预制混凝土结构作为一种符合工业化生产的结构形式，在欧美等发达国家和地区得到广泛应用[1-2]。我国建筑工业化水平相对较低，预制装配技术相对落后。随着我国经济的发展，建筑工业化已成为建筑产业的发展方向和必然趋势。因此，预制混凝土结构具有非常广阔的发展前景。
近年来，随着基于性能的抗震设计的不断发展，减少甚至消除结构在震后残余变形的可恢复功能结构逐渐成为了抗震工程研究的热点。在此背景下，国内外许多学者提出并研究了具有震后自动复位、主体结构基本无损的自复位混凝土框架结构。在该结构中，一般通过预应力筋将梁柱等结构构件装配在一起来提供震后复位能力。地震中结构通过专门的耗能元件耗散能量而有效地保护了主体结构。早期的耗能主要以屈服耗能形式为主，如分布式耗能钢筋、防屈曲低碳钢、顶底耗能角钢等节点构造形式。此后，摩擦耗能器由于具有耗能能力强、滞回性能稳定、重复使用率高等优点，在自复位混凝土框架中逐渐得到应用。为了促进和推动预应力自复位混凝土结构在我国的应用和发展，东南大学孟少平教授课题组近十年来对该类结构体系进行了深入研究，并不断创新。本文旨在简要回顾和总结过去本课题组在预应力预制混凝土框架结构体系方面的研究，介绍几种新型的框架节点连接方式以及试验研究情况，以期供后来研究者借鉴，并对今后的研究方向进行展望。
1 基于角钢耗能的预应力自复位框架结构研究
1.1 角钢拟静力试验
角钢的受力性能对预应力自复位框架结构(PTED)的抗震性能有着重要的影响，故对角钢的受力性能进行了系统的试验研究[3]。角钢加载示意见图1，共完成10组角钢的拟静力试验及2组角钢的低周往复加载试验，得到角钢的荷载-位移滞回曲线(图2)，对试件的滞回曲线、骨架曲线、位移延性、耗能能力、残余变形等抗震性能进行了分析，结果表明：各试件的滞回曲线较为饱满，呈梭形；试件的承载力随着ta和la的变大以及lg的减小而提高；角钢具有良好的耗能能力，角钢耗散能量随着ta和la的变大以及lg的减小而提高。
a—正立面； b—侧立面。
图1 角钢加载示意
Fig.1 Angle steel loading diagram
图2 典型角钢荷载-位移曲线
Fig.2 Typical angle steel load-displacement curves
1.2 基于角钢耗能的预应力自复位框架节点试验研究
基于角钢耗能的新型自复位预应力预制节点(PTED节点)通过预应力筋和高强摩擦螺栓将预制梁、柱和耗能角钢拼接在一起形成节点，预应力筋、梁、柱和耗能角钢可看作节点的组件(图3)。为了研究节点组件对节点受力性能的影响，完成了5个PTED边节点的低周往复荷载试验[4-6]。试验结果(图4、图5)表明：加载到层间位移角4%时，预应力筋保持在弹性阶段，梁柱连接处缝隙及梁自身的裂缝均能在预应力筋的回弹作用下闭合，表明PTED节点具有良好的自复位能力，节点残余变形较小，提高了震后结构的可修复性。加载过程中，梁、柱构件基本保持弹性，通过角钢的弹塑性变形耗散能量。增大角钢厚度、长度，增大梁高及减小预应力筋的初始应力可提高节点的耗能能力。节点的承载力随梁高的增加、预应力筋初始应力的增大、角钢厚度和长度的增大而提高。在加载后期，PTED节点承受的荷载仍持续增长，加载到4%时，节点仍具有稳定的屈服后刚度。同时进行了节点的修复机理试验研究(仅用同规格的新角钢更换受损角钢)，试验结果表明：梁柱构件及预应力筋无需修复，更换受损角钢后的节点(PTED2)，其抗震能力基本等同于未受损的节点(PTED)[7]。
2 基于附加耗能杆的预应力自复位框架结构研究
2.1 竹节形耗能杆与部分约束耗能杆构造及试验
如图6a所示，竹节形耗能杆(BED)[8-9]由竹节形内核和外约束圆套管组成，其中竹节形内核由竹节与竹间交错形成，两端各有一过渡段。竹节用于控制内核变形模式，竹间进行耗能，过渡段为构件加载时作动器的往复运动提供足够的空间。半径1.4 mm、长度40 mm的钢钉作为定位栓穿过位于中竹节且半径为1.5 mm开口，以防止构件在加载过程中出现内核与外约束套管沿长度方向的相对位移。如图6b所示，部分约束耗能杆[10]通过外约束套管内壁的天然圆弧对屈服段边缘进行部分约束，屈服段的侧向变形始终限制在屈服段边缘和外约束套管内壁形成的间隙范围内。
图3 框架节点试验模型
Fig.3 Test model of the frame joint
图4 节点梁端荷载-位移关系曲线
Fig.4 Beam end load versus displacement of joint curves
图5 预应力筋合力-梁端位移关系曲线
Fig.5 Prestressed tendon force versus beam end displacement curves
通过12根铝合金竹节形耗能杆(ABEDs)的系列试验[8]，对比ABED的关键设计参数并探讨滞回性能的影响因素。典型ABED的应力-应变滞回曲线如图7a所示。所有ABED试件均表现出稳定的滞回性能，加载全过程无局部或整体屈曲。通过12根全钢竹节形耗能杆(SBEDs)的系列试验[9]，对比SBED的关键设计参数并探讨滞回性能的影响因素。典型SBED的应力-应变滞回曲线如图7b所示。所有的SBED试件均具有稳定的滞回性能，即使在经受最大应变幅值时耗能杆也未出现局部或整体失稳现象。
a—竹节形耗能杆细部构造； b—部分约束耗能杆细部构造。
图6 新型耗能杆构造
Fig.6 Structure of new energy dissipation rod
通过12根部分约束耗能杆(PEDs)的系列试验[10]，对比PED的关键设计参数并探讨滞回性能的影响因素，典型PED的应力-应变滞回曲线如图7c所示。试验研究发现：PED的疲劳加载圈数随着常幅应变幅值的增加而迅速下降；当间隙越大，部分约束耗能杆的低周疲劳寿命越差；PED屈服段长度越长，其低周疲劳寿命越差。
2.2 附加耗能杆的预应力自复位框架节点试验研究
基于新型全钢竹节形耗能杆，开展附加耗能杆装配式后张预应力混凝土框架(PPED)节点研究[11]。节点构造如图8所示，该节点具有如下优点：快速装配、装配式容差高以及可修复等。通过5组试验研究了初始预应力、全钢竹节形耗能杆的几何参数、数目以及安装方式对装配式混凝土节点抗震性能与自复位能力的影响。并对一次加载后未经修复的节点直接进行二次加载，以重点考察强余震对装配式混凝土节点的影响。同时基于应变状态和节点的损伤程度，对预制构件以及全钢竹节形耗能杆的重复利用性进行评估，并对全钢竹节形耗能杆锚固措施的可靠性以及因节点转动引起的端部弯曲问题进行分析研究。
a—铝合金竹节形耗能杆； b—全钢竹节形耗能杆； c—部分约束耗能杆。
图7 典型新型耗能杆的应力-应变滞回曲线
Fig.7 Stress-strain hysteresis curves of a typical new energy dissipation rod
图8 附加耗能杆装配式后张预应力混凝土节点细部构造
Fig.8 Detail structure of the assembled post-tensioned prestressed
concrete joint with additional energy dissipation rod
混凝土预制梁柱构件中仅有的微裂缝表明混凝土预制梁柱构件的能量耗散很少，装配式混凝土节点的能量耗散主要集中于产生较大塑性变形的全钢竹节形耗能杆部位。整个加载过程中，预制梁柱之间无竖向相对滑移，表明由预应力引起的摩擦抗剪机制足以满足试验要求。装配式混凝土节点在往复荷载作用下的荷载-位移/位移角曲线以及预应力-位移角关系分别如图9a和图9b所示。可见，附加水平全钢竹节耗能杆装配式混凝土节点在经受二次加载后，强度无明显损失。初始预应力的增加能够显著地提高装配式混凝土的节点强度。由于耗能杆的不对称布置，节点具有不对称的滞回性能，其平均最大拉力是平均最大压力的1.6倍。装配式混凝土节点试件的预应力损失为初始预应力的5.2%～8.1%。
a—荷载-位移/位移角曲线； b—预张力-位移角关系。
图9 附加耗能杆装配式后张预应力混凝土节点试验结果
Fig.9 Test results of the assembled post-tensioned prestressed
concrete joint with additional energy dissipation rod
a—耗能器构造； b—试验结果对比。
图10 摩擦耗能器性能试验
Fig.10 Performance tests of energy dissipator
3 基于摩擦耗能的预应力自复位框架结构研究
3.1 摩擦耗能元件受力性能试验研究
文献[12-13]介绍了该类摩擦耗能自复位结构中的摩擦耗能器(图10a)，开展了不同加载制度、加载速率和螺栓扭矩工况下的低周反复加载试验，试验中引入了一种新型摩擦材料——非石棉有机物(NAO)，并与基于传统摩擦材料黄铜的耗能器进行了对比试验。
结果表明：在常幅加载下 NAO耗能器和黄铜耗能器的耗能性能均未出现减小，但NAO耗能器在滑动过程中的噪声明显小于黄铜， 摩擦力抖动幅度分别约为2%和28%；随着加载速率的增加，黄铜耗能器摩擦力上下限平均值的差值与下限平均值的比值从28.2% 减小到19.5%，而 NAO 耗能器的摩擦力则较为稳定(图10b)；随着螺栓扭矩的增大，NAO耗能器的平均摩擦力增大约71.8%，而采用黄铜时仅增大约 37.1%。因此，与使用黄铜作为摩擦材料的耗能器相比，NAO 耗能器具有更好的耗能能力、舒适度和稳定性。
3.2 基于摩擦耗能的预应力装自复位框架节点试验研究
摩擦耗能器由于具有耗能能力强、滞回性能稳定、重复使用率高等优点，在自复位混凝土框架中逐渐得到应用。东南大学宋良龙和郭彤等通过在梁柱节点中设置梁端钢套、梁端螺旋箍筋、剪力栓钉、柱预埋钢板等措施对混凝土进行约束并加强钢板和混凝土的共同工作，并在梁端腹板上设置了摩擦耗能件形成了一种腹板摩擦耗能自复位混凝土节点的构造[14-16]。针对该类结构预应力损失后梁柱界面抗剪能力不足及大跨度结构抗剪要求高等问题，黄林杰、周臻等将“摩擦耗能”“预应力装配”与“暗牛腿抗剪”理念紧密融合，形成带暗牛腿装配式顶底摩擦耗能框架(图11a)[17-19]。
暗牛腿的引入为节点提供足够的竖向抗剪能力，并可在施工阶段搁置预制梁，提高结构的装配效率；同时，摩擦耗能器通过预埋件或螺栓连接的方式与梁柱可靠连接于梁侧面的顶底位置，并使摩擦耗能的效率最大化。梁柱节点产生相对转动时，转动点处的挤压发生于耗能器内外摩擦钢板的端板之间，避免了混凝土的局部压碎，进一步提升了结构的可恢复性。并且完成了不同设计参数的两个试件的多组试验，研究了耗能材料、耗能器细节构造、摩擦螺栓数目、牛腿尺寸等对节点滞回性能的影响。研究结果表明：耗能器与梁柱通过螺栓连接的方式也提高了震后的修复工作；耗能器的合理设计可以避免腹板摩擦节点中不宜配置梁端钢筋的问题；摩擦耗能器中使用新型NAO 材料即可以降低摩擦螺栓预紧力损失，得到较稳定的滞回性能；蝶形弹簧组合可以显著提高摩擦型自复位混凝土框架的耗能稳定性(图11b)；摩擦螺栓个数较少，摩擦钢板较薄的黄铜摩擦耗能节点会呈现一定的耗能不稳定，但这种不稳定性可以通过在耗能器中使用蝶形弹簧的方式予以降低(图11c)。
a—节点构造； b—NAO的荷载-位移曲线；
c—NAO的耗能比-位移角曲线； d—黄铜的荷载-位移曲线；
e—黄铜的耗能比-位移角曲线。
图11 带暗牛腿顶底摩擦耗能自复位混凝土梁柱节点[19]
Fig.11 Self-centering concrete beam-column joint with hidden
corbel and top and bottom friction energy dissipation
4 展 望
预应力预制装配结构是符合当前“基于韧性”的抗震设计思想的结构体系，关于预应力预制装配结构已得到众多学者的研究，并在节点构造、设计方法、抗震分析等方面取得了系列成果。为了使该结构体系在地震区进一步推广与应用，需对以下几个问题进行更细致的探讨：
1)进一步开发连接方便可靠、抗震性能良好的新型节点形式。锚固构造、节点约束措施、耗能元件等需不断创新。
2)应综合考虑楼板与梁的连接、柱与柱的拼接、柱与基础的连接等技术。对多层多跨平面及空间结构体系进行拟静力、拟动力、振动台试验研究，更明确其抗震性能。
3)预应力装配结构抗震性能的设计方法等仍需不断创新，抗震评估手段需改善，以确保工程应用的安全、快捷。
4)预应力预制装配结构的成功应用很大程度上依赖于施工方法。施工过程中预制构件的定位、混凝土梁柱连接缝隙的处理及相应零配件的匹配等都应进行细致的研究。
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