李勇

【摘 要】預(yù)應(yīng)力組合梁充分利用了高強(qiáng)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(jì)性較好等特點(diǎn)，目前在國(guó)內(nèi)外得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。本文對(duì)預(yù)應(yīng)力組合梁在國(guó)內(nèi)外的最新應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)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(diǎn)和應(yīng)用實(shí)例，并針對(duì)存在的問(wèn)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(diǎn)，通過(guò)剪力連接件組合而成的一個(gè)整體受彎構(gòu)件，具有強(qiáng)度高、延性好、抗疲勞性能優(yōu)越、施工簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。但在實(shí)際應(yīng)用中仍具有變形大、負(fù)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(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼筋，并對(duì)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(jìn)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(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。它的主要優(yōu)點(diǎn)如下：充分利用了混凝土、鋼材、預(yù)應(yīng)力筋的材料強(qiáng)度，減小了構(gòu)件截面尺寸；改善了構(gòu)件的受力性能，擴(kuò)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(jià)5%～10%；通過(guò)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(qiáng)了結(jié)構(gòu)的疲勞抗力，通過(guò)降低有效應(yīng)力幅值增強(qiáng)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(guò)控制結(jié)構(gòu)負(fù)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(hù)，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(zhǎng)期荷載試驗(yàn)，對(duì)預(yù)應(yīng)力組合梁的長(zhǎng)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(shí)隨性能進(jìn)行較為系統(tǒng)的研究。在此基礎(chǔ)上，指出我國(guó)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中有關(guān)預(yù)應(yīng)力組合梁長(zhǎng)期撓度的計(jì)算方法偏于不安全，并提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)建議。

1.2 預(yù)應(yīng)力組合梁的極限承載力計(jì)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(jì)算公式.以此確定構(gòu)件的承載力.計(jì)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(qiáng)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(duì)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(dān)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(jì)算公式，主要分析施加于混凝土翼板的預(yù)應(yīng)力通過(guò)剪力鍵向鋼梁傳遞的力學(xué)模型，建立混凝土翼板承擔(dān)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(jì)算公式，作為組合梁抗裂設(shè)計(jì)依據(jù)。對(duì)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(jì)算方法，為組合梁在各個(gè)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(jì)算此效應(yīng)，一直是一個(gè)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(jì)算理論和公式，供設(shè)計(jì)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(qiáng)度鍵

在預(yù)制系統(tǒng)中板也是一個(gè)預(yù)制元素，板網(wǎng)連接是間斷的且通常由通過(guò)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(duì)復(fù)合梁的抗彎強(qiáng)度的貢獻(xiàn)很大程度上取決于單獨(dú)鍵的抗剪強(qiáng)度和它們之間的間距。這個(gè)工作中的一個(gè)測(cè)試程序是用來(lái)估計(jì)用于實(shí)驗(yàn)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(gè)功能。在測(cè)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(qiáng)度的估算方程[6]。

2.預(yù)應(yīng)力組合梁在負(fù)彎矩作用下的研究

2.1預(yù)應(yīng)力組合梁在負(fù)彎矩作用下的塑性鉸長(zhǎng)度研究

賈遠(yuǎn)林[7]等為了研究體外預(yù)應(yīng)力組合梁在負(fù)彎矩作用下的塑性鉸長(zhǎng)度，采用懸臂梁模型，運(yùn)用有限元方法對(duì)截面支撐條件、跨高比及幾何性質(zhì)對(duì)塑性鉸長(zhǎng)度等參數(shù)的影響進(jìn)行了分析. 分析結(jié)果表明，組合梁在負(fù)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(zhǎng)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(fù)彎矩作用下梁端轉(zhuǎn)動(dòng)能力研究

對(duì)組合梁施加體外預(yù)應(yīng)力，可有效提高截面的開(kāi)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(dòng)能力?？紤]局部屈曲的影響，對(duì)體外預(yù)應(yīng)力組合梁進(jìn)行了有限元非線性穩(wěn)定分析，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值吻合，通過(guò)改變截面參數(shù)對(duì)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(dòng)能力進(jìn)行了計(jì)算，研究了影響轉(zhuǎn)動(dòng)能力的長(zhǎng)細(xì)比參數(shù)，回歸計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)能力、計(jì)算參數(shù)和計(jì)算公式。賈遠(yuǎn)林， 陳世鳴的研究表明：文中提出的長(zhǎng)細(xì)比參數(shù)和公式與模擬結(jié)果相關(guān)程度高，形式簡(jiǎn)單，可以用來(lái)計(jì)算Ⅰ、Ⅱ類組合梁的轉(zhuǎn)動(dòng)能力[8]。

3.預(yù)應(yīng)力組合梁的長(zhǎng)期性能研究

3.1預(yù)應(yīng)力組合連續(xù)梁的變形計(jì)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(diǎn).逐漸受到結(jié)構(gòu)人員的量撫.段建中，陳蘋(píng)艷通過(guò)對(duì)兩根預(yù)應(yīng)力組音連續(xù)粱的實(shí)驗(yàn)研究和分折，建立預(yù)應(yīng)力組合連續(xù)梁的裂縫寬度計(jì)算式.以及撓度計(jì)算方法，井對(duì)計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，證明這種計(jì)算方法是可行的[9]。

3.2預(yù)應(yīng)力組合梁長(zhǎng)期性能試驗(yàn)研究與時(shí)隨分析

薛偉辰[10]等首次進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力組合梁長(zhǎng)期性能的試驗(yàn)研究。通過(guò)一年長(zhǎng)期荷載試驗(yàn)，對(duì)預(yù)應(yīng)力組合梁的長(zhǎng)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(shí)隨性能進(jìn)行較為系統(tǒng)的研究，并提出了預(yù)應(yīng)力組合梁長(zhǎng)期變形的設(shè)計(jì)建議?；邶g期調(diào)整有效模量法，推導(dǎo)了預(yù)應(yīng)力組合梁?jiǎn)卧男熳儎偠染仃嚭托熳兞ο蛄?，編制了預(yù)應(yīng)力組合梁時(shí)隨分析程序，應(yīng)用該程序的計(jì)算值與試驗(yàn)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(duì)預(yù)應(yīng)力組合梁框架的抗震性能進(jìn)行試驗(yàn)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(yàn)，對(duì)其破壞形態(tài)、破壞機(jī)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(jìn)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(guò)程模擬及其預(yù)加荷載值的計(jì)算

劉齊茂[12]等運(yùn)用有限單元法單元的生死功能實(shí)現(xiàn)了對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼混凝土組合梁施工過(guò)程的數(shù)值模擬，同時(shí)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(jì)和施工提供了一種新的計(jì)算機(jī)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(guò)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(jì)和施工過(guò)程提供了一種有效的計(jì)算機(jī)輔助分析方法。

5.結(jié)束語(yǔ)

將高效預(yù)應(yīng)力技術(shù)與普通組合梁相結(jié)合，對(duì)組合梁的鋼梁和混凝土板分別施加體外預(yù)應(yīng)力和無(wú)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(diǎn)。

自20世紀(jì)80年代以來(lái)，預(yù)應(yīng)力組合梁在國(guó)內(nèi)外得到了越來(lái)越多的研究，在統(tǒng)查閱了國(guó)內(nèi)外近20年來(lái)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(duì)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(guó)內(nèi)現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范中也沒(méi)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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