预应力CLT剪力墙中的预应力损失：基于六年实验研究的预测与设计方法

《Journal of Building Engineering》：Post-tensioning force losses in post-tensioned CLT shear walls: Predictions and design methodology based on six-year experimental investigations

　　

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  文中提供了2240天的试验数据，用于研究预应力胶合木（CLT）剪力墙的性能。
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  开发了一个数值模型，用于预测预应力CLT剪力墙中的预应力损失。
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  开发了一个分析模型，为预应力CLT剪力墙提供了直接适用的设计方法。
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  研究了预应力损失在50年使用寿命中的变化情况。

引言

在过去十年中，由于快速城市化及其相关的环境问题，中高层木结构建筑在全球范围内受到了越来越多的关注。交叉层压木（CLT）剪力墙作为中高层木结构建筑的主要结构解决方案，在地震频发地区尤为突出[1]、[2]、[3]。在传统的CLT剪力墙中，墙板通过固定件和角撑连接到楼板（或基础）上。如果设计得当，传统的CLT剪力墙可以实现较高的平面刚度和良好的抗侧向载荷能力[4]。然而，这些固定件和角撑在强地震中往往容易发生局部损伤和过度变形[5]、[6]、[7]。这些观察结果表明，传统CLT剪力墙的侧向性能因这些连接的过早失效而受到影响，同时CLT板的高强度也未能得到充分利用。此外，固定件和角撑的严重损坏还会导致强地震后建筑停工时间和修复成本上升。

为了应对固定件和角撑过早失效的问题以及不可接受的建筑停工时间和修复成本，人们进行了大量的研究。一种有前景的解决方案是在CLT剪力墙中加入预应力 tendon，形成预应力CLT剪力墙[8]、[9]、[10]。这种技术在新西兰和瑞士的多层木结构建筑中得到了成功应用[11]，先前的研究一致表明它们具有低损伤特性。例如，Ho等人[12]通过循环试验评估了预应力CLT剪力墙的抗震性能，发现它们具有出色的自复位能力且结构损伤最小。Ganey等人[13]研究了加入了U形柔性板的预应力CLT剪力墙，结果表明，预应力 tendon中的初始应力必须足够大，以在有效线性极限下确保所需的性能。Tatar等人[14]在预应力CLT剪力墙和基础之间安装了摩擦阻尼器，结果表明该阻尼器提供了稳定的能量耗散并增强了剪力墙的自复位能力。Pei等人[15]、[16]对配备预应力CLT剪力墙的两层和十层木结构建筑进行了全尺寸摇台试验，结果显示即使在多次强烈地面震动下，这些建筑也能重新对准而不会产生意外的结构损伤。Brown等人[17]对预应力CLT剪力墙系统进行了大规模的实验研究，发现降低初始预应力水平可能会增加预应力CLT剪力墙的残余位移。Zhu等人[18]评估了带有U形柔性板的三层、六层和九层建筑，研究表明PT-CLT墙在加拿大高地震风险地区是一种有效的抗震系统。他们进一步评估了预应力CLT剪力墙的加拿大地震力修正系数，发现R? = 1.5和Rd = 4满足设计建筑的性能要求[19]。

随着预应力CLT剪力墙在结构应用中获得的认可度逐渐提高，也需要特别关注其长期性能，因为：（1）CLT在长期荷载下会表现出时间依赖的蠕变行为[20]、[21]；（2）木材的蠕变会导致预应力CLT剪力墙中的预应力损失，这对其自复位能力有显著影响[13]、[17]、[22]、[23]。需要注意的是，木材中的蠕变有两种类型：正常蠕变和机械-吸湿蠕变。正常蠕变与含水量无关，而机械-吸湿蠕变则是由于荷载与含水量变化之间的耦合引起的。尽管相关研究较少，但已有研究探讨了CLT剪力墙的长期性能。Nguyen等人[24]、[25]对CLT板进行了含水量和120天蠕变试验，在试验中保持CLT试件的压缩应力恒定，并利用实验数据开发了一个数值模型来预测预应力CLT剪力墙的时间依赖蠕变响应。He等人[26]对预应力CLT剪力墙进行了540天的实验研究，评估了其在三种应力比（20%、30%和40%）下的长期性能。还建立了一个湿机械数值模型来模拟预应力CLT剪力墙的时间依赖行为，结果显示540天后三种应力比的平均最大损失百分比分别为8.6%、8.4%和7.7%。基于该湿机械数值模型，Zheng等人[27]进一步进行了参数分析，为提高预应力CLT剪力墙在长期荷载下的安全性提供了实用建议。Gesh等人[28]在控制的环境条件下对三栋预应力CLT剪力墙进行了10.5个月的测试，旨在开发一个蠕变模型以预测其长期结构行为。

尽管现有的研究为预应力CLT剪力墙的长期性能提供了宝贵的见解，但由于以下两个原因，仍需要全面的调查：

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  在实际应用中，预应力CLT剪力墙的设计使用寿命通常超过几十年。因此，需要更长时间的监测实验来进一步了解其预应力损失情况。
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  目前仍缺乏能够估算预应力损失并优化预应力CLT剪力墙设计的方法。

本文开发了一个优化的数值模型，用于预测预应力CLT剪力墙中的预应力损失。该模型通过六个年度（2240天）的试验数据进行了验证，并用于评估50年使用寿命内的预应力损失。此外，还开发了一个分析模型，为预应力CLT剪力墙提供了直接适用的设计方法。

章节摘录

预应力CLT剪力墙的长期试验概述

本研究在He等人[26]报告的540天试验基础上，提供了预应力CLT剪力墙六年内（2240天）的长期性能数据。长期试验在中国上海的一个非受控室内环境中进行。图1和表1概述了这些长期试验。试验使用了三个预应力CLT剪力墙试件（W1、W2和W3）。

预应力损失预测的数值模型

图2展示了用于预测预应力CLT剪力墙预应力损失的数值模型的计算框架。该计算框架由四个模块组成：水分扩散分析、时间依赖的弹性变形计算、时间依赖的蠕变和环境变形分析以及预应力更新。它扩展了He等人[26]之前开发的模型的核心方法（称为“原始模型”）。

2240天内的预应力损失

本研究利用了2240天的长期试验数据来评估优化后的数值模型的有效性。图4展示了原始模型和优化模型以及实验结果。结果表明，预测的预应力损失与实验结果均呈下降趋势，但优化模型与实验结果更为吻合。

模型描述

尽管数值模型是预测预应力CLT剪力墙预应力损失的有效工具，但它通常需要大量的计算资源。为此，本节介绍了一种简化的分析模型，为设计人员提供了直接适用的预应力设计方法。

该分析模型基于Fragiacomo和Davies[30]、[31]提出的封闭形式解开发而成。

结论

本文提出了预应力CLT剪力墙预应力损失的预测和方法。开发了一个数值模型用于预测预应力损失，并通过三个预应力CLT剪力墙试件的2240天试验数据进行了验证，用于评估50年使用寿命内的预应力损失。此外，还开发了一个分析模型，为预应力CLT剪力墙提供了直接适用的设计方法。

CRediT作者贡献声明

He Minjuan：撰写、审阅与编辑、概念构思、方法论。 Fu Haiyan：验证、正式分析。 Wang Xijun：撰写初稿、方法论、研究、资金获取。 Ma Yufan：撰写初稿、研究、数据整理。 Li Zheng：撰写、审阅与编辑、验证。

数据可用性

数据可按需提供。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的利益冲突或个人关系。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（拨款编号：52408207）对这项研究的支持。