預應力鋼骨混凝土梁的應用及研究進展

徐勝超

PSRC梁在高層建筑及橋梁結構等大跨、重載且對構件截面尺寸有嚴格要求及抗震要求高的場合有著廣闊的應用前景[1,2]。

1 高層建筑轉換結構上的應用

南京金山大廈PSRC轉換梁[1,2]跨度8 m,一端與1700 mm×1700 mm柱相連,另一端與混凝土核心筒相連,梁截面尺寸850 mm×2000 mm,鋼骨采用焊接工字鋼梁,截面配鋼率為3.5%,預應力筋采用直線束和曲線束相結合的布筋原則。山西省晉中市榆次區文化中心PSRC梁[1,3]計算跨度30.9 m,兩端與800 mm×1500 mm的柱相連,梁截面尺寸650 mm×1900 mm,鋼骨采用A3鋼,預應力筋選用有粘結低松弛高強鋼絞線。

梁的高度一般可以根據梁的跨高比初定。文獻[4]對多座梁式轉換結構轉換大梁的跨高比進行了統計,在80幢采用梁式轉換的結構當中,采用鋼筋混凝土轉換梁結構的跨高比最大為12.13,最小為1.41,平均值為4.43;采用預應力混凝土轉換梁結構的跨高比最大為 8.91,最小為1.16,平均值為4.47;采用 SRC轉換梁結構的跨高比最大為6.55,最小為3.93,平均值為5。從跨高比的平均值趨勢來看,SRC轉換梁＞預應力混凝土轉換梁＞普通鋼筋混凝土轉換梁。

2 橋梁結構上的應用

鋼骨混凝土橋梁的優點體現在施工階段可利用鋼骨架作為臨時支架,大大減少了支架的使用,降低了施工費用,提高了施工效率。而PSRC梁由于施加了預應力,橋梁跨度更大,使PSRC梁用于大跨橋梁可以成為現實。

日本熊本縣阿蘇町 PSRC簡支梁橋[5]寬8.5 m,跨長50.9 m,是目前世界上跨長最大的PSRC簡支梁橋。浙江溫州甌江三橋為三跨連續鋼骨混凝土梁拱組合橋(178 m)[6]。四川萬縣長江公路大橋:勁性骨架鋼管混凝土下承式拱橋,主拱圈為鋼管混凝土勁性骨架箱形混凝土結構,橋拱凈跨420 m,單孔跨江,為世界最大跨徑的混凝土拱橋[11]。

3 PSRC梁試驗研究

3.1 靜力試驗

劉軍進[7]結合南京金山大廈的實際工程,對其中的PSRC轉換梁進行了大尺寸模型靜力試驗,模型設計為一個3層框架結構,從頂部加載以模擬實際工作情況,并埋設了鋼筋計進行跟蹤監測PSRC轉換梁的工作情況。試驗表明:在剪力連接件設計合理的情況下,鋼骨與混凝土能夠很好地共同工作,并且梁截面在開裂前后均能較好地滿足平截面假定。

孫建淵[6,8]結合錢江四橋的工程背景,以含鋼率及預應力度為主要參數,研究了9片后張預應力鋼骨混凝土簡支梁在拉、彎荷載共同作用下的力學性能。試驗結果表明:預應力鋼骨混凝土梁在承受一定水平拉力作用的情況下,其破壞模式同預應力混凝土適筋梁的破壞十分相似,試驗梁的極限承載力隨含鋼率及預應力度的提高而增加,極限撓度隨含鋼率及預應力度的提高而降低。

傅傳國[9,10]對13根預應力及普通型鋼混凝土梁進行了受彎性能試驗,以混凝土強度、受拉鋼筋直徑和預應力度為參數,跨度均為 4 m,梁截面尺寸為200 mm×350 mm,分析了其受力過程、破壞形態、裂縫的開展與分布規律、剛度變化規律等。試驗結果表明:在同等截面尺寸的情況下,PSRC梁受彎承載力比相應SRC梁受彎承載力高出32.2%～66.3%;PSRC梁荷載加載前出現反拱,對梁正常使用性能有利,與SRC梁相比,開裂晚,剛度較大,撓度較小且變形恢復性能較好;與SRCB相比,PSRCB抗裂性能得到提高,在相同 M/Mu下,受拉鋼筋應力減小,裂縫向上延伸的高度和裂縫寬度更小,裂縫閉合性能良好;與SRCB相比,PSRCB在卸載時,最大裂縫寬度減小更多且總體寬度較小,顯示了良好的裂縫閉合性能。但該試驗僅考慮了預應力直線布筋的情況。

李峰[11]對6根預應力鋼骨混凝土簡支梁采用兩點單調靜力加載方式,以梁截面尺寸、預應力度、型鋼對稱和偏心布置方式為參數,研究了PSRC梁的受彎受剪性能。試件均長為3.2 m,凈跨為3.0 m,按截面尺寸分為 220 mm×320 mm和 220 mm×400 mm,在混凝土受拉區直線布筋,位置一定。試驗結果表明:預應力明顯提高了鋼骨混凝土梁的抗裂性能,對于增強其長期抗彎剛度十分有利,但其延性有所下降。

楊波[12]以型鋼的保護層厚度、預應力大小和截面配箍率作為參數,通過對PSRC簡支梁受彎和軸心受壓的試驗研究,分析了荷載作用下裂縫的開展、分布及寬度以及截面的應力應變關系。試驗結果表明,施加預應力可改善SRC試件的抗裂性能。

3.2 低周反復荷載試驗

薛偉辰[13]以預應力度為參數對4根連續梁進行了低周反復試驗,梁跨度均為4.2 m,梁截面尺寸為200 mm×300 mm,跨高比14∶1,較為系統地研究了預應力鋼骨混凝土梁的破壞形態、恢復力模型、變形恢復能力、延性、耗能能力等抗震性能。表明:預應力鋼骨混凝土梁的滯回曲線呈明顯的梭形,表現出了較大的位移延性、良好的耗能能力和變形恢復能力,總體抗震性能優良。

傅傳國[14]進行了兩榀在轉換大梁中采用預應力型鋼混凝土結構和普通鋼筋混凝土轉換大梁的疊層空腹桁架結構1/8縮尺模型在水平低周反復荷載下的抗震性能試驗,試驗結果表明,采用預應力型鋼混凝土轉換大梁的結構模型,其總體受力性能和抗震性能明顯優于普通鋼筋混凝土結構模型。

3.3 收縮徐變

何熊[15]通過試驗研究了預應力型鋼混凝土構件的收縮徐變規律和由收縮徐變引起的預應力損失和截面內力重分布的問題。結果表明,混凝土收縮和徐變會使后張法得到的預應力受到很大損失(平均可達18.9%),并且會使配筋構件內部出現內力重分布,從而降低了預應力型鋼混凝土構件的抗裂性能。

此外,西安建筑科技大學[16]在PSRC梁的理論和數值計算方面,同濟大學、東南大學、哈爾濱工業大學、山東建筑大學、太原理工大學、重慶大學、中建二局深圳分公司等[17-27]科研單位和施工單位在PSRC結構的工程設計、施工監測等方面也做了大量工作。

4 展望

1)型鋼與混凝土的粘結性能。這點在型鋼混凝土中研究較多,但對于PSRC來說,是否可以沿用型鋼混凝土粘結性能的原理及結論還需要開展試驗進行驗證。2)PSRC的疲勞性能。橋梁結構的疲勞是一個十分重要的問題,目前這方面的研究基本是空白,亟待開展相關試驗研究。3)耐久性問題?？缃５拇罂鐦蛄河捎诒┞对诳諝?、水分及江海中礦物質較多的堿性環境下,混凝土容易碳化,從而導致內部鋼筋的腐蝕、銹脹,引發耐久性問題。

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