采用预应力与后张拉相结合方法的预制预应力混凝土梁-柱接头抗震性能的实验研究

《Journal of Building Engineering》：Experimental investigation on the seismic performance of precast prestressed concrete beam–column joints using a combined pre- and post-tensioning method

　　张继文|李星|郝天泽|杨玉超|闵新哲|顾胜|郝璐
东南大学土木工程学院，南京210096，中国

摘要
预应力预制整体浇筑结构（PPPICS）系统因其高施工效率和优异的结构完整性而被广泛应用于大跨度、重载工业建筑中。然而，预制梁与框架柱之间常用的钩式预应力筋连接在接头约束、力传递路径和裂缝控制方面仍存在局限性。为了解决这些问题，本文提出了一种结合预应力和后应力的梁柱连接方式，无需改变梁柱截面或总配筋率。该连接方式在接头区域引入后张力，以增强梁柱界面的夹紧效果，并优化预应力筋的力传递路径，从而提高梁端的负弯矩承载能力。通过对带有钩式锚固和后张力锚固的PPPICS梁柱接头试件进行静态和低循环反向加载试验，系统地比较了破坏模式、承载能力、变形性能、退化特性和能量耗散能力。此外，还利用智能预应力筋进行了应变监测，以分析力传递机制。结果表明，后张力接头连接显著减少了裂缝分布范围，初始刚度提高了约8.7%，负弯矩下的峰值荷载提高了约13.9%，并在大变形时表现出更好的强度保持和能量耗散性能。所有试件的最终位移角均超过4.0%，延性系数大于3.0，满足抗震设计规范要求。这种结合预应力和后应力的梁柱连接方式在不增加配筋的情况下显著提高了PPPICS接头的抗震性能和损伤可控性，为其工程应用提供了可靠的实验基础。

引言
预应力预制整体浇筑结构（PPPICS）系统结合了工厂控制的质量、现场快速组装和整体浇筑接头的优点，近年来在大型跨度、重载工业和物流建筑中得到了广泛应用（如图1所示）。除了结构优势外，PPPICS系统在施工效率和经济性能方面也表现出显著优势。使用高强度材料和表面光滑的混凝土消除了抹灰的需要，同时减少了钢材和混凝土的消耗量超过30%。此外，机械化和流水线施工显著提高了劳动生产率，减少了现场劳动力需求超过60%。由于高度预制和简化的施工流程，PPPICS系统可以将楼板施工成本降低超过200元/平方米，并将结构施工周期缩短超过40天，从而大幅提高整体项目效率。
在该系统中，预应力混凝土梁作为主要承力构件，而整体浇筑接头用于确保梁与柱之间的有效力传递。PPPICS系统的抗震性能高度依赖于梁柱连接处的力传递机制、接头区域的约束能力以及循环加载下的损伤演变[1][2][3]。震后调查和实验研究表明，梁柱接头及其相邻区域对预制混凝土框架的刚度退化、强度降低和延性相关的能量耗散至关重要[4][5][6]。
从系统发展的角度来看，当前工程实践中广泛采用的PPPICS系统仍可归类为基于预应力构件的系统，其中预应力仅施加在预制梁上，而接头区域本身保持非预应力状态。在这种配置下，预应力施加在预制梁上，通过预应力筋的钩式锚固实现梁柱连接（见图2）。尽管这种布置可以满足基本的承载能力要求，但工程经验表明，梁柱界面处的裂缝往往在早期就出现并迅速扩展，表明接头约束不足且损伤可控性有限。此外，随着建筑跨度和起重机荷载需求的不断增加，预应力筋通常在梁端密集布置并集中在接头核心区域以满足强度要求。这种做法经常导致严重的配筋拥挤、混凝土浇筑困难以及锚固区施工质量下降。此外，钩式锚固的预应力筋容易产生应力集中和锚固效率降低[7][8]。在低循环循环加载下，此类连接通常表现出明显的挤压行为、加速的刚度和强度退化以及残余变形的累积，这不利于实现低损伤和可修复的抗震设计目标。
近年来，关于预制预应力混凝土框架连接的研究主要集中在两个技术方向：提高等效的整体浇筑性能和实现低损伤、自复位抗震性能。对于湿式连接，廖等人[9]、陈等人[10]和李等人[11]的实验和数值研究表明，灌浆套筒锚固长度、界面粗糙度和接头核心约束显著影响裂缝发展和刚度退化。对于干式和半干式连接，由于其出色的自复位能力，未粘结后张力得到了广泛应用。黄等人[12]和沈等人[13]的研究表明，后张力可以通过界面夹紧有效减少残余变形；然而，仅依赖预应力的接头通常表现出有限的能量耗散和明显的挤压行为。为了改善滞回性能，冯等人[14]、卢等人[15]和张等人[16]在预应力接头中引入了基于摩擦的能量耗散器或可更换的耗散组件，显著提高了能量耗散能力和滞回稳定性。此外，鲁等人[17]和金等人[18]提出了分离锚固或悬垂预应力配置，以促进预应力在梁端负弯矩区域的更有效参与，从而延迟混凝土破坏和改善峰值后的强度退化行为。另外，郑等人[19]和Pekgokgoz等人[20]通过参数分析和基于性能的评估方法系统研究了预应力水平、能量耗散比和次级刚度对自复位系统抗震韧性的影响，为连接参数化和设计提供了坚实的基础。然而，现有研究主要集中在全后应力或干式/半干式组装系统上。对于采用预应力预制梁和整体浇筑接头的PPPICS系统，常用的钩式锚固连接在结构合理性、力传递优化和裂缝控制方面仍缺乏针对性的改进。

基于现有研究的不足，本研究提出了一种保持原始尺寸和配筋比的结合预应力和后应力的梁柱连接方式。通过在接头区域引入后张力，该连接增强了界面夹紧效果和整体约束，同时优化了预应力筋的力传递路径，从而提高梁端的负弯矩承载能力。需要注意的是，在实际工程应用中，严格控制施工精度和后张力操作对于确保预应力梁柱连接的可靠性至关重要。为了验证所提出的概念，设计并制造了两种类型的PPPICS梁柱子组件，即传统的钩式锚固接头和后张力接头。进行了单调和准静态循环试验，以比较不同连接方案的破坏模式、承载能力、变形、延性、刚度和强度退化以及能量耗散。此外，对预应力筋的应变测量提供了力传递机制的见解。结果为优化PPPICS梁柱连接及其在工程结构中的实际应用提供了实验依据。

**试件设计**
本研究聚焦于采用结合预应力和后应力方法的预制预应力混凝土梁柱接头，梁柱接头试件是根据代表性的工业厂房结构设计的。采用1:3.2的几何缩放比构建实验接头。考虑到连接配置和加载协议的影响，设计并制造了四种梁柱接头试件。

**破坏模式**
本研究重点关注在不同加载水平下，接头核心区域及梁-柱界面附近800毫米范围内的裂缝发展和混凝土损伤演变。实验结果表明，所有试件在柱顶施加侧向位移时表现出相似的裂缝演变和破坏模式。最终破坏始终发生在距离梁柱界面约600毫米处的预制梁内，而只有轻微的裂缝...

**力传递机制分析**
两种梁柱接头配置在实验中表现出明显的不同抗震性能，这主要归因于接头区域内预应力筋不同锚固方案导致的不同力传递机制。基于实验观察、滞回响应、刚度退化特性以及来自智能预应力筋的应变监测结果，对力传递进行了比较分析...

**结论**
通过对不同预应力锚固形式的PPPICS梁柱接头进行单调和准静态循环试验，系统研究了所提出的结合预应力和后应力连接的抗震性能、损伤演变和力传递机制。主要结论如下：
(1) 通过弯曲梁端部分底部预应力筋并在接头区域引入后张力，而不改变梁柱...

**作者贡献声明**
杨玉超：撰写——审阅与编辑、研究。
郝天泽：撰写——初稿、形式分析。
李星：撰写——初稿、项目管理、研究、形式分析。
张继文：监督、数据管理、概念化。
郝璐：方法论、研究。
顾胜：撰写——初稿、研究。
闵新哲：撰写——审阅与编辑、研究、形式分析。

**利益冲突**
作者声明没有已知的竞争性财务利益或可能影响本文工作的个人关系。

**资助**
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52408201和52408181）和江苏省自然科学基金（项目编号BK20230703）的财政支持。

**利益冲突声明**
我们希望引起编辑的注意，以下事实可能被视为潜在的利益冲突和对本工作的重大财务贡献：
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