无粘结预应力型钢混凝土框架受力性能试验及理论研究

Modern prestressed structural system is one of the most important structure of today's large-scale and complex structural systems. Preliminary studies indicate that unbonded prestressed steel reinforced concrete (UPSRC) structure has features of simple construction, excellent mechanical behavior and great seismic performance. To carry out the research of UPSRC scientificly has significant social benifit and engineering application value. Based on the structural studies of bonded prestressed steel reinforced concrete (BPSRC) and unbonded prestressed concrete (UPC), this study is to carry out the test and the finite element simulation of the UPSRC frame structures under both vertical static load and low cyclic load, considering a variety of factors such as the amount of steel, the comprehensive reinforcement index, prestress degree, and the linear stiffness ratio of beam to column. The stress increment law of unbonded tendons in UPSRC structure and unbonded tendons contact simulation methods will be studied. The calculation theory for strength, stiffness, deflection and crack width of the UPSRC structure will be completely established. The hysteresis curve and restoring force model of the UPSRC frame structure will also be studied.In a word, the mechanical behavior of UPSRC frame under both vertical static load and low cyclic load will be systematically studied.

现代预应力结构体系是当今大型和复杂结构中最重要的结构体系之一。初步研究表明，无粘结预应力型钢混凝土（UPSRC）结构具有施工简便和优良的受力与抗震性能等特点，系统地开展UPSRC结构研究具有重大社会效益和工程应用价值。本课题是在有粘结预应力型钢混凝土（BPSRC）结构和无粘结预应力混凝土（UPC）结构研究的基础上，拟通过考虑型钢用量、综合配筋指标、预应力度、梁柱线刚度比等多种因素的影响，对UPSRC框架结构进行竖向静载与低周反复荷载试验和有限元数值模拟分析；研究UPSRC结构无粘结筋应力增量规律和准确的无粘结筋接触模拟方法；建立完整的UPSRC框架结构承载力、刚度、挠度及裂缝宽度计算理论；研究UPSRC框架结构的滞回曲线和恢复力模型；系统地展开对无粘结预应力型钢混凝土框架受力性能的研究。

预应力型钢混凝土（PSRC）构件兼具普通预应力混凝土（PC）以及型钢混凝土（SRC）构件的特点，在大跨、重载结构中具有显著优势。而采用无粘结预应力筋的无粘结PSRC构件更是较好地克服了传统有粘结PSRC构件施工复杂、预应力损失大等缺点，具有较大的应用前景。然而，目前对无粘结PSRC结构或构件力学性能以及设计方法的研究较为缺乏。为了更好地应用和推广无粘结PSRC构件，本课题展开了系列试验和理论研究。完成了三项主要工作：1）完成了6榀无粘结和1榀有粘结预应力型钢混凝土框架的单调及反复加载试验；2）利用ABAQUS以及OpenSEES等软件进行了数值仿真研究；3）在试验及数值研究的基础上，对相关的设计理论进行了补充和完善。.试验结果表明：达到峰值荷载时，无粘结PSRC框架梁中型钢的受压翼缘并未屈服，与相关规范假设不同；无粘结筋的极限应力增量实测结果远高于相关规范的预测结果；峰值后各试件仍具有良好的承载能力，峰值后承载力的大小保持在70%~90%峰值荷载；该结构形式具有优良的抗震性能，耗能能力强，变形恢复性能好，可用于强地震区域的建筑中。.模拟无粘结筋与混凝土间的接触关系时，ABAQUS模型中利用了“Coupling”命令，而OpenSEES模型中则利用了零长单元（Zero-length element）。两处理方法均实现了无粘结筋与混凝土间的自由滑动，且经试验结果验证效果较好。.结合试验及有限元结果，建立了包含综合配筋指标以及跨高比这两个参数的无粘结筋极限应力增量的计算公式。利用本项目以及搜集到的试验数据，对现有的PSRC受弯构件截面受弯承载力以及短期刚度的计算方法进行了深入的对比研究，通过相关的优化和修正，提高了已有方法的精度和适用性。建立了短期最大裂缝宽度的计算方法，该方法在平均意义上具有较高精度，但离散程度偏大。.总体而言，本项目相关的试验结果及数值模拟方法可为后来的研究人员提供丰富的参考。另外，基于大量试验数据所提出的设计计算方法及修正建议，更具统计意义，可指导该类构件的设计。该项目研究成果在大跨、重载结构中具有较大的应用前景。