預應力鋼管混凝土結構計算分析與運用

周 振,雍 軍

(1.中國建筑西南設計研究院,四川成都 610081;2.成都大學城鄉建設學院,四川成都 610106)

預應力鋼管混凝土結構計算分析與運用

周 振1,雍 軍2

(1.中國建筑西南設計研究院,四川成都 610081;2.成都大學城鄉建設學院,四川成都 610106)

針對鋼管混凝土,抗壓性能好,但不宜用于受彎及大偏心受壓受力構件。對鋼管混凝土施加體內反向預應力,可以使非預應力鋼管混凝土構件中的鋼管承擔外荷載比重增大,緊箍效應提前發生,利于混凝土與鋼管共同作用。最后,把預應力矩形鋼管混凝土梁和圓鋼管混凝土柱,運用在大跨度,大空間結構中,充分發揮鋼管混凝土的優點,提高結構整體承載力和穩定性。

鋼管混凝土; 預應力; 柱; 梁

鋼管混凝土具有抗壓強度高,塑性性能好,抗震性能優異,堪稱是一種優質、高強、經濟合理的構件。當然,這種構件只適宜于軸心受壓構件或小偏心受壓構件,不宜用于受拉,更不宜用于受彎。因此,為了有效地提高偏心受壓構件受力性能及鋼管混凝土能運用于受彎構件,可在鋼管混凝土構件體內加偏心預應力,方向與荷載方向相反,以提高構件在彈性階段的強度和穩定性。

1 預應力鋼管混凝土柱

1.1 受力分析

首先,采用“鋼管混凝土統一理論”[1],把鋼管混凝土視為統一整體,即把它看成一種單一材料研究其組合性能。施工完鋼管混凝土后,張拉預應力。

圖1 預應力鋼管混凝土構件受力模式

此處,把預應力筋產生的預應力的作用等效荷載代替,作用于鋼管混凝土上(圖1)。

1.2 計算公式

基本假設:(1)小變形假設;(2)截面變形符合平截面假定;(3)桿軸線撓曲為正弦半波曲線;

預應力筋截面面積計算公式推導如下。

1.2.1 未作用外荷載時

以截面纖維屈服為準則,假定施力預應力后,鋼管混凝土為小偏心及軸心受壓構件。由材料力學及“統一理論”[1]得,

式中:Np為預應力筋的預張拉力,Np=σconAp,σcon為預應力筋的控制應力,Ap為預應力筋截面面積;Asc為鋼管混凝土柱的截面面積;Wsc為截面模數,圓截面時Wsc=πR03/4;ep為預應力筋的偏心距;fsc為圓鋼管混凝土的組合抗壓強度設計值;β為折減系數,考慮初始偏心及受拉部分混凝土不參與工作,取 0.6～0.8[3];

將各參數代入式(1),得

由ep≤R0,取ep=R0代入式(2),得

式中:N0為軸心受壓構件的承載力設計值N0=fyc·Asc;

最后得:Ap≤0.2βN0/σcon(4)

1.2.2 外荷載作用時

強度驗算[1],

在估算預應力筋面積時可以采用式(4)和式(5)。

1.2.3 界限長細比[λsc][5]

由式(6)知,只有當壓桿 λsc≥[λsc],才能應用歐拉公式,也就屬于線彈性穩定問題。本文中鋼管混凝土受壓構件也正因為柔度過大,超過柔度界限值,才設置預應力,以此提高構件穩定承載力。

2 預應力鋼管混凝土框架

2.1 預應力矩形鋼管混凝土梁[7]

對于普通矩形鋼管混凝土梁,由于受拉混凝土退出工作,不能充分發揮材料的特性,因此本文在矩形鋼管混凝土的受拉區布置高強鋼筋,并施加預應力,以提高構件的強度和剛度。

圖2 預應力矩形鋼管混凝土梁與鋼管混凝土柱節點

對于荷載較小的梁,采用普通混凝土梁抗彎比較經濟;對于荷載較大、跨度較大的梁,在矩形鋼管混凝土受拉區合理設計預應力筋,可以顯著提高梁抗彎設計承載力,同時施加預應力,可以大幅減小變形。

2.2 預應力圓鋼管混凝土柱與梁的框架構造措施

(1)梁、柱框架節點設計必須滿足強柱弱梁、強節點原則,其節點大樣可參照圖 2[8]。

(2)預應力鋼管混凝土構件其預應力部分構造要求及措施可詳參考文獻[2]及預應力相應規程,其局部承壓計算可依規定相應降低。

(3)預應力鋼管混凝土的設計構造要點,施工要求及有關節點要求,可參照文獻[3]。

2.3 預應力鋼管混凝土框架設計實例

本工程為某活動中心(見圖 3),主體高度 18m,共三層,該棟結構分左、右兩部分中間設防震縫。左部分為大活動廳。活動廳大屋面為活動區,頂層為 12m構造層,結構主體采用鋼筋混凝土框架,大空間,最大跨度大于 24m。本工程地震設防烈度為 7度,地震分組為第二組,設計基本地震加速度為0.10 g,設計特征值周期為 0.4 s,建筑場地類別為II類。結構設計使用年限為 50年。本工程采用有限元軟件分析。

鋼管混凝土柱與預應力梁框架,局部采用預應力梁,預應力采用 1×7鋼絞線,分析數據及結果詳表 1～表 3;

為滿足外觀需要,頂層梁柱截面尺寸受限,對比分析后, 1.1m直徑鋼筋混凝土柱采用 0.8m鋼管混凝土柱代替,并對屋面層柱施加預應力。大屋面采用預應力混凝土梁,小屋面采用矩形鋼管混凝土梁。

圖3 活動中心結構三維模型示意

對結構進行線性屈曲分析,小屋面采用 Ф800預應力鋼管混凝土柱時,屈曲荷載為42 503.4 kN;把鋼管混凝土柱改為 Ф1000鋼筋混凝土圓柱時,屈曲荷載為 39 000 kN。

以上數據顯示鋼管混凝土柱,由于預應力的存在,會增大柱的壓力,可以使鋼管混凝土運用于大偏心構件,鋼管混凝土柱可以充分發揮其優良的抗壓性能,又能使結構具有較好的延性,提高其承載力與穩定性。同時與預應力混凝土梁及預應力矩形鋼管混凝土梁的框架組合,能使截面尺寸滿足建筑需要的同時,滿足結構承載力及變形要求。

3 結論與展望

本文主要敘述了在鋼管柱和矩形鋼管混凝土梁中施加預應力鋼筋組成的框架結構計算分析與運用。

(1)施加預應力的圓鋼管混凝土柱,可以把大偏心受力柱轉化為小偏心或軸心受力柱,發揮鋼管混凝土構件力學優點,以滿足框架柱的需要。對荷載較大,跨度大的梁,在矩形鋼管混凝土梁受拉區合理設計預應力筋,可以顯著提高梁抗彎設計承載力,減小梁變形。

(2)本文提出的預應力鋼管混凝土框架結構,通過施加預應力,發揮鋼管混凝土作用,使結構具有高承載力,穩定性的特點,可以減小構件截面尺寸的優點。適用于大跨、重載等結構體系。

(3)由于預應力鋼管混凝土結構主要針對豎向荷載特點,本文中的預應力鋼管混凝土結構適用于無抗震及 6、7度抗震區的大空間結構。

(4)預應力技術的引進,使鋼管混凝土的受力性能得到改善,擴大了其應用領域,推動了鋼管混凝土結構的進一步發展,但預應力鋼管混凝土結構還有一些問題有待解決:

①鋼管混凝土梁柱節點分析和工程運用。②鋼管混凝土梁、柱張拉預應力的施工過程及張拉端、錨固端處理。③預應力鋼管混凝土框架結構的抗震性能研究和設計。④除大空間結構,在其它結構體系中的運用。⑤預應力鋼管混凝土構件的抗疲勞強度。

[1] 鐘善桐.鋼管混凝土統一理論—研究與應用[M].北京:清華大學出版社,2006

[2] 陶學康.后張預應力混凝土設計手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,1996

[3] CECS 28:90鋼管混凝土結構設計與施工規程[S]

[4] CECS 159:2004矩形鋼管混凝土結構技術規程[S]

[5] 陳波.預應力鋼管混凝土組合構件的穩定性研究[J].力學與實踐,2006(6)

[6] 黃祥海,王群依.鋼管混凝土偏壓柱設置體內反向偏心預應力鋼筋的計算方法研究[J].工業建筑,2005(增刊)

[7] 馬星,徐祝嶺.預應力矩形鋼管混凝土梁力學性能研究[J].工業建筑,2003(1)

[8] 孫健.新型鋼管混凝土梁柱節點力學性能研究[D].大連理工大學,2008

TU312+.1

A

2010-02-08

周振(1983～),男,助理工程師。