预应力砌体结构构件的抗震设计手册.docx

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预应力砌体结构构件的抗震设计手册

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。

第一节受力机理与特点

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]对文献[2]、[5]、[7]、[9]、[20]进行抗震抗剪强度的计算，表明计算值与实测值吻合较好。

第二节预应力的设计

一、预应力筋及锚具和张拉控制应力

1、预应力筋及锚具的类别可根据其型号和形式、砌体结构的特点和施工技术条件来选择（详文献[15]），一般以粗钢筋和螺丝端杆锚具最为常见，其施工方便，成本低廉。

2、预应力筋的张拉控制力，可参照文献[15]依照先张法和后张法分别取值。

对房屋层数不多，总高不大，构造柱间距（应）不大和抗震设防烈度不高的情况，可取值偏低，以更能适应张拉设备条件的限制并使砌体房屋具有较大的延性，否则酌情提高。

二、预应力损失的计算

1、张拉端锚具变形及钢筋回缩引起的预应力损失

（1）文献]15]方法

表16-2-1

锚具类别

a

支承式锚具

（钢丝束镦头锚具等）

螺帽缝隙

1

每块后加垫板的缝隙

1

锥塞式锚具（钢丝束的钢质锥形锚具等）

5

夹片式锚具

有顶压时

5

无顶压时

6~8

注：

表中数值也可根据实测值确定

预应力直线钢筋

（16-2-1）

式中—张拉端锚具变形和钢筋回缩值（mm），详表16-2-1；

—张拉端至锚固端的距离（mm）。

表16-2-2

孔道成型方式

预埋金属波纹管

0.0015

预埋钢管

0.001

胶管或钢管抽芯成型

0.0014

（2）英国规范BS8810方法[10]

BS8810认为该损失很小，在总损失中已经包括，故不单独计算。

2、预应力筋的摩擦损失

（1）文献[15]方法

这仅适用于在构造柱中预埋有管道或胶囊成型孔道。

先张法不考虑。

后张法，因仅有直线预应力筋，故可按下式计算：

（16-2-2）

当时，可按下式计算：

（16-2-3）

式中—张拉端至计算截面的孔道长度（m）

—考虑孔道每m长度局部偏差的摩擦系数，按表16-2-2采用。

（2）英国规范BS8810方法[10]

英国规范认为当砌体预留孔道较大时，可不计。

（当为构造柱内预留孔道时，仍宜按文献[15]方法计算）

3、温差损失，一般不予考虑。

4、预应力筋松弛损失

（1）文献]15]方法

a.预应力钢丝、钢绞线

普通松驰：

（16-2-4）

式中—系数，一次张拉，超张拉。

低松弛：

当时（16-2-5）

当时

（16-2-6）

b．中强度预应力钢丝（16-2-7）

预应力螺绞钢丝（16-2-8）

c.热处理钢筋

一次张拉：

（16-2-9）

超张拉：

（16-2-10）

（2）英国规范BS5896或BS4486方法[10]

当持续1000h后采用千斤顶张拉且时，取；张拉应力时，取；介于其间时，插值取值。

5、砌体收缩徐变损失

（1）文献]15]方法[15]：

因此法系混凝土材料收缩徐变，不适于砌体。

（2）英国规范BS5628方法[10]：

此法系将砌体收缩和徐变损失分别计算。

.收缩损失：

取最大收缩应变为，损失为，较文献[15]之

（先张法）和（后张法）为小。

.徐变损失：

W.G.Curtin等人建议烧结砖砌体为（10~15）%；混凝土砌块砌体为

（25~30）%。

总之，砌体收缩和徐变引起的预应力损失之总和远较混凝土为小。

6、分批张拉引起之弹性压缩损失

因构造柱中预应力筋间距较大，相互影响很小，故分批张拉的预应力损失可不考虑。

7、预应力总损失

当计算所得预应力总损失小于下列数值时，应按下列数值取值：

（1）文献[15]方法

先张法；后张法。

作为以收缩徐变损失为主且较混凝土结构小得多的砌体结构，上述下限值尚可酌情减少。

（2）英国规范BS5628方法[10]

根据W.G.Curtin等人的建议，烧结砖砌体为20%，混凝土砌块砌体为35%左右。

第三节预应力砌体结构构件的抗震设计

一、预应力砌体构件的侧移刚度、地震作用及内力计算

此处特指预应力带构造柱组合砌体墙在平面内按抗震墙，平面外按组合框架来进行的抗震设计。

其侧移刚度、地震作用及内力计算方法详见第五章第三节和第十一章相关内容。

二、预应力组合框架柱的正截面抗震承载力计算

正截面抗震承载力按第五章第三节二.3有关出平面偏心受压承载力计算公式进行计算，但等式右端之抗力项应将预应力合力乘以预应力提高系数后加入其中并将抗力项除以正截面承载力抗震调整系数[11]。

具体方法如下：

1、受压区高度x按下式确定：

（16-3-1）

式中──分别为砌体和混凝土抗压强度设计值；

、──分别为压区砌体截面和混凝土截面对轴力N作用点的面积矩；

──压区钢筋的强度系数，当为大偏心受压时，取，当为小偏心受压时取；

、及──分别为受压钢筋、受拉钢筋及预应力钢筋合力作用点对轴力N作用点间的距离；

──受拉钢筋的应力（），按下式确定（正值为拉应力，负值为压应力）：

（16-3-2）

──截面破坏时预应力筋的应力（），由于其位于构造柱截面中心，故无论大、小偏心受压，均不可能屈服。

可按文献[15]近似公式计算：

（16-3-3）

式中：

──预应力筋截面重心轴处混凝土（砌体）法向应力为零时的预应力筋应力，此时应将砌体折算为当量的混凝土并按下式计算：

先张法：

（16-3-4）

后张法：

（16-3-5）

──钢筋与混凝土的弹模比；

──预应力合力在混凝土（砌体亦折算为混凝土）中产生的法向应力，按下式计算：

先张法：

（16-3-6）

后张法：

（16-3-7）

──先张法、后张法构件预应力筋及非预应力筋的合力，按下式计算：

先张法：

（16-3-8）

后张法：

（16-3-9）

因预应力筋位于截面重心轴处，故式中之和可根据假定的偏心大小而选择其一；

、──扣除孔道、凹槽后的含砌体、混凝土和非预应力钢筋折算为混凝土的净截面积总和为“净截面积”；为“换算截面积”；

、──拉区、压区预应力钢筋的混凝土收缩、徐变损失；

、──拉区、压区预应力筋的有效预应力，

先张法：

（16-3-10）

后张法：

（16-3-11）

、──拉区、压区预应力筋截面积，当位于截面重心轴处时，可根据假定的偏心大小而选择其一；

、──拉区、压区非预应力筋截面积；

、──分别为先张法换算截面和后张法净截面重心轴至预应力筋和非预应力筋合力作用点的距离，按下式计算：

先张法：

（16-3-12）

后张法：

（16-3-13）

当重心轴与预应力和非预应力筋合力点相重合时，取为零；

、──分别为换算截面和净截面重心轴至所计算纤维层的距离；

、──拉区、压区预应力筋合力点至净截面重心轴的距离；

、──拉区、压区非预应力筋合力点至净截面重心轴的距离；

──由预应力在后张法预应力超静定结构构件中产生的次弯矩，对偏心受压构件取为零。

──界限压区高度系数，对HPB235取0.55；对HRB335取0.437。