預應力混凝土空間節點抗震性能研究

楊曉東

（煙臺市黃海建筑工程有限公司，山東 煙臺 264000）

預應力混凝土框架節點的受力情況比較復雜，并且施工也較為困難，屬于建筑結構的關鍵部位。根據對大量的震害進行研究，結果表明，框架節點是結構抗震中較為薄弱的環節。因此，必須重視框架節點的抗震能力。本文就預應力混凝土空間節點抗震性能進行研究，僅供參考。

1 預應力混凝土的原理和優點

1.1 預應力混凝土的原理

預應力是在結構或構件使用前施加的永久性應力，主要是為了改善結構或構件在某些使用條件下的工作性能和提高其強度。混凝土是一種抗拉強度較低、抗壓強度較高的脆性結構材料。為了防止混凝土結構由于抗拉強度低導致過早出現裂縫和變形，需在結構構件承受外荷載之前，對其預先施加一定的壓力，由此產生的預壓應力能夠部分或全部抵消由外荷載造成的拉應力，從而使結構構件的拉應力減小，即借助混凝土較高的抗壓能力來彌補其抗拉能力的不足，這就是預應力混凝土。

1.2 預應力混凝土的優點

與鋼筋混凝土相比，預應力混凝土結構具有以下優越性：

能夠提高構件的抗裂度、抗滲性，改善結構的受力性能。由于在構件的受拉區預先施加了預壓應力，在荷載作用下，拉區的拉應力會隨之減小，從而使裂縫的出現得以推遲，同時還可以限制裂縫的寬度，提高了構件的抗裂度。結構的抗裂度得到了提高，使結構的受力性能也得到改善，增強了結構的抗侵蝕和抗滲能力。

能夠提高構件的剛度，減小構件變形。一方面，由于預應力推遲了裂縫的出現并限制了裂縫的寬度，致使構件的剛度削弱較小，變形也會隨之減小；另一方面，由于預壓應力引起構件反拱，可以抵消一些使用階段由外荷載產生的繞度，構件的實際繞度也相應減小。通過計算和實測結果得知，預應力混凝土在短期荷載作用下的繞度一般僅為非預應力構件的50%左右。因此，預應力混凝土能夠滿足剛度要求。

節約材料，降低成本。由于預加應力使結構的抗裂度和剛度有所提高，從而減小了構件的截面尺寸，節約了混凝土的用量。另外，使鋼筋的作用得到充分發揮，一些高強度的材料得到有效的使用，減少了鋼筋構造，使鋼材的用量也隨之減少，工程成本也隨之降低。使用預應力混凝土的工程，一般可以節約混凝土40%左右，節約鋼材50%左右。

應用范圍廣。預應力混凝土結構由于提高了抗裂度和剛度，可以采用高強鋼材，結構自重減小，使其應用范圍擴大。

預加應力有利于裝配式混凝土結構的推廣。通過預應力筋可以將小塊構件拼裝成整體構件，從而為大型預制整體預應力建筑提供了在工廠預制的可能性。

2 預應力混凝土空間節點抗震性能研究

在地震作用下，預應力混凝土框架節點需經受很大的水平剪力，通常會產生剪切脆性破壞。另外，由于反復荷載的作用致使混凝土中的鋼筋粘結退化，節點區很容易發生鋼筋錨固破壞，從而使節點的剛度和強度等出現下降。我國現行的抗震規范中對混凝框架結構的要求，可大致概括為“強柱、弱梁、剛節點”，即當梁內的縱筋受力屈服時，柱筋處于彈塑性狀態，而節點則處于彈性階段，因此，可以說抗震規范中對節點的抗震要求是非常高的。

2.1 預應力混凝土框架節點的破壞過程

預應力混凝土框架節點在水平荷載作用下的受力情況如圖1所示。框架節點上下柱端和左右兩側梁端作用的彎矩符號是相反的，致使節點的核心區承受較大的水平和豎向剪力的共同作用，十分容易產生剪切破壞。

圖1 節點受力示意圖

在水平荷載的作用下，由于混凝土框架節點核心區受到斜向壓力和斜向拉力的共同作用，一旦斜向拉力大于混凝土的抗拉強度時，就會產生斜裂縫。當水平荷載反向作用時，則會在另一方想產生斜裂縫，從而導致形成交叉裂縫，此時核心區混凝土的剛度及其承載能力會逐漸下降。梁內的縱向鋼筋在節點一側受壓力作用，另一側受拉力作用，此時的節點核心區會產生較高的粘結應力，同時伴隨著彎矩的不斷增加，節點核心區的混凝土會產生較寬的裂縫甚至破碎，并且粘結力也會慢慢喪失，鋼筋逐漸出現滑移。當節點受壓區的粘結力基本喪失時，梁筋的粘結錨固會被破壞，此時梁相對柱會出現較大程度的轉動，伴隨著框架節點剛度的不斷下降，則會產生大量的側向位移，同時柱的抗彎承載力也會隨之降低。

在預應力混凝土配筋正常的前提下，框架節點核心區的受力過程一般會經歷以下幾個階段：

初裂階段。混凝土在水平加載的作用下，當核心區出現第一條斜裂縫時，此時的水平箍筋應力較小，框架節點也基本上處于彈性工作階段，建立主要還是由核心區的混凝土承擔。

通裂階段。當核心區的對角線出現主斜裂縫時，此時的水平箍筋應力會快速增長，而中部箍筋大多數出現屈服，從而導致框架節點的剛度明顯下降，進入彈塑性階段。

極限階段。當核心區的剪切變形發生成倍增加時，混凝土保護層則開始出現大面積剝落，此時的水平箍筋則處于完全屈服狀態，抗剪承載力也會相應的達到最大值。

破壞階段。當核心區的混凝土發生大塊剝落時，變形會不斷增加，此時的混凝土承載力大幅下降，致使混凝土被壓碎。

2.2 預應力混凝土框架節點受力特征

下面對預應力混凝土梁柱組合體的三種失效方式進行分析：

根據梁、柱端節點抗剪承載力和正截面承載力的強弱，該組合體將有可能出現以下三種比較典型的失效方式：

在梁端或柱端的受拉鋼筋屈服前，節點會出現剪切失效或剪切破壞。

在梁端或柱端的受拉鋼筋屈服到完全喪失正截面承載力之間，隨著梁柱組合體交替變形的不斷增大，節點會出現剪切失效或剪切破壞。

在梁端或柱端的受拉鋼筋屈服后，隨著梁柱組合體交替變形的不斷增大，梁端或柱端的塑性鉸充分轉動，致使梁端或柱端的正截面承載力完全喪失。在這一過程中，節點未發生剪切破壞或剪切失效。

通過對上述的三種失效方式進行分析，得出以下結論：在第一種失效方式下，框架無法達到預期的抗震水平，并且節點的延性很差，因此，這類失效方式不符合抗震要求；第二種失效狀態下，只要剪切破壞發生在框架層間，則仍可以滿足抗震要求；第三種失效方式下，梁端或柱端的塑性鉸區的延性和耗能性能可以得到充分發揮，如果節點的開裂在梁端或柱端屈服后的變形過程中也不會給框架的層問剛度和耗能性能帶來明顯不利的影響，則框架抗震性能要遠遠強于前兩種失效方式。

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