自中心L形预应力混凝土柱及其可自由抬升的基座：概念与设计方法

《Journal of Building Engineering》：Self-Centering L-Shaped Post-Tensioned Precast RC Columns with Free-Uplift Bases: Concept and Design Method

　　作者列表：
钱兆 | 陆富军 | 唐平 | 肖永生 | 赵晓峰 | 徐刚

广州大学土木与交通工程学院，中国广州510006

摘要
本文介绍了一种创新的自中心L形柱（SCLC）系统，该系统旨在简化预应力预制钢筋柱的施工过程，以提高其抗震性能。与现有研究主要集中在剪切墙或具有复杂连接细节的矩形梁柱接头不同，本研究针对L形柱（常用于低层建筑）这一关键研究领域的空白，提出了一种简化的系统方案。该方案利用穿过连接界面的预应力钢筋，消除了对复杂连接的需求。基于双向偏心压缩正截面承载能力和抗剪能力的计算，开发了SCLC系统的全面设计方法。通过一个三层住宅建筑的实际设计案例，验证了所提出的计算框架。此外，还建立了一个经过实验验证的有限元模型，并将模拟得到的骨架曲线与理论分析结果进行了比较。研究结果表明，理论计算结果满足自中心L形柱承载能力验证和结构设计的要求，而有限元模型能够准确地捕捉到整体的地震响应。通过参数研究，探讨了轴向压缩比、预应力钢筋比、有效预应力以及预应力钢筋配置等关键设计变量。分析结果为SCLC系统的设计提供了重要指导。

引言
传统的基于延性设计的钢筋混凝土结构能有效防止立即倒塌，但往往会导致严重的结构损坏，需要大量的震后修复工作，从而造成巨大的经济损失。近几十年来，地震设计理念逐渐侧重于提高建筑物的震后恢复能力[1]、[2]、[3]、[4]。该领域的一个重要进展是自中心结构系统的开发，这类系统专门设计用于使建筑物在地震事件后能够恢复到原始位置。这些系统显著减少了残余变形，最小化了非线性结构损伤，并降低了对震后干预的需求[5]、[6]。自中心系统通常结合预应力筋（PT）以实现重新定位功能，并采用能量耗散（ED）组件来有效耗散能量[7]、[8]。

Morgen等人[9]在梁的上缘和下缘外侧引入了扇形摩擦装置，通过梁柱接头的相对旋转来耗散能量。Rodgers等人[10]对配备能量耗散装置的内外梁柱接头进行了低循环反向加载测试。结果显示，这些接头在微小残余变形的情况下表现出优异的能量耗散能力；然而，其性能对锚固系统的刚度变化非常敏感，这突显了可靠锚固解决方案的必要性。随后，Rodgers等人[11]开发了这些接头的力学模型，考虑了由于摩擦和预应力筋屈服导致的应力损失以及结构系统的方向性行为。Li等人[12]利用外部连接的低碳钢构件的拉伸和压缩屈服行为来实现能量耗散。Huang等人[13]、[14]解决了在高地震激励下预应力筋可能过早屈服的问题，提出了部分自中心预应力混凝土框架的概念，该框架在保持相对较低预应力水平的同时提高了能量耗散能力。Lu等人[15]对1/2比例的钢筋混凝土框架进行了台架试验，实验结果表明，即使El Centro波的峰值地面加速度（PGA）增加到0.6g，结构也未受损且能够恢复到原始位置。Tanyaporn等人[16]为地震易发地区提出了一种创新的预制混凝土梁柱连接系统，结合了非粘结预应力连接和防屈曲膝部支撑（BRKB），以增强刚性和自中心能力，并同时实现能量耗散。Liu等人[17]为配备新型双级耦合阻尼器的自中心预制混凝土框架开发了一种基于直接位移的地震设计方法。然而，此类系统的设计应优先考虑能量耗散组件与自中心机制的协调和有效集成。Kurama[18]将粘性阻尼器集成到墙体系统中，标志着一项重要进展；Holden等人[19]将碳纤维材料用于自中心剪切墙，并在水平接头处安装低碳钢构件以提高结构性能。Perez等人[20]使用基于纤维的元件开发了自中心剪切墙的设计导向分析模型，并通过实验数据进行了验证。此外，Perez还提出了一种基于自中心摇摆机制的三线性理论模型，为这类系统的设计提供了宝贵指导。Restrepo等人[21]使用低碳钢筋将剪切墙与基础连接起来作为能量耗散器，并对其地震性能进行了实验评估，建立了更全面的理论框架。他们强调，自中心剪切墙系统应实现五个关键目标：防止墙体与基础之间的剪切滑动、避免预应力筋屈服、防止能量耗散装置断裂、最小化墙体损坏以及抑制显著的刚度退化。2007年，Marriott等人[22]设计了可更换的外部阻尼器，以便于震后结构修复和重建。Pennucci等人[23]随后提出了自中心剪切墙中外部安装阻尼器的设计方法。2016年，Henry[24]开发了一种由O形能量耗散连杆与端柱连接的剪切墙系统；有限元分析结果与Twigden[25]的实验数据高度吻合。2023年，Fan等人[26]提出了一种位于墙角的U形阻尼器，利用弯曲塑性变形实现有效能量耗散。研究发现，预制墙的损坏程度非常低，且具有很强的自中心能力，最大位移达到了4.5%，远超过规定要求，同时侧向载荷仍保持上升趋势。Rahman[27]利用地震地面运动记录来评估基于力和基于位移的设计方法之间的差异。Sritharan等人[28]观察到，在自中心耦合剪切墙中，一旦层间位移比超过0.5%，墙体底部的压缩区面积几乎保持不变，这简化了分析程序和设计方法。Pennucci等人[23]开发了基于位移的计算模型和相关设计方法，用于带有额外能量耗散器的自中心墙。随后，Aaleti[29]提出了一种简化分析模型，用于预测预应力自中心剪切墙的单调响应。

尽管这些配置表现出良好的抗震性能，但它们引入了一些实际挑战，包括对阻尼器放置和安装精度的严格要求，这增加了施工复杂性和成本。尽管研究人员努力解决这些限制[30]，但目前研究中仍普遍使用复杂的接头配置，阻碍了自中心系统在实际应用中的广泛推广。此外，关于垂直自中心构件的现有研究——特别是其设计方法——主要集中在预制剪切墙和矩形柱上[31]、[32]、[33]、[34]，而对广泛应用于低至中层住宅建筑的L形柱的研究较少[34]，这些L形柱用于避免结构元素的平面突起并最大化可用建筑面积。在实际工程背景下，由于双向偏心加载条件，L形柱的机械行为比传统的矩形或方形柱更为复杂——几何不对称性、钢筋偏心度和非粘结钢筋的运动学特性导致了现有矩形或圆形柱框架无法解决的需求/承载能力相互作用和失效层次。为填补这些空白，本研究提出了一种新型的自中心L形柱（SCLC）系统，该系统仅使用非粘结预应力钢筋进行连接。与传统系统不同，该系统采用了高强度钢筋而非传统的预应力筋，从而提高了施工可行性并减少了现场劳动力需求。与依赖阻尼器或跨越连接界面的非预应力纵向钢筋的自中心系统相比，SCLC系统消除了阻尼器安装的需求，避免了接头处的复杂钢筋拼接细节，从而大幅降低了施工时间和劳动力成本。这些优势使得该系统特别适用于低至中层建筑应用，其中快速组装和简化细节是关键的设计目标。此外，本文系统地研究了所提出的SCLC系统的机械行为，建立了评估关键连接界面处的双向偏心压缩-弯曲承载能力和抗剪能力的分析方法，开发了精细的有限元模型，进行了参数设计分析，并制定了全面的设计框架。

SCLC系统的结构细节
SCLC系统的结构如图1所示。在预制L形柱内预先安装了波纹管或薄壁钢管，通过高强度非粘结预应力钢筋实现上下柱子或柱子与基础之间的连接，无需非预应力纵向钢筋穿过接头界面来贡献跨接缝的弯曲强度。这种设计显著简化了连接细节。

设计程序
该设计方法适用于比例适当、长宽比合理且钢筋布置合理的L形柱截面。此外，为确保在分析过程中任何可能的中性轴位置都有分布式的预应力钢筋，SCLC系统要求L形柱的两个腿的每个角落和两端至少各有一根预应力钢筋。SCLC系统的设计程序如图5所示。

设计示例
本节提供了示例设计案例，展示了使用所提出的N-M程序计算地震/重力荷载及其相应的承载能力检查过程；这并非对该方法的验证。以一座三层住宅建筑作为案例研究，本文介绍了SCLC系统的设计方法和实施流程。建筑场地尺寸为10.84米×10.80米，柱子网格间距为3.6米×7.2米。

精细的有限元模型
采用通用非线性有限元软件ABAQUS/Standard进一步研究了所提出的SCLC系统的机械性能。

参数有限元分析
利用有限元模型进行了参数分析，研究了关键因素对SCLC系统抗震性能的影响，包括预应力筋的位置、截面面积、钢筋的有效预应力以及轴向压缩比，具体参数选择详见表1。有限元模型采用位移控制加载协议，步长为3毫米，与验证测试一致。

结论
本研究提出了一种自中心L形柱（SCLC）系统，其中有意取消了柱身与基础之间的非预应力纵向钢筋和混凝土，仅依靠预应力筋提供结构连续性。本文介绍了SCLC系统的概念和设计方法，并得出了以下结论：
(1) SCLC系统可以包含三根预应力钢筋。在设计阶段，进行了弹性分析……

作者贡献声明
唐平：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理等、资金获取、概念构建。
肖永生：方法论、研究、数据管理。
赵晓峰：验证、方法论。
钱兆：撰写——初稿、验证、方法论、正式分析、数据管理、概念构建。
陆富军：监督、资源管理、项目管理等、资金获取、概念构建。
徐刚：方法论、资金获取。

数据可用性
数据可根据请求提供。

利益冲突声明
○ 作者声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金[项目编号52378292]、广州市城乡建设集团有限公司科技规划项目[项目编号[2024]-KJ073]以及广州市国资委2024年科技创新与创业项目[项目编号25C00036]的支持。