第 6 期 徐秀丽等 : 预应力曲线转换梁的试验研究 131 方案并模拟实际工程的受力和约束情况, 设计了两榀 1 5 的框架模型进行试验研究. 1 试验概况 1 1 试件的设计与制作 本试验以图 2 中的 4 7 轴曲梁为研究对象, 为模拟实际工程转换梁的受力状态, 试验模型除包括曲线梁外, 还分

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1 东南大学学报 第 29 卷第 6 期 1999 年 11 月 JOURNALOFSOUTHEASTUNIVERSITY Vol 29 No 6 Nov.1999 预应力曲线转换梁的试验研究 1 徐秀丽 冯 2 健 2 秦卫红 2 蒋永生 ( 1 南京建筑工程学院土木系, 南京 ) ( 2 东南大学土木工程学院, 南京 ) 摘 要 通过对竖向荷载作用下的矩形和箱形 2 种截面形式的预应力混凝土曲线转 换梁进行的试验研究, 分析了不同截面形式的曲梁对转换结构受力性能的影响. 研究 表明, 曲梁内的扭矩不容忽视, 但只要设计合理, 预应力曲线转换梁同样具有良好的 工作性能和破坏形态. 最后还提出了预应力曲线转换梁结构的一些设计建议. 关键词 曲线转换梁 ; 曲线梁 ; 预应力 ; 箱形截面 ; 矩形截面 分类号 TU378 1 江苏省公安厅交通指挥中心是一幢平面为三角形的高层建筑, 总层数 19 层, 采用框筒结构, 柱网沿三角形 3 条边平行布置, 并在平面上的 3 个角处加设 3 个井筒, 三层 五层结构平面布置如图 1( 该建筑由江苏省建筑设计研究院设计 ) 所示. 为满足建筑功能要求, 在第 4 层需改变柱网布置, 抽去图 1 中的矩形截面柱, 设置转换层. 经对多种转换层结构方案的对比分析, 最终确定采用预应力曲线转换梁进行结构转换, 且借鉴弯梁桥中的设计思想对抗弯预应力筋进行调整 [1], 两曲梁的圆心角为 39, 直线跨度分别为 13m 和 17m, 如图 2 所示. 图 1 三层 五层结构平面布置示意图图 2 转换层结构平面布置示意图 为验证初步设计中的一些设想, 同时也为今后类似的工程提供一些理论依据, 按初步设计 收稿日期 : 第一作者 : 女,1963 年, 硕士, 讲师.

2 第 6 期 徐秀丽等 : 预应力曲线转换梁的试验研究 131 方案并模拟实际工程的受力和约束情况, 设计了两榀 1 5 的框架模型进行试验研究. 1 试验概况 1 1 试件的设计与制作 本试验以图 2 中的 4 7 轴曲梁为研究对象, 为模拟实际工程转换梁的受力状态, 试验模型除包括曲线梁外, 还分别取转换梁上 下各一层柱. 模型框架底层柱对应实际工程的第 3 层柱, 近似认为其固定. 为模拟楼板对转换梁上层柱的柱顶约束, 在上柱上加设了柱帽, 试验时在柱帽和加力架间放置可调式支座, 通过调整支座的高度来顶压柱帽, 达到模拟柱顶部分嵌固的目的. 本试验的两榀框架模型, 分别记为框架 Ⅰ 和框架 Ⅱ, 其中框架 Ⅰ 梁为箱形截面曲梁, 框架 Ⅱ 梁为矩形截面曲梁, 两榀框架除梁的截面形式及非预应力配筋不同外, 其余各部分的尺寸 配筋均相同, 见图 3 图 4. 两榀框架梁的预应力筋均选用无粘结 U j 15 2 钢铰线 (f ptk =1.86Gpa), 锚具选用 QM 型锚具. 张拉采用前卡式千斤顶一端张拉, 一次张拉达到控制应力, 每根预应力筋的张拉控制应力 σcon =0 75f ptk ( 总拉力为 195kN? 根 ), 预应力损失为 0 25σcon, 张拉过程中未发生异常现象. 预应力筋的位置见图 5. 图 3 框架 Ⅰ 配筋示意图

3 132 东南大学学报第 29 卷 图 4 框架 Ⅱ 梁配筋示意图图 5 预应力筋位置 1 2 试验方法简介 为模拟实际受力情况, 在转换梁跨间的上层两柱对应位置分别施加竖向集中荷载, 具体加载位置见图 3 图 4. 加载程序采用单调逐级加载方式, 每级荷载为估算极限荷载 (300kN) 的 1?15, 即 20kN, 直至试件破坏. 本次试验选取 5 个截面作为量测的标准位置, 它们分别是将梁净跨分成 4 等份的 5 个截面. 2 试验结果分析 2 1 开裂荷载与裂缝方向 1) 两试件曲梁裂缝分布 走向相似, 框架柱 节点裂缝亦类似. 曲梁内侧裂缝多分布在加载点附近及两加载点间, 且多为垂直裂缝, 而在加载点至柱边间的梁段内裂缝较少, 并多是腹中斜裂缝 ; 曲梁外侧裂缝在整个梁段内分布较均匀, 加载点附近的裂缝为由垂直发展为斜向的裂缝, 而加载点至柱边间的裂缝则以腹中斜裂缝为主, 两加载点间纯粹垂直裂缝较少. 曲梁外侧斜裂缝方向与一般单跨直梁在竖向荷载作用下产生的斜裂缝走向相似 ; 而曲梁内侧斜裂缝方向则垂直于外侧斜裂缝方向, 见图 6 及图 7; 节点两侧面斜裂缝走向均与内侧斜裂缝方向相似 ; 柱外侧首先出现较均匀的水平裂缝, 接近破坏时, 柱外侧也产生大量斜裂缝. (a) 曲梁外侧 (b) 曲梁内侧 图 6 框架 Ⅰ 箱梁最终裂缝分布 图 7 框架 Ⅱ 矩形实梁最终裂缝分布 文献 [2] 对上述现象作了详细的分析, 在此主要讨论剪扭斜裂缝问题. 根据文献 [2] 的分析可

4 第 6 期 徐秀丽等 : 预应力曲线转换梁的试验研究 133 知, 框架曲梁在对称竖向集中荷载作用下, 曲梁的最大扭矩出现在离曲梁支座 0 2 跨度左右范围, 而该范围内的剪力亦是整个梁的最大剪力区域, 在曲梁的外侧, 扭矩所产生的剪应力与剪力所产生的剪应力方向相同而叠加, 因此斜裂缝方向与一般单跨直梁在竖向荷载作用下产生的斜裂缝走向相似 ; 而曲梁内侧的斜裂缝与外侧相垂直, 说明在此范围内剪 扭复合剪应力方向与扭矩所产生的剪应力方向相同, 即该曲梁内的扭矩较大. 2) 框架 Ⅰ 梁的跨中 柱及节点的开裂荷载均小于框架 Ⅱ. 这主要是由于框架 Ⅰ 中的箱梁对柱的相对刚度大于框架 Ⅱ, 致使框架 Ⅰ 柱对梁的约束作用相对较小. 在框架曲梁中, 柱的约束作用对框架曲梁内力的影响要比框架直梁更大 [2], 因此, 虽然本试验中的箱梁的抗弯刚度比实梁略大 (I 箱?I 实 =1 39), 但由于其内力更大, 从而导致箱梁受弯开裂更早. 另外, 箱梁刚度大于实梁, 也使框架 Ⅰ 的柱 节点相对弱些, 所以它们的开裂均先于框架 Ⅱ 的柱和节点. 因此, 合理确定梁柱线刚度比至关重要. 2 2 跨中挠度及跨中扭转角分析 设计荷载作用下框架 Ⅰ 和框架 Ⅱ 两梁所测的跨中挠度与跨度的比分别为 和 1 331, 肯定能满足正常使用极限状态下的挠度要求. 框架 Ⅱ 梁在各阶段的挠度均大于框架 Ⅰ 梁, 这与箱形截面梁的刚度大于实梁截面刚度是相符的. 设计荷载作用下框架 Ⅰ 和框架 Ⅱ 两梁均有向外侧的扭转变形, 但很小, 且箱梁的扭转变形要比实梁小得多, 最大扭角仅分别为 和 两试件曲梁所承担的荷载及其产生的内力虽很大, 但产生的变形却很小, 这主要得益于预应力的作用. 2 3 梁内应变分析 1) 箍筋应变对框架 Ⅱ 实梁, 当试件破坏时, 只有一测点箍筋截面达到屈服应变, 其余所测箍筋截面均未屈服. 而框架 Ⅰ 的箱形截面梁, 即使是试件破坏时, 箍筋也无一截面屈服. 2) 纵筋应变当 P=240kN 时, 实梁跨中底部钢筋达到强度设计值 ;P=280kN, 该截面纵筋进入屈服阶段. 实梁跨中上部受压钢筋屈服时的荷载为 P=200kN, 当 P=350kN 时, 上侧混凝土压碎. 与实梁试件相比, 在同等级荷载作用下箱梁内对应纵筋的应力大多数偏小, 但受力特性相似. 3) 混凝土应变在试验中, 利用混凝土应变片来测定梁截面的开裂荷载及主应力走向, 但混凝土一旦开裂, 即失效. 施加预应力在梁中混凝土内产生的应力虽不很大, 但施加预应力前后混凝土应变片读数的符号基本上都发生了变化, 这充分说明了施加预应力均可提高曲线梁的抗弯 剪 扭能力. 2 4 最终破坏形态 两试件梁的实际承载力均为 P=350kN, 该数值是设计荷载 (P=160kN) 的 2 倍左右, 这与考虑设计安全储备后的承载力予估值相符. 根据梁内垂直裂缝产生较早, 而最终又是由跨中受拉纵筋屈服受压区混凝土压碎引起破坏的推测, 两梁的最终破坏均为正截面适筋破坏. 框架柱虽开裂较早, 但由开裂到最终破坏过程较长, 说明柱的延性也较好. 两试件整体结构的破坏是由梁 柱同时失去承载能力而发生的, 破坏时框架节点开裂也较

5 134 东南大学学报第 29 卷 严重, 说明强柱 强节点弱梁的抗震要求在该结构中未能得到充分体现. 试验结果还表明, 施加预应力的效果是明显的, 试件接近破坏时挠度 裂缝宽度虽然都较大, 但卸载之后裂缝基本闭合, 残余挠度及扭角极小. 3 设计建议 1) 转换梁特别是转换曲梁的截面尺寸并非越大越好. 首先, 转换层上部的结构荷载通过墙或柱传到曲梁上时并不是简单的荷载叠加传递, 由于上部结构有较大的刚度, 在荷载传递过程中存在着拱作用, 因此上部有一部分荷载通过拱作用直接传到支承曲线转换梁的边柱而非转换梁上, 经对结构的整体内力进行分析表明, 这种现象较明显. 所以若转换梁的截面尺寸较小, 则其挠度就较大, 本应由曲梁承担的部分荷载就可由结构的其它部分来承担, 从而减轻了转换梁的负担. 其次, 框架曲梁内的内力分布和耦合效应的程度直接受到曲梁与柱的相对刚度比的影响, 一般来讲, 转换梁的线刚度要比支撑它的柱小, 随着柱与曲梁刚度比的增大, 梁内控制内力减小, 梁内的内力分布趋于均衡. 因此当柱刚度一定时, 曲梁截面只要满足承载力和变形要求即可, 不必为了安全而人为增加曲梁的截面尺寸. 实际工程中若考虑抗震要求, 直线转换梁的高跨比一般在 (1?4~1?6) 范围内, 若施加预应力, 则截面高度可降低 20% 左右. 对曲线梁, 由于扭矩的存在及 弯 扭 耦合产生的附加弯矩, 曲梁的截面尺寸应比直梁稍大, 经测算, 当曲梁圆心角为 60 时,h 曲?h 直 =1 15~1 2 [2], 圆心角愈大, 该比值愈大. 江苏省公安厅交通指挥中心的曲线转换梁的跨高比为 1?6 68, 实际应用情况表明, 各项性能均能满足使用要求. 2) 柱的刚度应尽可能大些. 加大柱的刚度除上面所述的能调整曲梁的内力和满足抗震设防要求外, 还能防止柱过早开裂, 减小结构的变形, 增加曲梁弯曲平面外的稳定性. 另外, 设计时应适当加强曲梁所在层楼板刚度, 以限制曲梁在弯曲平面外的扭转变形. 3) 对转换曲梁中存在的扭矩应予以重视. 经分析 [2], 即使框架曲梁的曲率不太大, 在竖向荷载作用下曲梁内的扭矩也较大, 本次试验的试件梁曲率虽不大, 但在剪扭复合区中, 最大扭矩所产生的剪应力就大于最大剪力产生的剪应力. 4) 只要设计合理, 曲梁的破坏形式也可控制为正截面的延性适筋破坏. 对转换直梁, 起着控制作用的一般是梁内的剪力 [3], 因此对转换曲梁起着控制作用的一般应为剪扭复合应力, 但梁受剪或受扭破坏时的延性均比受弯适筋破坏时的延性差, 所以其理想的破坏形式应为受弯适筋破坏. 试验表明, 设计时只要适当增加梁的抗剪 抗扭承载力安全储备, 就能使转换曲梁的破坏形式为正截面的延性适筋破坏. 本试验是通过设置普通和预应力抗剪 扭钢筋相结合的方法来达到这一目的的. 5) 施加预应力对改善曲线转换梁的受力性能较为有效. 它除了具有一般预应力直线梁的优点外, 由于可通过调整抗弯预应力筋束使预应力筋在满足抗弯承载力的同时还可承担部分剪力和扭矩, 使预应力筋的作用得到更充分的发挥. 但对预应力筋进行调整时, 应严格按照梁内的扭矩分布情况进行调整, 以保证预应力筋的等效扭矩与外扭矩方向相反. 6) 箱形截面梁可增加截面的抗扭刚度, 同时还可提高预应力筋的抗扭效果 [4], 但从本试验的 2 个试件来看, 把矩形梁改成两侧腹板距离不大的箱形梁对提高曲梁的承载力没有明显的效果, 因此为施工方便, 对建筑结构中的曲梁, 若曲率不太大的话, 选用矩形截面梁可能更合 中国建筑科学研究院建筑结构研究所. 高层建筑转换层设计及工程实例.1993 年.

6 第 6 期 徐秀丽等 : 预应力曲线转换梁的试验研究 135 适. 参考文献 1 邵容光, 夏淦. 混凝土弯梁桥. 北京 : 人民交通出版社, ~240 2 徐秀丽. 预应力曲线转换梁的试验研究与理论分析 :[ 学位论文 ]. 南京 : 东南大学土木工程学院, 娄宇. 高层建筑中梁式转换层的试验研究及理论分析 :[ 学位论文 ]. 南京 : 东南大学土木工程学院, 徐秀丽, 宗曙东. 预应力混凝土结构设计中几个问题的探导. 南京建筑工程学院学报,1999(1):38~44 ExperimentalStudyofPrestresedCurvedTransferGirders XuXiuli 1 FengJian 2 QinWeihong 2 JiangYongsheng 2 ( 1 DepartmentofCivilEngineering,NanjingArchitecturalandCivilEngineeringInstitute,Nanjing210009) ( 2 ColegeofCivilEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing210096) Abstract: Onthebasisofexperimentsonprestresedconcretecurvedtransfergirdersofboxandrect angularsectionsunderverticalload,thispaperanalyzestheefectsofdiferentsectiontypesofcurved beamonthemechanicpropertyoftransferstructure.theresultsofstudyshowthatthetorquepresenting incurvedbeamsnottobeoverlook.ifdesignisrational,theprestresedcurvedgirderstructuresstil havegoodworkingbehaviorandsoundfailurepaterns.finaly,somedesignsuggestionsforprestresed curvedgirderstructuresandthingslikethesearepresented. Keywords: curvedtransfergirder;curvedbeam;prestresed;boxsection;rectangularsection

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