预制预应力混凝土框架结构体系研究与应用进展

预制预应力混凝土框架结构体系研究与应用进展_廖显东

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发布时间：2021-09-04

资料介绍

预制预应力混凝土框架结构体系研究与应用进展
廖显东
( 同济大学建筑工程系，上海200092)
［摘要］预制预应力混凝土框架结构是一种预制结构，它兼有预制结构和预应力结构的特点。对国内外有关预制
预应力混凝土框架结构体系研究和工程应用进行了较为系统的综述和分析，包括预制预应力混凝土框架节点的受
力性能研究，预制预应力混凝土框架的抗震性能研究，预制预应力混凝土框架结构体系的非线性有限元数值分析，
以及这种结构形式的工程应用案例。在综述的基础上对该结构体系今后的发展趋势进行展望，并指出装配整体式
预应力混凝土框架结构将是预制结构，尤其是大跨度、大空间预制结构发展的一个重要方向。
［关键词］预制预应力; 框架结构体系; 性能研究; 应用; 进展
中图分类号: TU398. 7 文献标识码: A 文章编号: 1002-848X( 2015) 22-0065-06
Progress of studies and applications of precast prestressed concrete frame structural system
Liao Xiandong
( Department of Structural Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China)
Abstract: Precast prestressed concrete frame structure is a kind of precast structure，which has characteristics of precast
structure and prestressed structure． The domestic and international researches and engineering applications about the
precast prestressed concrete frame structural system were reviewed and analyzed systematically，including mechanical
performance study of precast prestressed concrete frame joint，seismic performance study of the precast prestressed concrete
frame，nonlinear finite element numerical analysis about precast prestressed concrete frame structural system，and
engineering application cases of this kind of structural type． Based on reviews，development trend of the structural system in
the future was prospected，and it was concluded that monolithic precast prestressed concrete frame structure would be an
important development direction for precast structures，especially large-span or large-space precast structures．
Keywords: precast prestressed; frame structural system; performance research; application; progress
作者简介: 廖显东，博士研究生，高级工程师，一级注册结构工程师，
Email: kz-liaoxiandong@163． com。
0 引言
预制混凝土结构现代化的制造、运输、安装和科
学管理是工业化建筑的生产方式。1875 年6 月11
日，William Henry Lascell 获得了英国2151 号发明
专利“Improvement in the Construction of Buildings”，
这标志着预制混凝土的兴起。1891 年，巴黎
Ed． Coigent公司首次在Biarritz 的俱乐部建筑中使
用预制混凝土梁。到今天，预制混凝土已经历了
140 余年的发展历史［1］。与现浇混凝土结构相比，
预制混凝土结构具有现场湿作业量少、构件质量高、
施工速度快、工期短、节约材料、耐久性好、经济和社
会环境效益好等优点，但也存在节点连接可靠性和
结构整体性差，在抗震区应用受到限制等不足［2］。
如在1976 年唐山大地震、1988 年Spitak 地震、1994
年Northridge 地震( 图1) 、1995 年阪神地震、1999 年
Marmara 地震、2008 年汶川地震、2011 年新西兰
Christchurch 地震( 图2) 、2013 年雅安地震中，预制
混凝土结构的损伤和破坏较严重。预制混凝土结构
的预制构件间连接既是结构连接的薄弱环节，也是
结构整体抗震性能研究的前提和基础。
如何确保预制混凝土结构的抗震性能是其能否
图1 美国Northridge 地震中预制结构破坏
推广应用的一个关键问题，预制混凝土框架节点不
仅要有效传递预制构件间的弯矩和剪力，还应具有
较好的延性和耗能能力。美国NEHＲP ( National
Earthquake Hazards Ｒeduction Program) 2000 规范［3］
根据预制混凝土框架节点的连接方式及其性能特点
将预制混凝土框架节点划分为两大类: 等效现浇
( Equivalent monolithic) 和装配式( Joint systems) ，等
效现浇连接要求达到或超过现浇混凝土连接的抗震
建筑结构2015 年
图2 新西兰Christchurch 地震中预制结构破坏
性能。等效现浇节点常用后浇整体式和预应力拼接
式，装配式节点常用焊接和螺栓连接。很多专家建
议在预制混凝土结构上引进预应力技术，利用预应
力筋的自复位恢复力可以有效改进预制节点的连接
性能，延缓裂缝的开展，减小残余变形，提高耗能
能力。
1866 年美国Jackson P H 和1888 年德国
Dochring C E W 率先在混凝土结构中应用预应力，
大部分是低值预应力，但应用并没成功，主要是由于
混凝土徐变和收缩导致预应力很快损失殆尽。使得
预应力混凝土技术真正进入实用阶段的是法国工程
师Freyssinet E，1928 年他在大量研究和总结混凝土
和钢材性能的基础上，指出预应力混凝土必须采用
高强钢材和混凝土，这一论断在预应力混凝土技术
领域取得了关键性突破。1938 年德国Hoyer E 研究
出预应力先张法工艺，无需靠专用锚具传力，提供了
简单可靠的预应力混凝土构件工厂化生产方法;
1939 年Freyssinet E 创造的锥形锚具和双作用千斤
顶，1940 年比利时的麦尼尔( Magnel G) 研制的麦式
锲型锚具［4］，提供了可行的后张预应力混凝土生产
工艺。预应力在粘结构造上也得到了不断的发展，
主要分为部分无粘结、无粘结和粘结三种类型。
预应力有很多优点: 能充分利用构件的拉、压强
度，提高结构的抗剪切承载力和抗疲劳强度; 减小构
件的截面高度，改善结构的使用性能; 调节刚度，增
加稳定性，减少变形; 具有良好的裂缝闭合与变形恢
复性能。因此预制预应力混凝土结构易于实现大跨
度预应力混凝土框架结构的梁铰机制; 易于评估地
震对结构造成的损伤; 恢复性能好，残余变形小，易
于修复［5］。
近年来，预应力混凝土技术在桥梁以外的预制
结构中也得到了迅速发展，发达国家预制混凝土结
构在土木工程中的应用比重: 美国为35%，俄罗斯
为50%，欧洲为35% ～ 40%; 其中预制预应力混凝
土结构在美国和加拿大等国预应力混凝土用量中占
80%以上［6］。我国预制预应力混凝土结构虽然起
步晚，但发展非常迅速，现已成为重要的建筑结构形
式之一，尤其在大跨度、大空间、桥梁等大型建筑中
应用更加广泛。“十二五”规划我国进入了保障性
住房建设阶段，充分发挥装配整体式住宅的优越性，
对加快城市化发展进程具有重大意义; 正在编制的
“十三五”规划中将明确新建和竣工产业化住宅面
积等发展目标以及分城市、分阶段的发展战略。
本文介绍了国内外有关预制预应力混凝土框架
结构体系的最新研究成果，重点对该体系抗震性能
研究与工程应用的最新进展进行综述分析，并展望
预应力装配整体式混凝土框架结构的发展趋势。
1 预制预应力混凝土框架结构体系研究
1. 1 预制预应力混凝土节点受力性能研究
1990 年美国和日本的学术界和工程界通力合
作，开展了一项有关预制混凝土结构的抗震研究，即
PＲESSS( Precast Seismic Structural Systems) 研究计
划［7，8
］，主要目标是研发适用于抗震区应用的预制
混凝土结构及新材料，通过试验和理论研究，得到相
应的计算模型和计算方法。1991 年Cheok Geraldine S
等［9］进行了预制预应力节点与现浇节点对比试验，
结果表明预制预应力节点位移延性好，残余变形小，
但耗能较差，主要原因是预应力筋屈服。为了避免
预应力筋提前屈服，1993 年Priestley M J N 和
Tao J［10］提出了部分无粘结预应力筋可改善节点核
心区和梁端塑性铰区的受力性能和减小残余变形的
概念，Priestley M J N 和MacＲae G A［11］于1996 年的
试验证明了节点核心区内采用无粘结预应力筋可显
著降低在大侧移的情况下核心区的损伤程度。为了
提高预应力连接的耗能能力，1995 年Stone W C
等［12， 13］通过试验验证了预应力混合连接节点强度
高、变形恢复能力好，归因于配置的普通钢筋能显著
提高节点的耗能能力。1997 年， John Stanton 等［14］
通过预制无粘结预应力混合连接混凝土框架中节点
试验，配置了一定数量的有粘结非预应力普通钢筋
用于耗能，得到了较好的抗剪切性能和变形恢复能
力。2007 年Ozden S 和Ertas O［15