预制混凝土柱抗震性能研究进展综述

摘要：基于目前国内外对预制柱抗震性能研究现状，本文总结了预制柱的结构形式及分类，重点对混凝土预制柱的结构构造及抗震性能研究进行了综述，为混凝土预制柱的研究提供参考。

关键词：装配式结构 ;混凝土预制柱；抗震性能；

0引言

预制装配式建筑作为一种先进的建筑技术，具有施工速度快、质量可控、环境友好等优点，近年来在全球范围内得到广泛应用。预制混凝土结构构件作为装配式建筑的重要组成部分，在我国基建行业已得到广泛应用，主要包括以下几个方面：住宅建筑；公共建筑，交通基础设施；工业建筑；市政工程；水利工程临时设施；灾后重建等等，这些预制混凝土结构构件的应用极大提高了施工速度，减少现场作业，降低了对周边环境的影响，混凝土质量也得到很大改善，结构稳定也得到增强，建筑的设计使用年限也相应延长。此外，国家标准图集GB/T51129-2017《装配式建筑评价标准》3.0.3条规定装配式建筑主体结构部分的评价值不低于20%，这就意味着装配式建筑中的主体结构必须考虑采用预制混凝土结构构件。目前，主体结构中的预制混凝土结构构件主要包括：预制混凝土墙柱、预制混凝土梁、预制混凝土板、预制混凝土楼梯等等，混凝土预制柱作为框架或框剪结构的竖向受力构件，其抗震性能优劣直接影响到结构的整体安全与可靠性。然而，混凝土预制柱在连接方式和细节构造等方面与现浇混凝土柱存在显著差异，这使得对其抗震性能的研究具有重大意义。近年来，国内外学者对混凝土预制柱抗震性能进行了部分研究。这些研究主要集中于不同连接方式预制柱，以及不同连接位置混凝土预制柱抗震性能研究。本文重点对混凝土预制柱抗震性能的研究进行综述，以期为混凝土预制柱设计以及后期研究提供参考。

1 混凝土预制柱的结构形式及连接方式

混凝土预制柱根据预制柱内部是否有预留空腔，分为预制混凝土实心柱和预制混凝土空腔柱，两者均是在工厂预先制作好再在现场拼接。两者不同的是，预制混凝土空腔柱由于预先预留了空腔，需在现场浇筑空腔内的混凝土，这种空腔柱结合预制和现浇的优点，既提高了工作效率，相对于预制实心柱，又在一定程度上保证了结构整体性。两者共同特点就是在现场都需进行节点拼接。目前，常用的混凝土预制柱连接有套筒灌浆连接、浆锚连接（插入式预留孔灌浆钢筋搭接和金属波纹管浆锚搭接、钢结构法兰连接，国内外学者对这两种预制柱进行了相关试验和数值模拟研究。下面对混凝土预制柱的相关研究进行阐述。

2 预制混凝土空腔柱抗震性能研究

预制混凝土空腔柱作为预制柱的新型预制混凝土结构构件，国内外对其研究相对很少。杨参天[1] 提出了新型角部螺旋箍筋约束预制空腔式钢筋混凝土柱，设计了一个足尺实心柱和三个空腔柱，并对其进行了抗震试验，研究了空腔率和轴压比对其抗震性能的影响。研究结果表明：螺旋箍筋对空腔柱混凝土的约束效果较为明显，使得同轴压比下的空腔柱的延性要高于实心柱，但空腔柱和实心柱的承载力相当；此外，低轴压比空腔柱的延性要优于高轴压比空腔柱的延性；空腔柱内的空置率对其抗震性能的影响较为显著，高空腔率预制柱因空墙壁抗剪不足易发生弯剪破坏，而低空腔率预制柱仅发生弯曲破坏，且低空腔率预制柱延性也相对较好。同时作者还进行了空腔柱数值模拟方法研究，提出了一系列的空腔柱数值模拟方法，为后续进一步研究空腔柱抗震性能提供理论基础，最后作者还进行了抗震性能评估，结果表明空腔柱和实心柱框架抗震性能基本一致。

3 预制混凝土实心柱抗震性能研究

预制混凝土实心柱作为预制柱的传统预制混凝土结构构件，国内外对其抗震性能的研究相对相对于空腔柱的研究较多。Andrea Belleri 和 Paolo Riva[2]设计了一个现浇柱和3个灌浆套筒连接的混凝土预制柱，并对其进行了抗震试验，试验结果表明：高延性的灌浆套筒对灌浆料具有较大约束效果，既阻止了钢筋过早屈曲，又提高了拼接处混凝土的抗压强度，证明了灌浆套筒连接可以适用于地震区预制混凝土柱的连接。Zheng L设计并制作了4个采用灌浆套筒连接的预制混凝土柱和2个现浇混凝土柱，对其进行了抗震性能对比试验，研究结果表明：预制混凝土柱和现浇混凝土柱均发生弯曲破坏，但在承载力，刚度退化，耗能能力等抗震指标上有所差异，主要表现为：预制混凝土柱的承载力略低于现浇混凝土柱，但在耗能能力和刚度退化上要优于现浇混凝土柱，且预制混凝土柱的延性系数均大于3.2，表明其延性较好，并提出可以通过合理配置箍筋，优化套筒连接和灌浆材料等措施来提高预制混凝土柱的抗震性能。

张臻[3]为研究轴压比和灌浆料强度等级对预制混凝土柱抗震性能的影响，设计了4个轴压比（等级和3种灌浆料强度等级，共计11个预制和现浇混凝土柱的对比试验，试验研究表明：相同轴压比条件下，预制和现浇混凝土柱破坏形态相似，多数轴压比下，预制柱极限承载力高于现浇柱，但延性系数略低于现浇混凝土柱，耗能能力两者大致相当；对比不同轴压比下预制柱的抗震性能表明：在一定范围内，随着轴压比的提高，预制混凝土柱的极限承载力、延性、耗能能力略有提高；对比不同灌浆料强度等级的试验结果表明：随灌浆料强度的提高，预制混凝土柱的承载力有所提高，但延性和耗能能力有所下降。同时作者通过有限元扩展分析发现：相对于轴压比，预制柱混凝土强度等级对其自身抗震性能的影响更大，且建议套筒灌浆连接混凝土预制柱不宜采用过高强度等级的混凝土，且轴压比不宜过高。何志坚采用试验研究和有限元分析相结合的方法对钢筋螺栓连接预制混凝土柱的抗震性能进行了研究，设计并制作了一个现浇混凝土柱和5个螺栓连接的预制混凝土柱，研究轴压比、预制柱连接位置（柱底连接，柱中连接），柱底混凝土强度等级对预制柱抗震性能的影响，试验结果表明：同轴压比下，柱中连接混凝土预制柱的抗震性能基本和现浇混凝土柱一致，相对于柱底连接预制混凝土柱；柱中连接预制混凝土柱的抗震性能更优，主要表现在：柱中连接的混凝土预制柱的承载力延性、等效刚度、耗能能力等指标要明显优于柱底连接的混凝土预制柱；对比不同轴压比下的柱中连接的混凝土预制柱的研究结果发现：随着的轴压比增大，预制柱的极限承载力及耗能能力会提高，但承载力及刚度退化会加快，位移延性也变差。丁鑫通过试验的方法，研究了600MPa 级钢筋套筒灌浆连接预制柱的抗震性能，设计了一个现浇混凝土柱和两个混凝土预制柱，研究轴压比和高强钢筋对混凝土预制柱抗震性能的影响，研究结果表明：所有试验构件均为延性破坏，轴压比相同时，混凝土预制柱的极限承载力略低于现浇混凝土柱，但延性系数相当，预制混凝土柱的初始刚度略大于现浇混凝土柱，套筒连接可以提高构件的残余刚度，预制混凝土柱屈服后至破坏阶段试验过程的耗能性能优于现浇混凝土柱；对比0.15和0.1轴压比混凝土预制柱试验结果发现：低轴压比预制混凝土柱的延性提高了15%，总体而言，该试验表明采用600MPa级钢筋预制混凝土柱具有可行性，可以解决预制混凝土柱连接部位钢筋过密的问题。徐启阳提出了全新的中部全干式连接的混凝土预制柱，上段与下段混凝土预制柱两端分别带十字形钢板接头，两端钢板再通过高强螺栓连接，为了验证该连接的可靠性，以轴压比、肋板厚度、钢板箍长度为参数，建立了几个有限元模型进行数值模拟分析，有限元研究结果表明：肋板厚度和钢板箍长度对其抗震性能有显著影响，肋板厚度为钢端板厚度的三分之一时，构件的耗能能力为最佳，钢板箍对下段预制柱具有较大的约束作用，合适的钢板箍长度可以提高预制混凝土柱的承载力和变形能力，但作者未对钢板箍的长度进行量化；轴压比对预制混凝土柱的极限承载力影响较小，但对其耗能能力具有较大影响，高轴压比预制柱耗能能力会提高，但连接位置的混凝土会过早破坏，使得钢板螺栓连接节点未充分发挥其作用。李昆松设计并制作了一个现浇柱和3个波纹管通孔预制混凝土柱，通过试验来研究波纹管不同灌浆缺陷率对抗震性能的影响，研究结果表明：波纹管灌浆连接预制柱均发生脆性破坏，主要原因为柱底箍筋无法约束柱底混凝土而导致波纹管的屈曲，此外，随着波纹管内灌浆缺陷率的提高，预制柱的承载力、延性、耗能能力均降低。黄世晅设计了一个高强度螺栓法兰连接预制混凝土柱和一个矩形钢管通长预制柱的抗震性能试验，试验结果表明：两预制柱均发生受弯破坏，法兰连接节点始终处于弹性状态，埋入式矩形钢管试验过程中也未拔出，试验证明高强度螺栓法兰连接以及矩形钢管通长设置预制柱抗震性能较好，可以达到等强连接的效果。陈俊[4]以轴压比、柱箍筋强度等级、柱脚5倍纵筋直径范围内，钢筋与混凝土有无黏结为参数，研究了纵筋锚浆连接预制柱抗性能，研究表明：提高箍筋强度等级可以提高预制柱的极限承载力以及耗能能力，钢筋与混凝土无粘结处理后，预制柱的极限承载力将会降低，但延性和耗能能力会提高。

2 结语

本文对国内外混凝土预制柱抗震性能研究进行了综述，结果表明，国内外学者对预制柱的研究主要集中于套筒灌浆连接混凝土实心柱的研究，而对预制空腔混凝土柱的研究很少，少部分学者研究了浆锚连接预制柱的抗震性能，且大部分学者以轴压比、箍筋强度等级、灌浆料强度等级、预制柱连接位置、预制柱连接方式等为参数来分析其对预制柱抗震性能的影响，未来可加大对高强钢筋（500Mpa以上）预制柱、混凝土空腔预制柱、预制柱新型连接方式等方面的研究。

参考文献：

[1]杨参天.预制空腔式钢筋混凝土柱抗震性能研究[D].北京建筑大学，2018.

[2]Andrea，Belleri，Paolo，etal.Seismic Performanceof Precast Concrete Columns with Grouted Sleeve Connections[J].Pci Journal， 2012.

[3]张臻.高层钢筋混凝土结构中预制拼装柱的抗震性能研究[D].哈尔滨工业大学，2013.

[4]陈俊，肖岩.纵筋浆锚连接预制柱的抗震性能试验研究[J].土木工程学报，2016，49（05）.