體外橫向預應力混凝土梁構造設計優化分析＊

劉 燦 吳 波

（廣東交通職業技術學院1） 廣州 510650） （華南理工大學亞熱帶建筑國家重點實驗室2） 廣州 510640）

0 引 言

試驗研究表明，采用10．9級高強螺栓作為內置橫向預應力鋼筋，能有效提高梁的抗剪承載力和斜截面抗裂能力［1］．但在實際工程中，會遇到已有鋼筋混凝土構件加固的問題，故本文對采用10．9級高強螺栓作為體外橫向預應力筋加固已有構件的可行性進行了研究，并對體外橫向預應力混凝土梁的構造設計進行了優化分析．

1 體外橫向預應力混凝土梁構造設計

1.1 外置鋼墊板設計

為保證體外橫向預應力混凝土梁的加固效果，確保橫向預應力能有效施加到混凝土梁上，設計了頂（底）板＋側板＋肋板的鋼墊板組合方式，組合方式1和組合方式2分別如圖1所示，其中組合方式2將組合方式1中的肋板向內側移動35mm．

1.2 體外橫向預應力混凝土梁設計

設計的體外橫向預應力混凝土梁采用C30的混凝土，截面尺寸為350mm×600mm×3 100 mm．箍筋采用HPB235級鋼筋（Φ8＠150雙肢箍筋），縱筋采用 HRB335級鋼筋（4Φ32），架立鋼筋采用HRB335級鋼筋（2Φ12），腰筋采用HRB335級鋼筋（4Φ12），外置橫向預應力筋采用 M18的10．9級高強螺栓（間距300mm）．為確保體外橫向預應力混凝土梁構造的可行性，外置橫向預應力筋的張拉控制應力按《鋼結構設計規范》（GB50017－2003）［2］取用635MPa．體外橫向預應力混凝土梁的配筋設計如圖2所示．

圖1 體外橫向預應力混凝土梁組合鋼墊板示意圖

圖2 體外橫向預應力混凝土梁配筋示意圖

2 體外橫向預應力混凝土梁鋼墊板優化設計

對于體外橫向預應力混凝土梁而言，組合鋼墊板的尺寸選取尤為關鍵．如果鋼墊板剛度不夠，變形過大，將導致外置橫向預應力無法有效施加到混凝土梁上，外置橫向預應力筋的設置將達不到預期的效果．如果想把外置橫向預應力技術應用到已有構件的加固上，確定合理的外置鋼墊板截面尺寸是首先需要解決的問題．

為了合理選用體外橫向預應力混凝土梁的鋼墊板尺寸，確保外置橫向預應力的有效施加，本文采用有限元方法［3－8］，對2種組合方式的鋼墊板截面尺寸進行了優化分析．分析時，混凝土采用實體單元模擬，縱向受力鋼筋和箍筋采用桁架單元模擬，鋼墊板采用板單元模擬．2種鋼墊板組合方式的有限元模型見圖3．采用不同鋼墊板尺寸時的有限元分析結果見表1～2．

圖3 體外橫向預應力混凝土梁有限元模型圖

表1 不同鋼墊板尺寸時的有限元分析值（組合1）

表2 不同鋼墊板尺寸時的有限元分析值（組合2）

分析時，高強螺栓預拉力一次性施加，有限元分析結果表明，體外橫向預應力混凝土梁的最大位移值均發生在組合鋼墊板的頂板或底板上．

從表1和表2可以看出：

1）要降低組合鋼墊板的最大位移值，頂（底）板厚度的選擇最為關鍵，如果頂（底）板的厚度太薄，選取為20mm，則組合鋼墊板的最大位移值會較大，且鋼墊板會屈服．

2）當組合鋼墊板的頂（底）板厚度達到30 mm以上時，鋼墊板組合方式2的頂（底）板最大位移值均小于鋼墊板組合方式1，說明鋼墊板采用組合方式2更有利于外置橫向預應力的施加．

3 體外橫向預應力混凝土梁混凝土主應力云圖分析

按照本文建議的組合方式2鋼墊板尺寸，采用有限元方法對體外橫向預應力混凝土梁混凝土主應力云圖進行了分析，結果表明，當鋼墊板采用組合方式2，頂（底）板厚度選為30～40mm，側板和肋板尺寸選取為20～30mm時，外置橫向預應力有效的施加到了混凝土上，且小于混凝土的抗壓強度，混凝土不會被壓碎破壞．

綜合考慮節約鋼材等經濟因素，效果較好的2種鋼墊板尺寸下的混凝土主應力云圖如圖4和圖5所示．圖4為頂（底）板尺寸為150mm×590 mm×40mm、側板尺寸為100mm×150mm×20 mm、肋板尺寸為100mm×100mm×20mm的體外橫向預應力混凝土梁的混凝土主應力云圖．圖5為頂（底）板尺寸為150mm×590mm×30mm、側板尺寸為100mm×150mm×20mm、肋板尺寸為100mm×100mm×20mm的體外橫向預應力混凝土梁的混凝土主應力云圖．

圖4 混凝土實體單元主應力云圖頂板厚40mm；側板厚20mm；肋板厚20mm

圖5 混凝土實體單元主應力云圖頂板厚30mm；側板厚20mm；肋板厚20mm

4 結 論

1）有限元分析結果表明，要降低組合鋼墊板的最大位移值，頂（底）板厚度的選擇最為關鍵，如果頂（底）板的厚度太薄，選取為20mm，則組合鋼墊板的最大位移值會較大，且鋼墊板會屈服．

2）有限元分析結果表明，當組合鋼墊板的頂（底）板厚度達到30mm以上時，鋼墊板組合方式2的頂（底）板最大位移值均小于鋼墊板組合方式1，說明鋼墊板采用組合方式2更有利于外置橫向預應力的施加．

3）綜合考慮各項因素，建議組合鋼墊板采用組合方式2，頂（底）板厚度選為30～40mm，側板和肋板尺寸選取為20～30mm．

［1］吳 波，劉 燦．橫向預應力混凝土梁的抗剪性能試驗研究［J］．地震工程與工程振動，2007，27（2）：58－62．

［2］中華人民共和國建設部．鋼結構設計規范GB50017－2003［S］．北京：人民交通出版社，2003．

［3］孫 海，黃鼎業，王增春，等．體外預應力混凝土簡支梁受力性能研究與非線性分析［J］．土木工程學報，2000，33（2）：25－29．

［4］徐 棟，項海帆．體外預應力混凝土橋梁非線性分析［J］．同濟大學學報，2000，28（4）：402－406．

［5］Kachlakev D．Finite element modeling of reinforced concrete structures strengthened with FRP laminates－final report［J］．Oregon Department of Transportation，2001（5）：51－67．

［6］Zhao Z Z，Kwan A K H．Nonlinear finite element analysis of deep reinforced concrete coupling beams［J］．Engineering Structures，2004，26（1）：13－25．

［7］Hu H T，Lin F M，Jan Y Y．Nonlinear finite element analysis of reinforced concrete beams strengthened by fiber－reinforced plastics［J］．Composite Structures，2004，63（3）：271－281．

［8］黃 豪，唐小兵，張開銀，等．豎向預應力作用效果的數值模擬與預應力損失的試驗研究［J］．武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2007，31（5）：922－924．