關于組合結構正常使用極限狀態的探討

摘 要：組合結構是一種新型的建筑結構。組合結構在正常荷載作用下產生過大的變形、側移、振動或裂縫等，將會對結構的正常使用造成不利影響或使人產生不安全感。在正常使用極限狀態中，組合結構應驗算其應力、撓度和混凝土裂縫寬度。

關鍵詞：組合結構；正常使用極限狀態；應力；撓度；混凝土裂縫

1 概述

組合結構在土木工程中，指的是由兩種或兩種以上的結構材料組成，且材料之間能以某種有效的方式傳遞內力，以整體的形式產生抗力的結構形式。它不包括兩種或兩種以上的結構材料組成，但各種單獨發揮作用、簡單疊加、單獨承受荷載作用的結構。鋼—混凝土組合結構是土木工程中最常用的組合結構類型。

2 正常使用極限狀態

正常使用極限狀態中，應驗算組合結構的應力、撓度和混凝土裂縫寬度，以滿足規范的要求。其作用效應的計算，應采用整體彈性分析并考慮剪力滯后效應及混凝土收縮徐變的影響。

2.1 應力

組合結構在正常使用極限狀態中的應力計算應采用作用效應的標準組合，即永久荷載與可變荷載的標準組合。本質上，應使結構在正常使用過程中處于彈性狀態。

組合結構中鋼的應力應不大于鋼材屈服強度除系數γM，ser，見于規范《EN 1993-2》第7.3（1）。其中，系數γM，ser在該規范中取1.0。

《EN 1994-2》第7.2.2（2）規定，為滿足耐久性，混凝土應力不大于系數k1乘混凝土軸心抗壓強度標準值fck，。其中，《EN 1992-1-1》給出k1=0.6。另外，當應力大于0.45fck時，應考慮混凝土蠕變的影響。從《EN 1992-1-1》第3.1.4（2）中可知，隨著應力的增大，混凝土彈性模量將逐漸減小，其蠕變呈現非線性變化的狀態。

《EN 1994-2》第6.8.1（3）規定，考慮到抗疲勞破壞，每個剪力連接件的剪應力不大于系數ks乘其抗剪承載力設計值PRd，其中， ks=0.75。該條款在《EN 1994-2》中疲勞的一節，屬于承載能力極限狀態，但對正常使用極限狀態下的總剪力值作了限制，而不是對循環荷載作用下的應力幅值作限制。然而，在承載能力極限狀態下荷載的平均分項系數有可能接近1.35（《EN 1990》規定，承載能力極限狀態中作用效應的分項系數γ，對混凝土自重和汽車荷載取1.35，對活載取1.2），因此，承載能力極限狀態和正常使用極限狀態的條件是可以作對比的。這意味著，已經“過載”10%的承載能力極限狀態將難以優化，此時正常使用極限狀態將起控制作用。

2.2 撓度

標準組合作用下，橋梁的撓度一般不會超過其凈空限值。這應當得益于在方案設計階段選用了適當的截面，使其具有足夠的剛度抵抗作用效應下的撓度（撓度的大小相比橋梁尺寸而言可一般忽略不計）。《EN 1993-2》第7.8條對公路橋梁撓度性能標準提出了明確的規定。其中指出，橋梁結構撓度過大將會對結構的動力性能及橋面排水產生不利影響。從實際情況來看，一般公路橋梁的動力性能均能滿足正常使用極限狀態的要求。而適當的調整道路縱、橫坡，將使橋面排水問題大大減少（例外的是，當路線的縱斷面是水平時，應充分考慮橋面排水的設施）。

2.3 混凝土的裂縫

一般來說，混凝土板的配筋按承載能力極限狀態的強度來確定的，以抵抗板上的整體荷載（使板在負彎矩區產生拉力）及局部荷載（使板在車輛荷載等集中力的作用下產生彎矩）。因此，在方案設計階段，我們只關心混凝土板中的總配筋量，而不去關注實際的鋼筋尺寸及間距。考慮到混凝土耐久性，板的配筋量按承載能力極限狀態的驗算后，還需校核正常使用極限狀態下混凝土裂縫。混凝土板產生裂縫的原因主要有兩個，一是板的變形（由混凝土的收縮及溫度應力所產生）以及由直接作用產生的張拉應力。

2.3.1最小配筋率

《EN 1994-2》第7.4.2條規定，無論板的張拉應力是由直接作用引起，或是由間接作用引起（如收縮引起的一次和二次效應），均應滿足板的最小配筋率。

通常情況下，該最小配筋率遠小于控制直接荷載作用下產生的裂縫所需的配筋率，或是抵抗承載能力極限狀態的作用效應所需的配筋率。由《EN 1994-2》表7.1可知，當鋼筋尺寸越小，所需的最小配筋面積則越小，因其未開裂部位與開裂部位的橫截面比值增大了，而且裂縫間的容許鋼筋應力更高了。

2.3.2直接荷載作用產生的裂縫控制

板的拉應力是由混凝土板所受到的整體荷載（在負彎矩區產生拉力）及局部荷載（產生彎矩）引起的。然而，出于耐久性的因素所考慮的裂縫寬度的限制，僅僅與準永久荷載組合相關，并且該荷載組合在板內產生的彎曲應力一般都很小（當板跨不超過4米，且僅承受自重及其表面的荷載時）。

《EN 1994-2》第7.4.條提出的有關裂縫寬度的規定，可參考《EN 1992-2》第7.3.1.條（105），在準永久荷載組合的作用下，規定wmax=0.3mm。

負彎矩區的整體拉應力（包括收縮及溫度應力引起）因 “受拉剛化”效應的影響而增強。該效應產生的原因是，與開裂的截面相比，裂縫之間的混凝土能夠提供更大剛度的截面，并承擔更多板上荷載。為了維持應力平衡以及應變協調，裂縫中的鋼筋的應力應變將會增大，與此相對應的，未開裂部分混凝土中的鋼筋的應力應變將減小。總體而言，負彎矩區的彎矩分布變化不大，其鋼筋的應力只在裂縫處才有所增大。鋼筋應力的增大取決于混凝土的抗拉強度和開裂部分與未開裂部分截面特性的相對關系，因此，對于直接荷載作用而言，它只是其中的一項簡單的附加應力。

一旦已知總拉應力，可由規范《EN 1994-2》表7.2查得對應于裂縫寬度限值wmax的最大鋼筋間距。另外，為了平衡總拉應力，規范對鋼筋間距及尺寸作了限制。可見，確定鋼筋間距后，鋼筋尺寸與應力之間的關系與計算最小配筋量的情形相類似的，均取決于未開裂部位與開裂部位截面的比值。不同的是，準永久荷載作用下的鋼筋應力一般不會達到其尺寸的上限值。

3 結語

隨著社會的發展，將有越來越多的組合結構被應用在跨度大、結構復雜的橋梁工程中。結構在滿足承載能力的同時，其在正常荷載作用下的變形、振動或耐久性等通常會對使用功能造成一定的影響。因此，按承載能力極限狀態設計的結構構件，應再按正常使用極限狀態進行校核。

參考文獻

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[7]王晶峰.組合結構設計.化學工業出版社，2011.

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作者簡介

陳志超（1988-），男，廣東省惠州市，助理工程師，本科，研究方向：橋梁工程。