預(yù)應(yīng)力組合梁研究綜述

李勇

【摘 要】預(yù)應(yīng)力組合梁充分利用了高強預(yù)應(yīng)力筋、鋼材和混凝土三種材料的力學(xué)性能，具有應(yīng)用范圍廣、承載力高、使用性能好、抗疲勞性能優(yōu)良和經(jīng)濟性較好等特點，目前在國內(nèi)外得到了越來越多的應(yīng)用。本文對預(yù)應(yīng)力組合梁在國內(nèi)外的最新應(yīng)用進展進行了總結(jié)和回顧，介紹了預(yù)應(yīng)力組合梁的受力性能，闡述了其優(yōu)點和應(yīng)用實例，并針對存在的問題提出了建議。

【關(guān)鍵詞】預(yù)應(yīng)力組合梁；力學(xué)性能；抗震性能

0.前言

組合梁是充分利用鋼與混凝土兩種材料的結(jié)構(gòu)特點，通過剪力連接件組合而成的一個整體受彎構(gòu)件，具有強度高、延性好、抗疲勞性能優(yōu)越、施工簡單等優(yōu)點。但在實際應(yīng)用中仍具有變形大、負彎矩區(qū)域混凝土板處于受拉等不足。而預(yù)應(yīng)力組合梁是在普通組合梁的基礎(chǔ)上，合理地布置高強度預(yù)應(yīng)力鋼筋，并對預(yù)應(yīng)力張拉，使組合梁在承受全部外荷載之前建立起預(yù)應(yīng)力。該預(yù)應(yīng)力能減小或抵消梁在外荷載作用下產(chǎn)生的應(yīng)力，從而降低應(yīng)力峰值、提高結(jié)構(gòu)剛度、改善結(jié)構(gòu)受力性能。

預(yù)應(yīng)力組合梁是現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力技術(shù)在組合結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的進一步發(fā)展和應(yīng)用，它兼有預(yù)應(yīng)力構(gòu)件和組合梁的優(yōu)點，具有廣泛的應(yīng)用前景。它的主要優(yōu)點如下：充分利用了混凝土、鋼材、預(yù)應(yīng)力筋的材料強度，減小了構(gòu)件截面尺寸；改善了構(gòu)件的受力性能，擴大了彈性范圍，減輕了自重，可以節(jié)約鋼材10%～20%，降低構(gòu)件造價5%～10%；通過施加預(yù)應(yīng)力降低了構(gòu)件的最大拉應(yīng)力，使低韌性鋼梁的脆斷可能性減小，增強了結(jié)構(gòu)的疲勞抗力，通過降低有效應(yīng)力幅值增強了結(jié)構(gòu)的疲勞使用壽命；增大了結(jié)構(gòu)的剛度，提高了結(jié)構(gòu)的抗震性能；通過控制結(jié)構(gòu)負彎矩段裂縫，改善了結(jié)構(gòu)的使用性能和耐久性；使用體外預(yù)應(yīng)力體系，減小了預(yù)應(yīng)力摩阻損失，便于重復(fù)張拉與維護，更換已損壞的鋼索[1]。

1.預(yù)應(yīng)力組合梁力學(xué)性能研究

1.1 一年持續(xù)荷載下預(yù)應(yīng)力組合梁的受力性能

薛偉辰[2]基于1年長期荷載試驗，對預(yù)應(yīng)力組合梁的長期變形、預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)變、鋼梁應(yīng)變、抗剪連接件的滑移等時隨性能進行較為系統(tǒng)的研究。在此基礎(chǔ)上，指出我國《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中有關(guān)預(yù)應(yīng)力組合梁長期撓度的計算方法偏于不安全，并提出了相應(yīng)的設(shè)計建議。

1.2 預(yù)應(yīng)力組合梁的極限承載力計算

詹界東[3]等采用塑性分析法分析了預(yù)應(yīng)力組合梁在極限狀態(tài)下的受力性能.根據(jù)塑性中和軸的位置把梁的截面分為2類，分別給出了它們的判別條件和抗彎承載力的計算公式.以此確定構(gòu)件的承載力.計算結(jié)果表明，在最大偏心距相同情況下，直線布置、梯形布置和三角形布置的極限承載力相同；預(yù)應(yīng)力組合梁比普通組合梁的極限荷載可提高27.7% ；鋼梁屈服強度提高，梁的極限荷載也隨著提高。

1.3預(yù)應(yīng)力作用下組合梁混凝土法向應(yīng)力分析

周安[4]等針對在混凝土翼板中設(shè)置后張預(yù)應(yīng)力的連續(xù)組合梁，提出由分擔預(yù)加軸力、主彎矩和次彎矩產(chǎn)生的混凝土法向應(yīng)力計算公式，主要分析施加于混凝土翼板的預(yù)應(yīng)力通過剪力鍵向鋼梁傳遞的力學(xué)模型，建立混凝土翼板承擔的預(yù)壓力沿梁縱軸的分布函數(shù)和理論解，求得考慮剪力鍵柔性的混凝土法向應(yīng)力計算公式，作為組合梁抗裂設(shè)計依據(jù)。對于采用柔性剪力鍵的預(yù)應(yīng)力組合梁，周安等建立了考慮剪力鍵滑移及組合梁壓縮變形的混凝土法向應(yīng)力理論計算方法，為組合梁在各個截面的抗裂分析提供了更精確的依據(jù)。

1.4預(yù)應(yīng)力混凝土組合梁徐變應(yīng)力重分布

預(yù)應(yīng)力混凝土組合梁中，先、后澆注的混凝土的齡期和應(yīng)力水平不同，兩部分的徐變變形相互制約，將導(dǎo)致應(yīng)力重分布，如何計算此效應(yīng)，一直是一個空白。盛興旺[5]等基于平截面變形假定和線性徐變理論，建立了預(yù)應(yīng)力混凝土組合梁徐變應(yīng)力重分布的計算理論和公式，供設(shè)計參考。最后以預(yù)應(yīng)力混凝土組合T 梁為例，分析了徐變應(yīng)力重分布效應(yīng)。

1.5用于預(yù)制預(yù)應(yīng)力組合梁的剪切強度鍵

在預(yù)制系統(tǒng)中板也是一個預(yù)制元素，板網(wǎng)連接是間斷的且通常由通過遺留在連接線和規(guī)定間距網(wǎng)格之間的洞口的現(xiàn)澆混凝土插頭（剪力鍵）組成。板對復(fù)合梁的抗彎強度的貢獻很大程度上取決于單獨鍵的抗剪強度和它們之間的間距。這個工作中的一個測試程序是用來估計用于實驗包括預(yù)制鋼筋混凝土橋面板和預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土梁的滿刻度剪切鍵，作為鋼筋連接數(shù)量和類型的一個功能。在測試結(jié)果和剪切摩擦模型基礎(chǔ)上，得到了一剪切鍵抗剪強度的估算方程[6]。

2.預(yù)應(yīng)力組合梁在負彎矩作用下的研究

2.1預(yù)應(yīng)力組合梁在負彎矩作用下的塑性鉸長度研究

賈遠林[7]等為了研究體外預(yù)應(yīng)力組合梁在負彎矩作用下的塑性鉸長度，采用懸臂梁模型，運用有限元方法對截面支撐條件、跨高比及幾何性質(zhì)對塑性鉸長度等參數(shù)的影響進行了分析. 分析結(jié)果表明，組合梁在負彎矩作用下的力學(xué)性能受穩(wěn)定控制，其支座單邊塑性鉸長度約為0.5倍鋼梁腹板高度，并不隨截面幾何性質(zhì)、加載方式等的改變而明顯變化。

2.2預(yù)應(yīng)力組合梁負彎矩作用下梁端轉(zhuǎn)動能力研究

對組合梁施加體外預(yù)應(yīng)力，可有效提高截面的開裂彎矩，然而預(yù)應(yīng)力的施加降低了板件的屈曲臨界應(yīng)力，減小了截面的轉(zhuǎn)動能力。考慮局部屈曲的影響，對體外預(yù)應(yīng)力組合梁進行了有限元非線性穩(wěn)定分析，計算結(jié)果與試驗實測值吻合，通過改變截面參數(shù)對27 組組合梁在不同綜和力比，不同翼緣寬厚比，不同腹板高厚比，不同剪跨比下的轉(zhuǎn)動能力進行了計算，研究了影響轉(zhuǎn)動能力的長細比參數(shù)，回歸計算轉(zhuǎn)動能力、計算參數(shù)和計算公式。賈遠林， 陳世鳴的研究表明：文中提出的長細比參數(shù)和公式與模擬結(jié)果相關(guān)程度高，形式簡單，可以用來計算Ⅰ、Ⅱ類組合梁的轉(zhuǎn)動能力[8]。

3.預(yù)應(yīng)力組合梁的長期性能研究

3.1預(yù)應(yīng)力組合連續(xù)梁的變形計算

預(yù)應(yīng)力組合連續(xù)梁作為一種更合理的結(jié)構(gòu)，它具有更好的彈性 更高的承載能力，減輕錒材重量以廈提高抗疲勞和抗裂性能辱優(yōu)點.逐漸受到結(jié)構(gòu)人員的量撫.段建中，陳蘋艷通過對兩根預(yù)應(yīng)力組音連續(xù)粱的實驗研究和分折，建立預(yù)應(yīng)力組合連續(xù)梁的裂縫寬度計算式.以及撓度計算方法，井對計算結(jié)果與實驗結(jié)果進行比較，證明這種計算方法是可行的[9]。

3.2預(yù)應(yīng)力組合梁長期性能試驗研究與時隨分析

薛偉辰[10]等首次進行了預(yù)應(yīng)力組合梁長期性能的試驗研究。通過一年長期荷載試驗，對預(yù)應(yīng)力組合梁的長期變形、預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)變、鋼梁應(yīng)變、鋼梁與混凝土板之間的滑移等時隨性能進行較為系統(tǒng)的研究，并提出了預(yù)應(yīng)力組合梁長期變形的設(shè)計建議。基于齡期調(diào)整有效模量法，推導(dǎo)了預(yù)應(yīng)力組合梁單元的徐變剛度矩陣和徐變力向量，編制了預(yù)應(yīng)力組合梁時隨分析程序，應(yīng)用該程序的計算值與試驗結(jié)果吻合較好。

4.預(yù)應(yīng)力作用下組合梁的工程應(yīng)用研究

4.1預(yù)應(yīng)力組合梁框架抗震性能研究

薛偉辰[11]等對預(yù)應(yīng)力組合梁框架的抗震性能進行試驗研究與滯回分析?；陬A(yù)應(yīng)力組合梁框架的低周反復(fù)荷載試驗，對其破壞形態(tài)、破壞機制、位移延性、耗能能力、剛度退化、變形恢復(fù)能力等抗震性能進行了較為系統(tǒng)的研究。研究表明預(yù)應(yīng)力組合梁框架具有優(yōu)良的抗震性能。編制了預(yù)應(yīng)力組合梁框架滯回分析程序，探索了預(yù)應(yīng)力組合梁框架理論分析的新途徑。

4.2預(yù)應(yīng)力組合梁施工過程模擬及其預(yù)加荷載值的計算

劉齊茂[12]等運用有限單元法單元的生死功能實現(xiàn)了對預(yù)應(yīng)力鋼混凝土組合梁施工過程的數(shù)值模擬，同時采用二分法得到所要施加的預(yù)加荷載的近似值，為預(yù)應(yīng)力鋼2混凝土組合梁預(yù)加荷載值設(shè)計和施工提供了一種新的計算機輔助分析方法。數(shù)值仿真結(jié)果表明，鋼混凝土組合梁施工過程的仿真方法和用二分法求施加的預(yù)加荷載值是很成功的， 為預(yù)應(yīng)力鋼2混凝土組合梁施加預(yù)加荷載值的設(shè)計和施工過程提供了一種有效的計算機輔助分析方法。

5.結(jié)束語

將高效預(yù)應(yīng)力技術(shù)與普通組合梁相結(jié)合，對組合梁的鋼梁和混凝土板分別施加體外預(yù)應(yīng)力和無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力，即形成了一種新型預(yù)應(yīng)力組合梁，它具有減小梁截面高度、均勻內(nèi)力分布、提高抗裂度、減小變形、節(jié)約鋼材和改善疲勞性能等優(yōu)點。

自20世紀80年代以來，預(yù)應(yīng)力組合梁在國內(nèi)外得到了越來越多的研究，在統(tǒng)查閱了國內(nèi)外近20年來有關(guān)預(yù)應(yīng)力組合梁研究成果后，人們發(fā)現(xiàn)，迄今對混凝土板和鋼梁均施加預(yù)應(yīng)力的新型預(yù)應(yīng)力組合梁的研究很少，而且國內(nèi)現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范中也沒有相應(yīng)的條款，這大大影響了這種性能優(yōu)良的新型預(yù)應(yīng)力組合梁的工程應(yīng)用。

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