第 29 卷 第 4 期 2014 年 8 月 山东建筑大学学报 JOURNAL OF SHANDONG JIANZHU UNIVERSITY Vol.29 No.4 Aug. 2014 文章编号 :1673-7644(2014)04-0303-05 预应力型钢混凝土梁结构设计与研究 徐杰 1, 周晓娜 2, 傅传国 1 3, 戴航 (1. 山东建筑大学土木学院, 山东济南 250101;2. 山东建大建筑规划设计研究院, 山东济南 250014;3. 东南大学土木学院, 江苏南京 210096) 摘要 : 采用预应力技术改善大跨度型钢混凝土梁正常使用性能, 从而形成新型的预应力型钢混凝土梁 (PSRCB) 组合结构 文章基于大跨度框架梁结构设计, 对型钢混凝土梁与预应力型钢混凝土梁结构方案进行了对比研究, 采用非线性有限元分析考察了预应力型钢混凝土梁的受力机理和结构设计的可靠性 结果表明 : 大跨度型钢混凝土梁的配筋由正常使用性能 ( 如最大裂缝宽度 ) 控制, 采用预应力型钢混凝土梁更加经济合理 ; 预应力型钢混凝土框架梁内置型钢减小了开裂后刚度的变化量, 材料强度得到充分发挥 ; 适度增加型钢混凝土梁预应力度可以减小的梁跨中挠度, 降低钢筋及型钢受拉应力, 改善其正常使用性能 关键词 : 型钢混凝土 ; 预应力 ; 大跨度 ; 有限元中图分类号 :TU375.1 文献标识码 :A Structuraldesignandresearchofprestresedsteel reinforcedconcretebeam XuJie 1,ZhouXiaona 2,FuChuanguo 1,etal. (1.SchoolofCivilEngineering,ShandongJianzhuUniversity,Jinan250101,China;2.Architecture& Urban PlanningDesignInstitute,ShandongJianzhuUniversity,Jinan250014,China) Abstract:Prestresedsteelreinforcedconcrete(PSRC)beam isanewtypeprestresedcomposite beamwhichusesprestresingtechnologyinsrcbeam toimproveitsserviceableperformance.the comparisonbetweenpsrc beam andsrc beam wasconductedtopointouttheadvantagesand disadvantagesofeachstructurescheme.thebearingmechanismandthereliabilityofstructuraldesign forpsrc beam weareanalyzedbythree dimensionalnonlinearfiniteelementmethod.research indicatesthat,theserviceableperformance(suchasmaximumcrackwidth)oflargespansrcbeamis dificulttocontrolandtheuseofprestresingtechnologyinsrcbeamiseconomicalandreasonable; therigidityofpsrcbeamdecreasesmoreslowlyaftercrackduetotheh tapesteel;thestrengthof materialisfulyutilized;thedeflectionandstresoftensilerebarandh tapesteelarereducedby improvingtheprestresingdegreeofpsrcbeam. Keywords:SRC;prestresingforce;largespan;finiteelementanalysis 收稿日期 :2014-03-27 基金项目 : 国家自然科学基金项目 (5127828); 山东省自然科学基金项目 (ZR2013EEQ013); 山东省教育厅科技计划项目 (J06F52); 济南市高校自主创新计划项目 (201202081); 山东省墙体革新与建筑节能项目 (2012QG008); 山东建筑大学博士科研基金项目 (XNBS1207) 作者简介 : 徐杰 (1980-), 男, 讲师, 博士, 主要从事工程结构防灾减灾和绿色建筑等方面的研究.E mail:xujie983@163.com
304 山东建筑大学学报 2014 年 0 引言 预应力型钢混凝土梁 PSRCB(Prestresedsteel reinforcedconcretebeam) 结构是在普通型钢混凝土梁 (SRCB) 基础上采用预应力技术的一种新型组合结构 与型钢混凝土梁 SRCB 相比,PSRCB 具有如下优点 : 较好的抗裂性能 ; 同等外荷载条件下, 最大裂缝宽度较小, 裂缝闭合性能更好, 挠度较小, 且变形恢复性能更好 ; 同等截面条件下, 可以发挥更高的正截面承载力 [1-2] 因此, 预应力型钢混凝土结构更便于实现大跨 重载结构, 目前已成功应用于山东世界贸易中心配套工程 南京市金山大厦等大跨度转换层结构中, 有着广泛的工程应用前景 目前国内外学者对预应力型钢混凝土梁进行了相关试验研究和理论分析 [3-6], 文章结合山东新泰职业中专实验楼大跨度框架结构实例, 分析其采用型钢混凝土梁和预应力型钢混凝土梁的差异, 分析大跨度型钢混凝土梁中采用预应力技术改善其正常使用性能的必要性, 通过足尺预应力型钢混凝土梁有限元分析考察其受力机理及影响因素 1 工程概况 山东新泰职业中专实验楼采用大跨度混凝土框 架结构, 梁柱主要受力构件混凝土采用 C40, 受力纵向钢筋为 HRB400, 箍筋为 HPB235 大跨度框架梁跨度为 16.8m, 截面尺寸采用 500mm 900mm, 跨高比 18.7, 采用 PKPM 软件做整体受力分析, 取框架底层梁内力设计值见表 1 表 1 框架梁内力设计值 弯矩 /(kn m) 支座跨中 剪力 /kn 基本组合 -1391 1339-538 标准组合 -1264.9 886.4 准永久组合 -1160.7 766.3 2 结构设计方案优选 2.1 型钢混凝土梁结构设计方案 SRCB 方案设计结果见表 2, 其中, 型钢混凝土梁设计采用 LBW 型钢混凝土组合结构计算软件 [7] SRCB 承载力 ( 正截面和斜截面 ) 较易满足, 但正常使用性能 ( 尤其是最大裂缝宽度 ) 往往对梁的配筋起控制作用 ; 增加普通纵向钢筋和型钢含钢率可以减小最大裂缝宽度, 改善其正常使用性能, 但是单纯依赖增加普通纵向钢筋和型钢的含钢率以减小最大裂缝宽度的做法, 其经济性较差 因此, 采用预应力技术改善大跨度型钢混凝土梁正常使用性能是必要的 表 2 型钢混凝土梁结构方案 内置型钢 受拉钢筋面积 /mm 2 极限弯矩 /(kn m) 最大裂缝宽度 /mm 型钢含钢率 /% 配筋率 /% HN606 201 12 20 1570 1676.3 0.460 3.40 0.35 HN606 201 12 20 3436 2308.2 0.293 3.40 0.76 HN606 201 12 20 6153 3228.3 0.184 3.40 1.37 HN692 300 13 20 1570 2184.7 0.279 4.70 0.35 HN692 300 13 20 3927 2982.9 0.182 4.70 0.87 HN700 300 13 24 1570 2432.8 0.239 5.23 0.35 HN700 300 13 24 2513 2752.2 0.196 5.23 0.56 2.2 预应力型钢混凝土梁结构设计方案 PSRCB 内置型钢截面尺寸 HN606 201 12 20 ( 含钢率 3.4%), 纵向受力钢筋对称配筋面积为 1570 mm 2 ( 配筋率 0.3%),PSRCB 裂缝控制等级为二级, 预应力钢绞线采用 18 根 Φ s 15.2, 面积为 2502mm 2, 控制应力 σ con =0.75f ptk, 预应力度为 0.58( 如图 1 所示 ) PSRCB 极限受弯承载力为 2857kN m, 控制截面 ( 跨中 ) 弯矩设计值为 1483kN m [1],PSRCB 结构施工图如图 2 所示
第 4 期徐杰等 : 预应力型钢混凝土梁结构设计与研究 305 图 1 预应力型钢混凝土梁预应力钢绞线布置图 /mm 图 2 预应力型钢混凝土梁施工图 /mm SRCB 和 PSRCB 对比方案表明 : 采用预应力技术改善大跨度 SRCB 正常使用性能是经济合理的, 即便在更为严格的裂缝控制等级条件下仍可减少纵向受力钢筋和内置型钢的含钢率 3 预应力型钢混凝土梁足尺寸有限元分析 3.1 预应力型钢混凝土梁有限元模型 PSRCB 非线性有限元分析, 作为结构设计工作的补充, 可考察梁的受力机理, 增加结构设计的可靠性 PSRCB 非线性有限元分析采用 ABAQUS 程序 非预应力钢筋和型钢采用等向弹塑性模型, 应满足 VonMises 屈服准则, 采用等向强化法则及相关流动法则 预应力钢绞线弹性阶段采用线性应力 应变关系, 弹性极限后采用 Ramberg Osgood 曲线近似模拟其应力应变关系, 采用降温方式模拟其应力 应变 变化 混凝土采用弹塑性损伤模型, 该模型为连续的 基于塑性的混凝土损伤模型, 假定混凝土材料由拉伸开裂和压缩破碎而破坏 混凝土单元采用三维实体单元 C3D8R, 型钢采用壳单元 S4R, 非预应力钢筋及预应力钢绞线采用三维线性杆单元 T3D2 [5,8-10] 以上述 2.2 的 PSRCB 结构为基础建立其足尺寸有限元模型 ( 如图 3 所示 ), 边界条件简化为两端固定, 梁上表面承受单调均布的荷载 图 3 PSRCB 有限元模型图 3.2 预应力型钢混凝土梁弯矩 - 挠度关系曲线 PSRCB 跨中弯矩 M 与挠度 f 关系曲线如图 4 所
306 山东建筑大学学报 2014 年 示 由于预应力作用, 梁承受外荷载前存在反拱, 减小了外荷载作用下的挠度, 增加了抗裂性能 ; 由于内置型钢的存在梁开裂荷载后刚度变化不大, 荷载 挠度曲线转折较小 ; 随着外荷载的加大, 截面中和轴不断上升, 荷载 挠度曲线出现明显转折, 受拉钢筋 型钢下翼缘和部分受拉腹板相继屈服, 混凝土受压区被压碎, 梁达到极限荷载 ; 极限弯矩后梁具有良好的后期变形性能 PSRCB 有限元分析极限弯矩为 3202kN m, 设计弯矩作用下梁处于近似线性阶段 3.3 预应力型钢混凝土梁应力分析 PSRCB 跨中截面型钢腹板正应力分布 ( 如图 5 所示 ) 近似满足平截面假定, 型钢腹板在较小外荷载作用下处于全截面受压, 随着外荷载的增大, 型钢腹板下侧由受压应力转为受拉应力, 中和轴高度上升, 极限弯矩时中和轴高度上升到型钢腹板中部 应力较小, 从而实现了较为严格的裂缝控制需求 图 6 框架梁拉压钢筋正应力与弯矩曲线图 3.4 预应力度的影响 PSRCB 预应力度由 0.58 减至 0.45 后, 框架梁跨中弯矩与挠度关系曲线如图 7 所示 随着预应力度的减小, 外荷载作用前反向挠度减小, 外荷载标准组合和基本组合弯矩作用下挠度增加 梁型钢及钢筋应力与弯矩曲线图, 如图 8(a) (b) 所示 随着预应力度的减小, 开裂弯矩减小, 开裂后型钢和纵向受拉钢筋应力增长加快, 设计弯矩时纵向受拉钢筋应力较大, 极限弯矩时中和轴高度较高, 拉压钢筋和型钢受拉翼缘及部分腹板均已屈服 图 4 框架梁跨中弯矩与挠度曲线图 图 7 框架梁跨中弯矩与挠度曲线图 图 5 框架梁型钢腹板应力分布图 PSRCB 承受外弯矩前, 预应力钢绞线对梁固定端上部和跨中截面下部建立了预压应力, 随着外弯矩的增加, 上述区域逐渐由受压转为受拉 PSRCB 跨中截面弯矩与该截面受拉及受压纵向受力钢筋正应力关系曲线如图 6 所示 设计弯矩作用前拉压钢筋正应力与弯矩增加呈近似线性增长 ; 极限弯矩时拉压钢筋应力均可达到屈服强度 若 PSRCB 采用二级裂缝控制等级, 跨中截面承载力远高于弯矩设计值, 因此设计弯矩作用下受拉钢筋 4 结论 通过对预应力型钢混凝土梁结构的设计和研究可知 : (1) 大跨度型钢混凝土梁配筋是由正常的使用性能控制, 单纯依靠增加受拉钢筋配筋率来改善其正常使用性能的做法并不经济, 有必要采用预应力技术加以改进 (2) 预应力型钢混凝土框架梁内置型钢减小了开裂后刚度的变化量, 荷载标准组合作用下, 拉压钢
第 4 期徐杰等 : 预应力型钢混凝土梁结构设计与研究 307 筋应力应变处于线弹性阶段, 极限弯矩时拉压钢筋均可屈服, 材料强度得到充分发挥 (3) 随着预应力度的减小, 外荷载作用下挠度 增加, 开裂弯矩变小 ; 适度增加型钢混凝土梁预应力度可以减小的梁跨中挠度, 降低钢筋及型钢受拉应力, 改善其正常使用性能 图 8 梁型钢及钢筋应力与弯矩曲线图 (a) 型钢腹板应力 ;(b) 钢筋应力 参考文献 : [1] 徐杰, 戴航, 傅传国, 等. 预应力钢骨混凝土梁裂缝控制试验研究与理论分析 [J]. 工业建筑,2008,38(416):88-92. [2] 徐杰. 预应力型钢混凝土结构试验研究与理论分析 [D]. 南京 : 东南大学,2010. [3] 熊学玉, 高峰, 李亚明. 预应力型钢混凝土框架梁试验研究及抗裂度分析 [J]. 工业建筑,2011,38(416):16-19. [4] 朱筱俊, 武川川, 吴见丰, 等. 预应力型钢混凝土梁抗弯承载力计算方法探讨 [J]. 钢结构,2010(10):6-10. [5] 周晓娜, 徐杰, 连峰等. 预应力型钢混凝土梁受弯性能非线性分析 [J]. 山东建筑大学学报,2009,24(4):316-320. [6] 傅传国, 于德帅, 傅煜晨, 等. 预应力型钢混凝土梁火灾下抗弯承载力计算 [J]. 山东建筑大学学报,2013,28(3):189-196. [7] 刘维亚. 型钢混凝土组合结构构造与计算手册 [M]. 北京 : 中国建筑工业出版社,2004. [8] 王金昌, 陈页开.ABAQUS 在土木工程中的应用 [M]. 杭州 : 浙江大学出版社,2006. [9] 曲慧. 钢管混凝土结构梁 柱连接节点的力学性能和计算方法研究 [D]. 福州 : 福州大学,2007. [10] LeeJ.,FenvesG.L..Plastic damagemodelforcyclicloadingof concretestructures[j].journalofengineeringmechanics,1998, 124(8):892-900. ( 责任编辑 : 吴芹 )