預應力型鋼混泥土框架試驗研究和設計理論

摘要：基于兩榀預應力型鋼混凝土框架的豎向靜力試驗，對其破壞形態、裂縫的開展與分布、剛度變化、彎矩調幅等特征進行研究.試驗結果表明：預應力型鋼混凝土框架梁發生類似于鋼筋混凝土適筋梁的正截面受彎破壞，屬延性破壞，框架梁端形成塑性鉸實現了塑性內力重分布，位移延性比大于3，彎矩調幅值為30%左右，彎矩調幅值高于普通預應力混凝土結構.最后分析了次內力產生的本質，提出考慮次內力包括次彎矩、次軸力的預應力型鋼混凝土結構的抗彎極限承載力、抗裂度、剛度及最大裂縫寬度計算公式，計算結果與試驗數據較吻合.本文計算理論反映了現代預應力設計理論的新思想，為《預應力混凝土結構設計規范》的編制提供依據.

關鍵詞：預應力；型鋼混凝土；框架；抗裂度；撓度；次軸力

中圖分類號：TU323.4; TU311 文獻標識碼：AExperimental Investigation and Design Theories

預應力型鋼混凝土結構是在預應力混凝土結構中配置軋制或焊接型鋼的組合結構，它結合了預應力結構與型鋼混凝土結構的優點.國內外已對型鋼混凝土結構作了一些研究 ［1-5］，而對預應力型鋼混凝土結構僅作了少量的研究.文獻 ［6-9］通過預應力型鋼混凝土簡支梁、連續梁的豎向靜力實驗，對預應力型鋼混凝土結構的承載力、裂縫分布與開展及變形發展情況進行了初步研究，實驗表明在型鋼混凝土梁中施加預應力，能夠提高結構構件承載力，較好地改善型鋼混凝土梁的抗裂性能，抑制裂縫開展和增加構件的剛度.實際工程大多數為有側向約束的超靜定結構如框架結構等，目前還沒有關于約束影響下預應力型鋼混凝土框架的實驗研究與理論分析.

本文研究有約束的預應力型鋼混凝土結構的受力性能特征和設計計算理論，基于兩榀大尺度后張有粘結預應力全型鋼混凝土框架的靜力試驗，系統地研究和分析了預應力型鋼混凝土框架梁的破壞形態、彎矩調幅、抗裂性能、裂縫分布和變形規律，進而分析次內力產生的本質，提出了考慮次內力包括次彎矩、次軸力的預應力型鋼混凝土結構的抗彎極限承載力、抗裂度、剛度及最大裂縫寬度計算公式，計算結果與試驗數據吻合較好.本文作為在編國家行業標準《預應力混凝土設計規范》的在研項目，所提計算理論反映了現代預應力設計理論的思想，為規范中“預應力型鋼混凝土結構”一章的編制提供依據.1 預應力型鋼混凝土框架試驗研究及

現象分析1.1 試驗框架概況

為增加試驗結果的可信度，試驗采用大比例的試驗構件， 主要考察框架梁控制截面縱向受力筋改變時結構的各項特征.框架柱中線長度為8.2 m， 構件配置足夠的箍筋以防止剪切破壞， XGKJ1縱筋采用6Ф18(HRB400)；XGKJ2縱筋采用6Ф22 (HRB400)，內置型鋼鋼材型號為Q235，梁中型鋼為Ι290×100×8×10，柱型鋼為Ι280×120×8×14，連接螺栓M20為8.8級摩擦性高強螺栓.柱內型鋼上下翼緣、梁端型鋼上翼緣設兩排Ф19@200栓釘. 裂縫寬度理論計算值與試驗值的比值為1.08±0.10，說明理論公式具有較高的精度，可用于計算正常使用階段預應力型鋼混凝土框架梁的最大裂縫寬度.4 結 論

1)預應力型鋼混凝土框架梁發生類似于鋼筋混凝土適筋梁的正截面受彎破壞，屬延性破壞.結構中型鋼和預應力的存在，抑制了裂縫的開展，受力筋屈服前，使構件在荷載增加的情況下出現了裂縫發展的“停滯”現象，這種現象使框架梁達到開裂荷載后，不因混凝土的開裂而在荷載撓度曲線上出現明顯的轉折點.

2) 試驗構件梁端形成塑性鉸實現了塑性內力重分布，位移延性比大于3，彎矩調幅值為30%左右，彎矩調幅值比普通后張有粘結預應力混凝土結構框架結構提高10%左右，實際設計中可以對預應力型鋼混凝土框架梁端進行適當的彎矩調幅設計.

3)約束及其分布是產生次內力的本質，在側向約束較大的預應力超靜定結構中，次軸力產生的不利影響不能忽略，所以在預應力型鋼混凝土結構計算理論中，不僅要考慮次彎矩，還要考慮次軸力.

4)本文提出考慮次內力包括次彎矩、次軸力的預應力型鋼混凝土結構的抗彎極限承載力、抗裂度、剛度及最大裂縫寬度計算公式，結果與試驗數據較吻合.反映了現代預應力設計理論的思想，為在編預應力混凝土設計規范中“預應力型鋼混凝土結構”一章的編制提供依據.

5)本文框架由于框架柱的側向約束較小，故次軸力的影響不明顯，但是預應力型鋼混凝土結構一般應用于大跨、超長結構中，如果不考慮次軸力的影響，可能會導致結構的不安全.參考文獻

［1］ 李俊華，李玉順，王建民，等. 型鋼混凝土柱粘結滑移本構關系與粘結滑移恢復力模型 ［J］.土木工程學報，2010， 43(3)：46-52.

LI Junhua， LI Yushun， WANG Jianmin，et al. Bondslip constitutive relation and bondslip resilience model of shapesteel reinforced concrete columns ［J］. China Civil Engineering Journal， 2010，43(3)：46-52.(In Chinese)

［2］ ROEDER C W. Composite and mixed construction ［M］. New York: ASCE， 1984.

［3］ 葉列平，方鄂華. 鋼骨混凝土構件的受力性能研究綜述 ［J］.土木工程學報，2000，33(5)：1-11.

YE Lieping， FANG Ehua. Stateoftheart of study on the behaviors of steel reinforced concrete structure ［J］.China Civil Engineering Journal， 2000， 33(5):1-11.(In Chinese)

［4］ MANFREDI G，FABBROCINO G，COSENZA E. Modeling of steelconcrete composite beams under negative bending ［J］.Journal of Engineering Mechanics， 1999， 125(6): 654-662.

［5］ FABBROCINO G， MANFREDI G， COSENZA E. Analysis of continuous composite beams including partial interaction and bond ［J］.Journal of Structure Engineering， 2000， 126(12):1288-1294.

［6］ 王鈞，鄔丹，鄭文忠.預應力H型鋼混凝土簡支梁正截面受力性能試驗 ［J］.哈爾濱工業大學學報， 2009， 41(6):22-27.

WANG Jun， WU Dan， ZHENG Wenzhong. Experimental research on flexural mechanical behavior of simple prestressed Hsteel reinforced concrete beam ［J］. Journal of Harbin Institute of Technology，2009， 41(6):22-27. (In Chinese)

［7］ 傅傳國，李玉瑩，梁書亭. 預應力型鋼混凝土簡支梁受彎性能試驗研究 ［J］.建筑結構學報，2007(6): 62-73.

FU Chuanguo， LI Yuying， LIANG Shuting. Experimental study on simply supported prestressed steel reinforced concrete beams ［J］. Journal of Building Structures，2007(6)：62-73. (In Chinese)

［8］ 李峰. 預應力鋼骨混凝土梁承載能力試驗研究 ［D］. 重慶：重慶大學土木工程學院， 2007.

LI Feng. Experimental research on the carrying capacity of the prestressed steel reinforced concrete beam ［D］.Chongqing: Chongqing University， College of Civil Engineering， 2007. (In Chinese)

［9］ 鄭文忠，王鈞，韓寶權，等. 內置H型鋼預應力混凝土連續組合梁受力性能試驗研究 ［J］. 建筑結構學報，2010(7):23-31.

ZHENG Wenzhong，WANG Jun，HAN Baoquan，et al. Experimental research on mechanical behavior of continuous prestressed composite concrete beams with encased Hsteel ［J］.Journal of Building Structures，2010(7):23-31. (In Chinese)

［10］張德峰，呂志濤. 側向約束對預應力混凝土框架壓力的影響 ［J］. 建筑結構，2001，31(5):51-52.

ZHANG Defeng， LV Zhitao. Effect of lateral restraints on the transfer of compressive force in frame structures ［J］.Building Structures， 2001，31(5):51-52.(In Chinese)

［11］熊學玉，張彩紅，吳學淑. 約束(側向)對預應力結構設計影響的研究 ［J］. 建筑結構， 2006，36(11)：88-90.

XIONG Xueyu， ZHANG Caihong，WU Xueshu. Study on lateral restraint in prestressed structure ［J］. Building Structures， 2006， 36(11)：88-90. (In Chinese)

［12］GB 50010—2010 混凝土結構設計規范 ［S］. 北京：中國建筑工業出版社，2010.

GB 50010—2010 Code for design of concrete structures ［S］. Beijing: China Architecture Building Press， 2010.(In Chinese)

［13］JGJ 138—2001 型鋼混凝土組合結構技術規程 ［S］. 北京：中國建筑工業出版社，2001.

JGJ 138—2001 Technical specification for steel reinforced concrete composite structures ［S］. Beijing: China Architecture Building Press， 2001.(In Chinese)

［14］龍馭球，包世華．結構力學教程 ［M］．北京：高等教育出版社，1988：116-126.

LONG Yuqiu， BAO Shihua. Structural mechanics tutorial ［M］. Beijing: Higher Education Press， 1988：116-126.(In Chinese)

［15］簡斌，王正霖，白紹良. 預應力混凝土連續梁彎矩調幅建議 ［J］. 重慶建筑大學學報，1999，21(2):12-18.

JIAN Bin， WANG Zhenglin， BAI Shaoliang. Suggestions for moment modulation of prestressed concrete continuous beam ［J］. Journal of Chongqing Jianzhu University， 1999，21(2): 12-18. (In Chinese)

［16］簡斌，孫新敏，王正霖.后張有粘結預應力混凝土框架彎矩調幅的試驗 ［J］. 重慶大學學報，2004， 27(4): 107-110.

JIAN Bin， SUN Xinmin， WANG Zhenglin. Experimental study on moment modulation of prestressed frames ［J］. Journal of Chongqing University， 2004， 27(4): 107-110. (In Chinese)

［17］趙世春，施建平. 型鋼混凝土梁受彎剛度計算 ［J］. 西南交通大學學報，2004，39(6)：730-733.

ZHAO Shichun，SHI Jianping. Computation of flexural rigidity of steel reinforced concrete beam ［J］. Journal of Southwest Jiaotong University，2004，39(6)：730-733. (In Chinese)

［18］白國良，姜維山，趙鴻鐵. 型鋼混凝土梁的裂縫寬度計算 ［J］.西安建筑科技大學學報， 1995，27(3)：320-328.

BAI Guoliang，JIANG Weishang，ZHAO Hongtie. Calculation crack width on SRC beam ［J］.Journal of Xi＇an University of Architecture Technology，1995，27(3)：320-328. (In Chinese)