张拉预应力，相当于减小构件轴压比，进而管柱延性提高，且对试件极限承载力影响较小；混合配筋试件延性系数较只配置预应力钢棒试件大，表明配置普通钢筋可改善预应力管柱的抗震性能；混合配筋试件中，配置18 钢筋的试件PNHC5-2 承载力最大，但延性系数最小，而配置16 钢筋的试件PNHC4-2 延性系数最大，考虑是由于试件中普通钢筋抗拉性能差异导致．

2.2.3 刚度退化

可以看出在加载初期试件刚度退化均较快，这是由于试件混凝土开裂造成的；在加载后期，试件PHC2-2、PNHC3-2、PNHC4-2 和PNHC5-2 刚度退化较慢，而试件PHC1-2 直至破坏刚度退化一直较快．说明减小预应力度和配置普通钢筋均可延缓管柱构件屈服后承载力的退化速度．

2.2.4 耗能能力

试件的能量耗散能力，应以滞回曲线所包围的面积来衡量．采用能量耗散系数E 及等效黏滞阻尼系数he表征试件的耗能能力．

3正截面承载力计算规定了沿周边均匀配置纵向钢筋的混凝土环形截面偏心受压构件正截面承载力计算方法，该方法并不适用于计算高强混凝土混合配筋管柱．文献[7]在规范公式基础上提出适用于计算高强混凝土环形截面抗弯承载力的公式，本文提出的计算公式，同时考虑轴向压力对预应力钢棒中预应力损失的影响，将普通钢筋及预应力钢棒分别等效成2 个与实际截面面积相同的钢环，钢环半径为纵筋中心线至管柱中心线的距离．：a 为受压区混凝土截面面积与全截面面积的比值；aT为纵向受拉钢筋截面面积与全部纵向钢筋截面面积的比值；a1为受压区混凝土矩形应力图的应力值与混凝土轴心抗压强度设计值的比值；r1、r2分别为混凝土管柱内、外壁半径；rp、rs分别为预应力钢棒及普通钢筋经面积等效所得钢环半径，本文取rp=rs；σpa为考虑轴向压力影响后预应力筋合力点处混凝土法向应力等于零时的预应力筋应力；Mu为管柱极限抗弯承载力Pu产生的弯矩．试验试件破坏时均为受拉钢筋断裂或受压区混凝土压碎，未出现箍筋断裂或剪切面滑移，为受弯破

4 结论(1)混合配筋管柱由于配置有预应力钢棒，相比普通混凝土管柱，初始刚度大、混凝土不易开裂且抗剪承载力较高．

(2)在条件允许的情况下，适当减小管柱内预应力筋的张拉应力，可改善管柱滞回性能．采用在预应力管柱内配置普通钢筋的低预应力度混合配筋方式，可提高管柱抗震性能．混合配筋管柱承载力随配筋率提高而提高．

(3)提出了混合配筋形式高强混凝土管柱正截面抗弯承载力计算公式，并与试验结果比较吻合．

(4)观察5 个管柱试件的滞回曲线发现，均存在“捏拢现象”，但混合配筋试件“捏拢现象”较全预应力筋试件减弱．(5)管柱装配式柱脚在整个试验过程中均未发生较大变形或剪断螺杆现象，满足正常使用要求．

本文仅分析了配筋形式和预应力度对管柱抗震性能的影响，轴压比、剪跨比等因素对管柱抗震性能的影响，还有待进一步研究．1