预应力混凝土空间节点抗震性能研究

杨晓东

（烟台市黄海建筑工程有限公司，山东 烟台 264000）

预应力混凝土框架节点的受力情况比较复杂，并且施工也较为困难，属于建筑结构的关键部位。根据对大量的震害进行研究，结果表明，框架节点是结构抗震中较为薄弱的环节。因此，必须重视框架节点的抗震能力。本文就预应力混凝土空间节点抗震性能进行研究，仅供参考。

1 预应力混凝土的原理和优点

1.1 预应力混凝土的原理

预应力是在结构或构件使用前施加的永久性应力，主要是为了改善结构或构件在某些使用条件下的工作性能和提高其强度。混凝土是一种抗拉强度较低、抗压强度较高的脆性结构材料。为了防止混凝土结构由于抗拉强度低导致过早出现裂缝和变形，需在结构构件承受外荷载之前，对其预先施加一定的压力，由此产生的预压应力能够部分或全部抵消由外荷载造成的拉应力，从而使结构构件的拉应力减小，即借助混凝土较高的抗压能力来弥补其抗拉能力的不足，这就是预应力混凝土。

1.2 预应力混凝土的优点

与钢筋混凝土相比，预应力混凝土结构具有以下优越性：

能够提高构件的抗裂度、抗渗性，改善结构的受力性能。由于在构件的受拉区预先施加了预压应力，在荷载作用下，拉区的拉应力会随之减小，从而使裂缝的出现得以推迟，同时还可以限制裂缝的宽度，提高了构件的抗裂度。结构的抗裂度得到了提高，使结构的受力性能也得到改善，增强了结构的抗侵蚀和抗渗能力。

能够提高构件的刚度，减小构件变形。一方面，由于预应力推迟了裂缝的出现并限制了裂缝的宽度，致使构件的刚度削弱较小，变形也会随之减小；另一方面，由于预压应力引起构件反拱，可以抵消一些使用阶段由外荷载产生的绕度，构件的实际绕度也相应减小。通过计算和实测结果得知，预应力混凝土在短期荷载作用下的绕度一般仅为非预应力构件的50%左右。因此，预应力混凝土能够满足刚度要求。

节约材料，降低成本。由于预加应力使结构的抗裂度和刚度有所提高，从而减小了构件的截面尺寸，节约了混凝土的用量。另外，使钢筋的作用得到充分发挥，一些高强度的材料得到有效的使用，减少了钢筋构造，使钢材的用量也随之减少，工程成本也随之降低。使用预应力混凝土的工程，一般可以节约混凝土40%左右，节约钢材50%左右。

应用范围广。预应力混凝土结构由于提高了抗裂度和刚度，可以采用高强钢材，结构自重减小，使其应用范围扩大。

预加应力有利于装配式混凝土结构的推广。通过预应力筋可以将小块构件拼装成整体构件，从而为大型预制整体预应力建筑提供了在工厂预制的可能性。

2 预应力混凝土空间节点抗震性能研究

在地震作用下，预应力混凝土框架节点需经受很大的水平剪力，通常会产生剪切脆性破坏。另外，由于反复荷载的作用致使混凝土中的钢筋粘结退化，节点区很容易发生钢筋锚固破坏，从而使节点的刚度和强度等出现下降。我国现行的抗震规范中对混凝框架结构的要求，可大致概括为“强柱、弱梁、刚节点”，即当梁内的纵筋受力屈服时，柱筋处于弹塑性状态，而节点则处于弹性阶段，因此，可以说抗震规范中对节点的抗震要求是非常高的。

2.1 预应力混凝土框架节点的破坏过程

预应力混凝土框架节点在水平荷载作用下的受力情况如图1所示。框架节点上下柱端和左右两侧梁端作用的弯矩符号是相反的，致使节点的核心区承受较大的水平和竖向剪力的共同作用，十分容易产生剪切破坏。

图1 节点受力示意图

在水平荷载的作用下，由于混凝土框架节点核心区受到斜向压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强度时，就会产生斜裂缝。当水平荷载反向作用时，则会在另一方想产生斜裂缝，从而导致形成交叉裂缝，此时核心区混凝土的刚度及其承载能力会逐渐下降。梁内的纵向钢筋在节点一侧受压力作用，另一侧受拉力作用，此时的节点核心区会产生较高的粘结应力，同时伴随着弯矩的不断增加，节点核心区的混凝土会产生较宽的裂缝甚至破碎，并且粘结力也会慢慢丧失，钢筋逐渐出现滑移。当节点受压区的粘结力基本丧失时，梁筋的粘结锚固会被破坏，此时梁相对柱会出现较大程度的转动，伴随着框架节点刚度的不断下降，则会产生大量的侧向位移，同时柱的抗弯承载力也会随之降低。

在预应力混凝土配筋正常的前提下，框架节点核心区的受力过程一般会经历以下几个阶段：

初裂阶段。混凝土在水平加载的作用下，当核心区出现第一条斜裂缝时，此时的水平箍筋应力较小，框架节点也基本上处于弹性工作阶段，建立主要还是由核心区的混凝土承担。

通裂阶段。当核心区的对角线出现主斜裂缝时，此时的水平箍筋应力会快速增长，而中部箍筋大多数出现屈服，从而导致框架节点的刚度明显下降，进入弹塑性阶段。

极限阶段。当核心区的剪切变形发生成倍增加时，混凝土保护层则开始出现大面积剥落，此时的水平箍筋则处于完全屈服状态，抗剪承载力也会相应的达到最大值。

破坏阶段。当核心区的混凝土发生大块剥落时，变形会不断增加，此时的混凝土承载力大幅下降，致使混凝土被压碎。

2.2 预应力混凝土框架节点受力特征

下面对预应力混凝土梁柱组合体的三种失效方式进行分析：

根据梁、柱端节点抗剪承载力和正截面承载力的强弱，该组合体将有可能出现以下三种比较典型的失效方式：

在梁端或柱端的受拉钢筋屈服前，节点会出现剪切失效或剪切破坏。

在梁端或柱端的受拉钢筋屈服到完全丧失正截面承载力之间，随着梁柱组合体交替变形的不断增大，节点会出现剪切失效或剪切破坏。

在梁端或柱端的受拉钢筋屈服后，随着梁柱组合体交替变形的不断增大，梁端或柱端的塑性铰充分转动，致使梁端或柱端的正截面承载力完全丧失。在这一过程中，节点未发生剪切破坏或剪切失效。

通过对上述的三种失效方式进行分析，得出以下结论：在第一种失效方式下，框架无法达到预期的抗震水平，并且节点的延性很差，因此，这类失效方式不符合抗震要求；第二种失效状态下，只要剪切破坏发生在框架层间，则仍可以满足抗震要求；第三种失效方式下，梁端或柱端的塑性铰区的延性和耗能性能可以得到充分发挥，如果节点的开裂在梁端或柱端屈服后的变形过程中也不会给框架的层问刚度和耗能性能带来明显不利的影响，则框架抗震性能要远远强于前两种失效方式。

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