手册-预应力砌体结构构件的抗震设计手册.doc

--

第十六章预应力砌体房屋抗震设计
为提高砌体房屋墙体的抗震性能，英国等国家将预应力筋沿墙长均匀布置在空腔或预留孔洞中并逐一张拉、锚固甚至灌浆，以保护预应力筋并与砌体共同工作，然而，这给施工带来诸多不便[1]。
为克服均匀配筋所存在的问题并同样达到提高砌体墙在平面内的抗震性能的最终目的，笔者研究了基于带构造柱组合墙的“集中式预应力抗震砖墙的设计方法”。通过大量墙片和多层房屋模型乃至加固已破坏模型等不同类型的预应力与非预应力结构的对比试验，得出了不仅能提高组合墙平面内的抗裂、承载与变形能力，尚能全面改善其抗震性能的重要结论[2][3][4][18][19]，与此同时也提高了其出平面偏心受压性能。这一原理和技术的应用对改善和增强砌体房屋的抗震性能，具有十分重要的现实意义。兹就其受力特点和设计方法简介于后。
受力机理与特点
一、集中式预应力砌体结构的基本原理与构造特点
1、如图16-1-1所示，在1︰2带构造柱组合砌体墙模型的构造柱中，后张法张拉预应力钢筋并锚固于刚度加大的顶层圈梁顶面，通过圈梁对其下砌体墙的弹性地基梁作用，将预压应力逐步扩散至砌体墙中，从而以弹性压力的方式提高砌体摩擦抗剪强度并最终提高其抗震承载力[2][3][4]。

图16-1-1集中式预应力砖墙试件示意图
2、由图16-1-2所示预应力砖墙圈梁下砌体预压应力的分布，可知其实测值与计算值（括号内数值）相当吻合，表明其弹性地基梁作用十分显著。于是通过构造柱内预应力筋的张拉实现对砖墙的预压是完全有效的[2]。
3、文献[3]表明，通过图16-1-3所示的梁柱节点处的30mm厚预留缝，将柱内预应力筋的张拉力之90~80%（视墙体开洞与否）通过圈梁传递至砌体墙上，而仅有10～20%通过柱内非预应力筋传给构造柱。尽管预留缝以

图16-1-2弹性地基梁下的预压应力分布
下的大部分墙柱界面有很强的整体性，但却由于砌体收缩（烧结砖墙）远小于混凝土（）[16]，所以不致产生砌体所受预压应力通过界面剪应力较多地重返给构造柱的现象，从而确保有效预应力的建立。
当然，在完成预应力张拉、锚固后，需用不低于构造柱混凝土等级的细石混凝土或高强砂浆嵌缝，以形成整体性足够的刚性节点。
4、当采用先张法施工时，由于构造柱混凝土系在预应力筋张拉锚固后方才浇筑，故能建立更高的墙体预压应力。其构造特点是除圈梁和楼、屋盖梁均应预留预应力筋孔道外，构造柱内不必预留孔道。圈梁和楼、屋盖梁端底面也不必预留30~50mm厚嵌缝，而可直接浇筑柱内混凝土。此外尚应验算构造柱混泥土未浇筑或未达到一定强度时，房屋结构的抗风承载力，此时现浇楼、屋盖是协调房屋各墙片共同受力的基本保证。

(a)无楼、屋盖梁方案（b）有楼、屋盖梁方案
图16-1-3后张法张拉梁柱节点的预留缝
二、预应力砌体墙的抗震性能
1、尽管图16-1-1试件预应力筋为冷拉Ⅱ级钢筋，其张拉控制应力也很低（），墙体预压应力仅为，但却能提高无洞墙抗裂荷载30%和极限荷载24.7%[2]；开洞墙分别提高27%和17.8%；当开洞墙时，则分别提高41%和59.7%[5]；的三层预应力模型房屋较非预应力房屋分别提高14%和31%[7]；加固后的预应力模型房屋两者均提高14%[19]；文献[18]的和的抗裂和极限荷载提高的比例还大得多。综上所述，可知：
（1）无论单层或多层，墙片或房屋，烧结砖或蒸压粉煤灰砖砌体，开洞与否，预应力大小，其抗裂与抗震承载力均高于相应的非预应力砌体结构。
（2）在一定的预应力度情况下，砌体墙的抗震承载力随预应力度的提高而增高。
（3）水平加载下开洞墙体的抗裂及承载力必因其抗侧刚度的削弱而有所降低，但施加预应力能弥补开洞的损失以致其抗震承载力与无洞非预应力墙相近[5]。
（4）多层模型房屋因弯曲效应的存在而削弱墙体抗剪承载力，但预应力能提高房屋抗弯刚度和承载力。这也是结构抗震中的必须注意的重要方面。
2、预应力砌体墙开裂及破坏前夕，由于墙体的往复位移，产生了越来越难以闭合的交叉斜裂缝，使墙体总体上“膨胀”，甚至墙体的三角形脱离体将左右两边柱挤向外侧面而受弯，致使预应力筋的张拉力反而增高，于是在截面计算中可引入预应力提高系数，对抗裂和承载分别为1.1和1.3[3]。
3、预应力能有效提高墙体的变形、延性、耗能和延缓刚度退化的性能，从而全面提高砌体墙的抗震能力[4][5][7][8][18][19]。
4、尽管墙体开洞大大削弱其刚度，但施加预应力却能予以弥补，以致其抗裂及承载力不致低于无洞非预应力墙[5]。
5、通过三层1:2砖房的空间模型及其破坏后的加固模型的低周反复加载试验，进一步证实了预应力对砌体结构抗震性能的增强作用[7][8][9][19][20]。
6、采用“变摩擦系数剪摩理论”的抗剪强度公式和一般的力学分析方法[6][16]