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2020 年 2 月 18 日预制混凝土结构抗震：发展现状摘要:预制混凝土有助于创造成本效益和健康的高质量结构，是一种使用耐久且可快速竖立的预制构件的施工方法。在使用该方法时，为确保良好的抗震性能，需要注意预制构件之间以及构件与基础之间的连接。自1980年代以来进行的广泛研究产生了新的预制混凝土结构系统、设计、细节以及适合在高地震危险地区使用的技术。本文回顾了这些进展的现状，包括程序研制和实际应用。涉及四个不同的系统:（1）抗弯框架；（2）结构墙；（3）楼板；和（4）桥梁。本文认为，预制混凝土在震区的广泛应用是可行的，通过预制研究引入的节点连接的创新可以提高建筑和桥梁结构的抗震性能。
关键词:程序研制；抗震；仿真；节点；后张法；预制预应力混凝土；预应力；先张法；抗震设计；无粘结。
导言
在预制混凝土建筑中，结构构件（如梁、柱、墙板和楼板单元）和建筑构件（如覆层）是在工厂中加工后再运输到结构现场，并在现场安装和连接。这种建筑方法的成本效益和高质量使其在许多国家得到了广泛应用，包括许多地震活动频繁的国家（如新西兰、日本和智利）。
预制建筑和桥梁结构的抗震性能在很大程度上取决于预制结构构件之间以及基础和地基上构件之间的连接特性（即强度、刚度和变形能力）。在过去的地震中，预制建筑的不良性能通常被归因于设计不良和/或建造不良连接(fib 2003。因此，从1980年代开始，美国和其他地方就认识到需要为预制构件制定新的抗震建筑规范要求，特别强调预制连接的独特作用（例如，Englekirk 1986；Hawkins和Englekirk 1987；Park 1995）。
在美国，1990年代在国家标准和技术研究所(例如Cheok和Lew, 1993年)进行了第一次以预制建筑结构抗震性能为重点的大型研究。本研究的重点是弯矩的建立。美国和日本在20世纪90年代初启动了一个主要的预制地震结构系统(press)合作研究项目(Priestley1991)。这一计划包括许多个人研究项目，然后是设计和测试最终的五层预制建筑结构（Nakaki等人，这些构成了后来在美国进行的其他一些研究的基础。在2000年代，开展了一项关于预制楼板隔板的大型研究计划（Fleischman等人，2013年）。与建筑相比，地震预制混凝土桥梁的发展在非震区加速桥梁建设取得进展之前并没有那么积极。
在美国以外的地区，也进行了大量的地震预制建筑结构的研究和开发(同样，桥梁结构的研究也是最近才进行的)，日本对此开展了重要研究（自美日PRESSS项目），研究包括使用E-Defense摇床设备进行预制后张混凝土构件对四层建筑的全面测试(Nagae等，2014年)。在新西兰，1980年代和1990年代的研究计划导致了结构预制混凝土指导线的开发（CAE，1999年）。以及将预制构件纳入建筑设计标准（Park 1995）。此外，对楼板横隔板的研究导致了横隔板抗震设计和连接构造的变化（Fenwick等人，2010年）。在欧洲，开展了一个名为SafeCast的五年合作研究项目，以研究预制混凝土建筑在地震荷载下的行为（例如，Negro等人，2013年；Psycharis和Mouzakis，2012年）。中国在1976年唐山地震（Housner和Lili，2002年）中遭受了严重的预制建筑失败，随后放弃了预制，最近一直在努力恢复这种建筑形式（Seber，2014年）。过去30多年来，对抗震预制建筑和桥梁结构的研究导致了有关规范的修改和在高地震活动地区的成功实施，本文对这些进展进行了评述，主要分为以下几个部分:（1）一般概念；（2）设计规范中抗震规定的发展；（3）连接、拼接和锚固；（4）抗弯框架；（5）结构墙；（6）楼板隔板；以及（7）桥梁。尽管本文试图包括美国和国外所有主要的相关研究进展，但对规范发展的讨论主要集中在美国。此外，现场预制（例如，倾斜）和建筑预制不在本文讨论范围内。
一般概念
地震体系预制混凝土结构大致可分为两种类型:模拟型和节理型。仿真结构使用了精心设计和详细设计的连接，使预制结构的性能(横向强度、刚度和能量耗散)可与同等强度、常规设计和适当详细设计的现浇整体钢筋混凝土结构相媲美(Ericson和Warnes 1990)。竞争性连接进一步分为两种类型:延展性连接和强韧性连接。延性连接结构是指在预制构件上发生弯曲屈服并形成延性塑性铰的连接结构。而具有强连接的结构则是为了在预制构件中体验弯曲屈服而设计的，这些预制构件位于预制节点附近或远离预制节点的适当位置。本文所指的是在hellip;（即之间）交界的地区。预制构件作为一个节点，指的是硬件的装配和锚跨在一个节点作为连接。容量设计原则用于确保强连接基本保持在行为的线性弹性范围内。而塑料铰链在结构的其他地方充分发展。
接缝结构（在文献中也称为非竞争性细部构造）使用与仿真连接明显不同的预制连接概念。在这种方法中，结构的非线性转动故意集中在节点区预制构件的端部（通过控制（关节交接处）摇动，而不会在构件中引起显著的非弹性行为（即损伤）。这种独特的性能是通过使用无粘结后张拉（PT）钢（通常使用多股预应力筋）实现的。如Presss Program（例如，Nakaki et al.1999；Priestley et al.1999）所示，作为抗弯框架和墙中的主要加强件。以及随后的研究。
为了不影响整体现浇结构的横向受力性能，连接件的目标有两个:首先，接缝连接处的集中转动（也称为摇摆转动）通过允许结构承受大的横向位移而显著减少（或消除）预制构件中的受拉损伤，混凝土中的拉应力很小。第二，PT力提供了很大的恢复效应，有利于在地震荷载结束时结构的再中心（通常称为自定心能力）。
图1.无粘结PT结构的独特性能:（a）具有间隙开口的无粘结PT墙；（b）传统的整体现浇钢筋混凝土墙。
图1通过比较典型的未粘结PT墙体的行为，说明了未粘结PT连接如何通过连接处的离散间隙(由PT的拉伸电阻控制)来集中旋转[图1]。1(a)]随着常规钢筋混凝土墙体出现广泛裂缝(以及相应的钢筋屈服)的发展[图1]。1 (b)，在传统的钢筋混凝土墙[图1（B）]中，随着大范围裂缝（以及与之相关的钢筋屈服）的发展，通过该间隙开口的中性轴深度的变化，在某种程度上，极限受压角（趾）处混凝土非线性非弹性受压性能的发展允许连接件的弯矩-转角行为为非线性，而不引起显著的非弹性行为（即，、损坏）或预制构件中的强度退化。当接头处的力矩克服了来自PT的预压时，间隙开始打开，对于垂直构件（例如，、柱、墙和桥墩），任何重力荷载。在预制构件中，PT钢和混凝土之间的粘结被有意地破坏，这显著地减少了预应力筋的应变积累（通过在钢筋束的长度上均匀分布钢应变）.这允许PT钢保持基本上线性弹性，直到预铸构件/结构达到目标横向位移，从而在结构经历大的非线性位移后回到零位移时维持初始预应力。NTS。卸载时，PT钢筋束中的力（如果是垂直构件，则与任何重力荷载一起）有助于关闭该间隙。当加载反向时，间隙向另一个方向打开。间隙的宽度由Pt钢提供的抗拉强度控制，从而导致接头的可控摇摆。
当只使用未粘结的Pt钢来提供抗拉能力时，在反向循环荷载[图1（a）]下，连接节点几乎是非线性弹性的，残余侧向位移很小，滞回耗能有限。作为一个主要缺点，明显较小的能量耗散可能导致地震位移增加预制结构的需求（Priestley和Tao，1993年；Farrow和Kurama，2003年；SEO和Sause，2005年）。因此，为了满足抗震设计要求，预制拼装结构通常设计有外部或内部附加的消能构件（如:通过屈服或摩擦/滑动）同时保持其独特的特征，如本文随后对不同结构体系的描述。接合连接的另一个潜在缺点是，摇摆预制构件的受压趾可能会因挤压而受到损坏。混凝土的。通常，只要核心区域被充分限制，这就仅限于覆盖混凝土（例如，Smith等人，2013，2015）。还可以防止或显著减少保护层混凝土损坏（例如，Nazari等人，2017年）。通过在接缝附近使用工程水泥基复合材料（ECCs）、钢或纤维增强聚合物（FRP）护套、钢铠装，以及最近在适当位置使用橡胶板、聚合物接头和橡胶支座接头。
设计规范中抗震规定的发展
目前，大多数美国法律中的预制混凝土结构抗震设计符合国际建筑规范IBC-15（IBC 2014），该规范采用了两个关键标准，即ASCE/SEI 7-10（ASCE 2013）和ACI 318-14（ACI 2014）。TANT资源文件是《国家地震减灾方案》（NEHRP）规定（BSSC 2015）、PCI设计手册（PCI 2010）和PCI地震设计手册（Cleland和Ghosh 2012）。
建筑结构抗震体系
2002年，ACI318规范首次纳入了预制混凝土的抗震设计规定。主要基于2000年NEHRP条款（BSSC 2001）这些规定提供了适用于特殊抗弯框架和结构墙的激励设计规范。基于验证测试文件，允许设计包含节点连接的弯矩框架。目前编号为ACI 374。1-05（ACI 2005）.ACI 318-08（ACI 2008）根据另一份验证测试文件ACI ITG 5.1-07（ACI 2007），增加了特殊结构墙的连接设计规定。Hawkins和Ghosh（2006年）、Ghosh（2004年）和D Arcy等人（2003年）提供了更多关于美国建筑物预制抗震设计规定的历史演变的信息。在'弯矩框架'和'结构墙'章节中，有针对不同抗震建筑结构体系的具体规范规定。
在其他国家中，新西兰混凝土结构标准，NZS 3101（2006年新西兰标准），包含预制混凝土构件抗震设计的具体规定，包括仿真构造和接缝构造。NZS3101的附录B包括了韧性连接预制结构系统抗震设计的特殊规定。在2006年版中首次引入。此外，还有专门针对预制混凝土结构的指南，如CAE（1999年）和Presss设计手册（Pampanin等人，2010年）。
建筑结构的楼板
关于美国的预制楼板隔板，ASCE/SEI 7-16（ASCE 2016）标准基于2015年NEHRP规定（BSSC 2015）中对隔板设计的重大更新，采用了两个新章节（即第12.10.3和14.2.4节）。ASCE/SEI 7-16第12.10.3节提出了一种基于合理方法的膜片设计力的替代确定方法，而第14.2节。4包含基于Zhang和Fleischman（2016）的横隔板抗震设计选项。由于这些发展的近期性质，本文的'楼板隔板'部分包括对此主题的详细处理。新西兰也制定了类似的新建议[NZS 1170.5（2004年新西兰标准）和NZS 3101（2006年新西兰标准）]。
桥梁结构
在抗震桥梁设计中使用预制混凝土的规范规定还没有完全完善。缺乏规范规定的原因是，历史上在桥梁抗震设计中很少使用预制混凝土。具体来说，预制梁在桥梁中的使用受到两在抗震桥梁设计中使用预制混凝土的规范规定还没有完全完善。缺乏规范规定的原因是，历史上在桥梁抗震设计中很少使用预制混凝土。具体来说，预制梁在桥梁中的使用受到两个设计标准的阻碍:（1）假定不能可靠地建立预制梁和盖梁之间的正连接，柱（或墩）塑性铰形成顶部是不允许的，与现浇方案相比，这种施工方案的成本效益较低（Caltrans，2013年；Vander Werff等人2015年）；和（2）在帽梁和主梁之间需要一个包括软钢钢筋的连接，以确保帽梁上的剪力传递满足要求。当竖向加速度超过0时。25克（加州交通局，2013年）。因此，在桥梁结构中使用预制梁时，通常是为了克服与现浇混凝土相关的施工挑战。
针对上述问题的研究以及在抗震桥梁设计中使用其他形式的预制混凝土的研究在最近几年已经完成。这些研究的结果和在选定的原型桥梁中使用预制混凝土的经验导致了州机构（例如，加利福尼亚州、犹他州和华盛顿州的交通部）设计指南的发展。这些指南的合并最终可以导致通用的抗震设计规定。
连接、拼接和锚固
地震预制结构系统中的连接通常在现场安装期间完成。出于公差和对齐的目的，通常会地震预制结构系统中的连接通常在现场安装期间完成。出于公差和对齐的目的，通常会穿过接头的连接可以使用嵌入预制构件中的各种硬件来进行，变形软钢加固的锚固，和/或粘结或未粘结PT（PCI 2010；PTI 2006）.ACI 550R-96（ACI 2001）给出了针对仿真结构的连接细节。在电动建筑中通常使用硬件连接和粘结PT。可以用螺栓或焊接的硬件连接包括各种类型的预埋板和商用插入物。对于许多类型的硬件连接，完成荷载路径取决于锚固到混凝土，这是没有讨论。但在ACI 318-14的第十七章提供。
变形软钢钢筋的锚固在仿真和拼接预制施工中都很重要。这些钢筋的锚固可以使用高强度、无收缩灌浆（即，、水泥、沙子、水和
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