专题导读 | 《工业建筑》第10期“预应力技术及其工程应用”专题

1.中冶建筑研究总院有限公司

2.清华大学土木工程系

3.北京工业大学城市建设学部

摘要：预应力混凝土结构自引入我国以来，经历了几十年消化吸收和再创新过程，已成为实现结构性能再提升和满足多样化设计需求的重要结构形式之一，应用广泛，且目前已建成了大量的预应力混凝土建、构筑物。从发展历程、性能评价需求、预应力检测监测技术、服役性能评价方法等方面阐述了预应力混凝土结构服役性能评价领域的关键技术和发展现状；从理论、技术、应用三方面展望了预应力混凝土结构未来发展趋势；重点提出了不确定性评价理论、材料-结构一体化评价技术和智能化服役性能评价方法等未来发展方向；旨在为预应力混凝土结构领域研究和实践提供参考。

表2 各类检测方法成熟度统计

   同济大学土木工程学院

摘要：预制预应力混凝土结构兼有预制混凝土结构和预应力混凝土结构的特点，在建筑和基础设施领域中具有良好的应用前景。系统总结了包括本课题组在内的国内外研究团队关于预制预应力混凝土框架、剪力墙和综合管廊结构受力性能的研究进展，研究对象主要包括预制预应力混凝土框架结构(预制节点核心区和现浇节点核心区两类)、预制预应力混凝土剪力墙结构和预制预应力混凝土综合管廊结构。已有研究表明：上述三种预制预应力混凝土结构均具有良好的承载力和变形恢复能力；采用现浇节点核心区的框架结构总体抗震性能“等同现浇”,而相比之下，采用预制节点核心区的预制预应力混凝土框架结构则具有典型的半刚性特征，延性和耗能稍差；预制预应力混凝土剪力墙结构在地震作用下的变形以刚体转动为主，墙体自身损伤和残余变形均较小，延性和耗能较差；预制预应力混凝土综合管廊整体结构具有良好的防水性能、较高的承载力与变形恢复能力。此外，还介绍了上述三种预制预应力混凝土结构的工程应用和技术标准现状。最后，对预制预应力混凝土结构的研究方向进行了展望。

图19 双舱预应力槽型拼装综合管廊试验结果^[56]

1.浙江大学建筑工程学院

2.同济大学土木工程学院

3.中冶建筑研究总院有限公司

摘要：预应力结构作为桥隧结构的主要构件常服役于高湿或变湿环境，为了研究预应力梁在不同环境湿度下的长期变形发展及长期预应力损失，基于DuCOM-COM3多场多尺度有限元计算程序对不同环境湿度下的预应力混凝土结构进行了有限元分析，并与试验结果进行对比，结果表明：混凝土梁的预应力损失受到环境湿度的影响，环境湿度增大有利于减小构件的长期变形从而减缓预应力结构的预应力损失与长期挠度。这表明基于多尺度微观孔隙结构的材料本构可以考虑孔隙结构的微观变形，通过计算混凝土材料内部的微观行为和水分传输可以得到混凝土结构的力学性能。通过对比试验与计算证明了混凝土结构的多场多尺度分析能分析变化的环境对预应力混凝土结构的长期性能的影响。通过水-热-力学耦合的多场多尺度分析机理，模拟环境湿度为40%、60%以及80%情况下的预应力混凝土梁的预应力损失与长期挠度情况。得出环境湿度大小与收缩、徐变以及长期变形、预应力损失情况之间的关系。

图14 饱和度与长期变形的相互作用(梁左端为固支端,时间为加载后第30天)

  1.东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室

  2.中冶建筑研究总院有限公司

摘要：为了促进装配式混凝土框架在强震区的应用，针对一种新型预应力装配式混凝土框架-屈曲约束支撑体系(BRB-PPCF)，进行了20条地震波作用下6、9和12层BRB-PPCF算例的动力时程分析。结果表明：在罕遇地震烈度和极罕遇地震烈度下，BRB-PPCFs的最大层间位移角(θ_max)平均值均远小于2.0%，最大残余层间位移角(θ_r)均小于0.5%。随BRB-PPCF中抗弯子框架(MSF)与抗侧子桁架(TSS)的层间初始刚度比α_c的减少，BRB-PPCFs的θ_max和θ_r均逐渐减少，可有效提升其抗震能力和震后可恢复性能。在线性极限状态下MSF的层间剪力与在屈服时TSS的层间剪力的比值ψ增加，BRB-PPCFs的θ_max和θ_r均表现出先减少后增加，但影响相对较小。预应力筋的初张应力与其比例极限强度的比值σ_pi/σ_pl对BRB-PPCF的θ_max和θ_r的影响可以忽略。

图11 第三组算例的最大残余层间位移角

   1.南京交通职业技术学院

   2.南京林业大学土木工程学院

   3.中冶建筑研究总院有限公司

   4.贵州大学空间结构研究中心

摘要：传统自复位混凝土框架的刚度和耗能能力不易满足结构的大震需求，使结构在地震过程中的层间位移角过大。且为满足结构的完全复位，须对预应力筋进行高张拉，进一步降低了结构的耗能比β。提出的坡面摩擦低预应力自复位混凝土(SF-SCPC)框架结构将低预应力和高耗能比β引入到自复位混凝土框架中，允许结构出现一定的残余位移，从而实现结构在罕遇地震下的高耗能。以某8度设防地区的钢筋混凝土结构为原型，分别设计了低预应力坡面摩擦半自复位混凝土(SF-PSCPC)框架、带平面摩擦耗能器的半自复位混凝土(PF-PSCPC)框架和带坡面摩擦耗能器的完全自复位混凝土(SF-CSCPC)框架。对结构进行设防烈度地震、罕遇地震和极罕遇地震下的非线性动力时程分析，研究了耗能器形式与初始预应力等参数对层间位移角、残余层间位移角和梁柱损伤等结构抗震性能指标的影响。结果表明：在预应力自复位混凝土框架中充分结合坡面摩擦耗能机制和低预应力复位机制可有效降低结构的层间位移角，减少主体构件的损伤；SF-PSCPC框架中的节点滞回曲线面积明显大于PF-PSCPC框架和SF-CSCPC框架，表现出较高的耗能能力；SF-PSCPC结构在罕遇地震下虽有一定的残余位移，但均小于结构经济可修的限值。

图11 框架柱内力

   1.北京建筑大学土木与交通工程学院

   2.中冶建筑研究总院有限公司

   3.中国建筑科学研究院有限公司

   4.北京建筑大学理学院

摘要：根据预应力混凝土叠合受弯构件受力机理提出了考虑施工阶段与使用阶段两阶段受力的先张法预应力混凝土叠合梁使用阶段钢筋应力计算方法，填补了我国现行规范空白，并修正了规范中预应力混凝土叠合梁使用阶段裂缝宽度计算方法。参考美国ACI 318规范通过名义拉应力控制预应力构件裂缝的有关规定，基于具体工程提出了我国规范体系下先张法预应力混凝土T形叠合梁针对不同裂缝限值的名义拉应力控制建议值。

表4 我国规范体系下各状态预应力非叠合构件名义拉应力限值

1.同济大学建筑工程系

2.同济大学 先进土木工程材料教育部重点实验室

3.华东建筑设计研究院有限公司

摘要：为了探究预应力混凝土多齿块厚板锚固区的受力分布特征，以上海大歌剧院旋转楼梯中最长一根悬挑梁的锚固区为研究对象，进行了足尺试验。通过对各齿块预应力筋分批施加张拉力，得到了拉应力集中位置处钢筋和混凝土的应力发展规律。建立了有限元模型并进行了参数分析，得到了多齿块厚板锚固区的力流分布特征和各因素对锚固区局部作用效应的影响规律。试验和有限元计算结果表明：多齿块厚板锚固区中局部弯曲效应不明显，且只有最后的齿块存在锚后牵拉效应；各齿块的锚下劈裂效应、悬臂效应和径向力效应相互独立；板内抵抗水平剪力的箍筋应力随着各齿块预应力筋的张拉而不断累积；厚板中锚下劈裂效应引起的拉应力流主要分布在锚下一半齿块长度范围内；锚后牵拉效应力存在分叉的现象；齿块角度越大，锚后牵拉效应和悬臂效应越小；板厚越小、齿块距离板前端越远，局部弯曲效应越大。

图23 板厚的影响

1.中建研科技股份有限公司

2.北京建筑大学土木与交通工程学院

3.深圳市方大建科集团有限公司

摘要：以中金大厦索网幕墙的设计为案例，研究了一种跨转角微曲面索网幕墙的分析和设计方法，从索网结构整体分析计算、关键节点分析、幕墙系统设计等方面提出了关键技术细节。采用“微曲面”的单层索网结构支撑的建筑幕墙，可以实现建筑立面转角的造型需求；对索网结构整体分析时，除应考虑主体结构刚度和施工过程的影响外，还应考虑索网节点处不同构件之间的空间关系；幕墙系统设计时应重点关注玻璃面板支撑点在幕墙平面内、外的位移，严格控制面板翘曲，采取措施防止面板滑移出连接件范围。

图12 节点分析计算模型

   1.上海市建筑科学研究院有限公司,上海市工程结构安全重点实验室

   2. 上海建科预应力技术工程有限公司

摘要：进行了4组12个预应力胶合木-混凝土组合梁试件的受弯试验，试验参数为抗剪连接型式，包括凹槽连接、凹槽加螺钉连接、多种组合连接。结果表明：预应力胶合木-混凝土组合梁试件的主要破坏模式为木材的受弯破坏；对于同样采用凹槽加螺钉连接的组合梁试件，施加预应力后的平均受弯承载力提高了20.3%、破坏刚度提高了10.1%。组合梁试件破坏时，剪力连接处发生明显的滑移；采用凹槽加螺钉连接的组合梁试件在破坏时整体性和受弯承载力均优于其余两组组合梁试件，连接效果较好。

图10 荷载-跨中截面应变分布

   1.北京城建设计发展集团股份有限公司

   2.重庆大学

摘要：预应力型钢混凝土(简称PSRC)是预应力混凝土技术和型钢组合结构技术的优势结合，可为实现更大跨度、更大空间的建筑创造条件。PSRC连续梁的塑性内力重分布和弯矩调幅具有不同特点，现有研究极少见于报道，国家相关规范也无规定，因此有必要对PSRC连续梁的弯矩调幅理论进行研究。通过对2根4 m+4 m的两跨PSRC连续梁塑性内力重分布和弯矩调幅试验以及一系列PSRC连续梁算例的非线性模拟计算分析，研究支座截面相对受压区高度、支座与跨中强度比、含钢率及次弯矩对PSRC连续梁塑性内力重分布和弯矩调幅的影响规律。

图8 支座与跨中强度比的影响

   1.同济大学土木工程学院

   2.中冶南方工程技术有限公司

摘要：为了预测混凝土的非线性徐变，需要建立合理的混凝土细观有限元模型。从混凝土非线性徐变的计算方法和原理出发，采用ABAQUS有限元分析软件并通过二次开发构建了考虑骨料、砂浆基质及界面过渡区的细观三相混凝土数值模型。研究提出了“骨料放缩法”以在二相有限元模型中生成均匀的界面过渡区，并用于后续建立三相模型。在考虑线性徐变的基础上引入损伤引起的应变增量，可有效模拟非线性徐变效应。细观三相混凝土数值模型成功模拟了混凝土的复杂细观结构，并通过递推公式计算了混凝土徐变，对混凝土在持荷后应变变化的模拟效果良好。最后通过已有混凝土圆柱体和棱柱体试件的徐变试验数据验证了模型的准确性。

图15 棱柱体试件在7 d加载龄期不同应力下加载的徐变曲线