无粘结高强钢筋混凝土柱自复位性能研究综述

施云 戴伟 吴庆 徐新文

【摘 要】对后无粘结高强钢筋混凝土柱进行了介绍，分析了研究的必要性，从国内外对无粘结高强钢筋混凝土柱的耗能性能的实验研究、理论研究等方面进行了论述，介绍了最新研究进展。

【关键词】无粘结高强钢筋；低周反复荷载试验；复位性能；残余变形

中图分类号： TU375.3；TU352.11 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）21-0088-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.21.039

【Abstract】Introduced the post unbonded high strength reinforced concrete column Introduced，the necessity of the study is analyzed，the experimental research and theoretical research on the energy dissipation performance of unbonded high strength reinforced concrete column are discussed from home and abroad，and the latest research progress is introduced.

【Key words】Unbonded high-strength steel bar；Low cyclic loading test；Reduction performance；Residual deformation

0 引言

现有的钢筋混凝土结构为了达到“大震不倒，中震可修，小震不坏”的抗震设计目的，地震后出现较大的结构变形或残余变形是被结构设计规范允许的，而且结构设计人员在进行结构设计的时候也是遵循这一理念的，但是地震后建筑物的较大残余变形却给社会救援和建筑物的修复工作带来了一定的困难，许多建筑物由于较大残余变形的存在而无法修复，不得不拆除，造成了极大的资源浪费和财产损失[1]。因此在日本1997年发生神户大地震后，日本学者大谷和川岛等[2，3]等学者已经指提出应当采取一定的措施来减小建筑物地震后残余变形，并强调了减小建筑物残余变形的重要性。

综上考虑只遵循传统的抗震设计理念及方法现已经不能满足现代的抗震设计目的及要求，建筑物在地震后具备较小的残余变形也应当作为一个重要的衡量指标。日本神户大学的孙玉平等[4]指出在不久的将来新型建筑物在抗震性能方面应当具备：1、在大地震时建筑结构应该具备良好的抗震承载力及良好的延性；2、建筑物即使经历了大地震也应当具备较小的残余变形及良好地自复位性能。

虽然减小建筑物地震的残余变形的重要意义在很早以前就已经提出并得到重视，但是建筑结构具备良好的自复位性能的研究却鲜有涉及。近年来，建筑物具备良好地自复位性能正在成为众多学者的研究对象。

1 无粘结高强钢筋混凝土结构特点

无粘结或低粘结高强钢筋混凝土结构和普通混凝土结构从组成材料的方面考虑两者差别不大，其组成材料都是钢筋及混凝土，但是由于无粘结高强钢筋的存在决定两种结构所用的材料形式及强度都会有所区别。钢筋混凝土材料实现了钢筋与混凝土的结合，使两种材料能够取长补短，发挥各自的优势，将传统有粘结钢筋变成无粘结高强钢筋的目的在于在构件或结构发生变形时无粘结高强钢筋能产生一个恢复力以减小其残余变形。

2 研究现状

2.1 国外研究现状

国外学者对这一领域的研究进入较早，研究成果也较为丰富，但对该课题的研究仍然方兴未艾。纵观所有学者的研究发现为了减小建筑物的残余变形及具备自复位能力到，研究者们一般会采取两种方式，一是通过在结构或构件中加入后张拉无粘结预应力钢筋来施加预应力，二是增加无粘结或低粘结力的高强钢筋或用其取代（部分取代）传统受力主筋。

渡边教授等研究者[5]通过在普通钢筋混凝土柱中通过预应力筋施加预应力，综合利用钢筋混凝土柱的高承载力及良好的抗震性能，预应力筋的预应力及变形后可以提供良好的回复力的特点。使得后张拉预应力混凝土结构不但拥有较好的承载能力及抗震性能，而且能够切实减小结构或构件地震后的残余变形。Priestley等 [6]已经建议在钢筋混凝土桥梁中通过加入后张拉预应力筋来实现减小残余变形的目的。而Panian[7]在 David Brown Center的设计及建造过程中将该方法付诸实践，取得了不错的应用效果。

虽然通过在构件中加入预应力筋的方式来提高建筑的自复位能力并减小建筑物震后残余变形的有效性已经通过众多学者的研究及应用得到验证，但是有关预应力筋在实际应用过程中及几个问题仍然没有得到很好地解决。一是如何评定或测量预应力筋在地震或者使用过程中的预应力损失及由此造成的建筑结构或构件自复位性能能力降低残余变形增大；二是该方法如何保证建筑结构或构件在地震作用时能够拥有稳定地承载能力而不出现退化现象；三是由于施加了预应力无可避免的会造成建筑结构的耗能性能变差。

Pandey[9]通过采用改变钢筋与混凝土之间的无粘结形式，无粘结区段长度对无粘結高强钢筋混凝土柱的抗剪承载力及其延性性能的影响及规律。研究结论表明在普通钢筋混凝土柱中加入无粘结或低粘结钢筋后（或用无粘结或低粘结钢筋替换柱中受力主筋）柱身裂缝的出现及发展主要集中在柱的柱脚处，且钢筋与混凝土之间的粘结力越小这种现象越明显，很好地改善了柱的损伤情况，柱的破坏形式逐渐由剪切破坏转变成弯曲破坏。随着钢筋与混凝土之间粘结力的减小或钢筋无粘结区段长度的增加，柱的延性性能不断得到改善。

江琦文也[12]在钢筋混凝土柱身上外包钢管及采用无粘结高强钢筋取代柱中的传统钢筋来实现结构的自复位。其研究用的试件虽然表现出良好的自复位性能，残余变形较小，但同时也存在着无传统主筋仅有无粘结高强钢筋的混凝土柱的承载力低于理论值及由无粘结钢筋提供的自复位力急剧减小的现象。而利用钢管对柱进行外包其承载力可切实得到提高。

日本神户大学孙玉平等人[10]利用一种SBPDN钢筋作为建筑构件的主筋，这种钢筋的粘结力只有传统热轧带肋钢筋的20%左右。由于较低的粘结力会使该钢筋的屈服出现延迟，使得结构或构件在发生较大形变时该钢筋没有出现屈服从而具备较好的自复位性能及延性性能。实验结果表明使用该钢筋不仅对减小建筑結构的残余变形作用明显，而且能够保证构件及结构具备良好的承载能力

2.2 国内研究现状

近年来，国内一些学者对于建筑物结构或构件的自复位性能研究开始逐渐开始重视起来[11]。清华大学的一些研究者[12]在桥梁墩柱轴心位置设置预应力钢筋及柱周边布置耗能钢筋来减小其残余变形及提高其耗能性能。

孟少平等[28]着眼于装配式建筑，将装配式建筑中的钢筋混凝土梁、柱混凝土梁柱通过外加角钢连接，遵循“强节点、弱构件”的抗震设计原理，使梁柱节点的抗震性能得到提高，使梁、柱构件的变形皆能保持在弹性范围内，以保证结构或构件的自复位能力，使其提供稳定的回复力，减小其残余变形。

胡晓斌等[13]通过设置在墙体中的水平缝使墙体在地震或受力时可沿缝隙转动，同时通过预埋在墙体中的预应力筋使墙体在地震或受力后自复位，减小残余变形。

国内学者的研究主要是在结构中采用一定的构造措施从而实现结构或构件的自复位，一般来说该构造措施都具备一定的复杂性，给设计和施工带来一定的难度，不具备普遍性和推广应用价值。因此，针对应用更为广泛的钢筋混凝土结构，研制或发明出一种无须特殊构造或复杂施工工程即具备良好复位能力的结构形式或装置应当作为以后一段时期的重点研究方向。

3 研究结论分析

根据国内外等人的研究结论，减小主筋与混凝土之间的粘结力或提高主筋的无粘结区段长度可有效地提高结构或构件的自复位能力，减小其残余变形。这是因为主筋与混凝土之间粘结力的减小使构件主筋的受力更加的趋于均匀，柱的受力机制发生了变化，由剪切破坏模式转变为拉杆拱受力模式，受力模式转变如图1所示。

【参考文献】

[1]孙治国，王东升，李宏男，郭迅，司炳君，王清湘. 汶川地震钢筋混凝土框架震害及震后修复建议[J].自然灾害学报，2010，19（4）：114-123.

[2]Otani S.Development of Performance-Based Design Methodology in Japan，Proceedings of International Conference at Bled，Slovenia，1997，pp：59-68.

[3]Kawashima K.The 1996 Japanese Seismic Design Specifications of Highway Bridges and the Performance-Based Design，Proceedings of International Conference at Bled，Slovenia， 1997，pp：229-240.

[4]Sun YP，CaiGC，Takeuchi T.Seismic Behavior and Performance-Based Design of Resilient Concrete Columns， Applied Mechanics and Materials，2013，No.1453，pp：438-439.

[5]Watanabe F，Miyazaki S，Tani M，Kono S，Seismic Strengthening Using Precast Prestressed Concrete Braces，3th World Conference on Earthquake Engineering，Vancouver，August.2004，pp：3406.

[6]Priestley MJN，Macrae G.Seismic tests of Precast beam-to-column joint subassemblages with unbonded tendons，PCI Journal， 1996，Vol.1，No.41，pp：64-81.

[7]Panian L et al.Post-tensioned Concrete Walls for Seismic Resistance，PTI Journal，2007，Vol.10，No.29，pp：39-45.

[8]田中睦，江崎文也，小野正行，河本裕行.高強度アンボンド主筋を用いたRC柱の履歴性状，コンクリート工学年次論文集，2004，Vol.26，No.2，pp：181-186.

[9]Pandey RAJ，Hiroshi，MUTSUYOSHI.Seismic Performance of Reinforced Concrete Piers with Bond-Controlled Reinforcements， 2005，Vol.102，No.2，pp：295-304.

[10]Yuping Sun，Shichun Zhao，Hua Zhao，“Seismic Behavior and Evaluation of Sustainable and Resilient Concrete Columns，” China Civil Engineering Journal，Vol.46，No.5，May.2013，pp：105-110.

[11]曾鹏，陈泉，王春林，孟少平.全钢自复位屈曲约束支撑理论与数值分析，土木工程学报，2013，Vol.46，pp：19-24.

[12]何铭华，辛克贵，郭佳.新型自复位桥梁墩柱节点的局部稳定性研究，工程力学，2012，Vol.29，No.4，pp：122-127.

[13]胡晓斌，贺慧高，彭真，曹文清.往复荷载作用下自复位墙滞回性能研究，建筑结构学报，2013，Vol.34，No.11，pp：18-23.