預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土結(jié)構(gòu)計(jì)算分析與運(yùn)用

周 振,雍 軍

(1.中國(guó)建筑西南設(shè)計(jì)研究院,四川成都 610081;2.成都大學(xué)城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院,四川成都 610106)

預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土結(jié)構(gòu)計(jì)算分析與運(yùn)用

周 振1,雍 軍2

(1.中國(guó)建筑西南設(shè)計(jì)研究院,四川成都 610081;2.成都大學(xué)城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院,四川成都 610106)

針對(duì)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(gòu)件。對(duì)鋼管混凝土施加體內(nèi)反向預(yù)應(yīng)力,可以使非預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土構(gòu)件中的鋼管承擔(dān)外荷載比重增大,緊箍效應(yīng)提前發(fā)生,利于混凝土與鋼管共同作用。最后,把預(yù)應(yīng)力矩形鋼管混凝土梁和圓鋼管混凝土柱,運(yùn)用在大跨度,大空間結(jié)構(gòu)中,充分發(fā)揮鋼管混凝土的優(yōu)點(diǎn),提高結(jié)構(gòu)整體承載力和穩(wěn)定性。

鋼管混凝土; 預(yù)應(yīng)力; 柱; 梁

鋼管混凝土具有抗壓強(qiáng)度高,塑性性能好,抗震性能優(yōu)異,堪稱是一種優(yōu)質(zhì)、高強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)合理的構(gòu)件。當(dāng)然,這種構(gòu)件只適宜于軸心受壓構(gòu)件或小偏心受壓構(gòu)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(gòu)件受力性能及鋼管混凝土能運(yùn)用于受彎構(gòu)件,可在鋼管混凝土構(gòu)件體內(nèi)加偏心預(yù)應(yīng)力,方向與荷載方向相反,以提高構(gòu)件在彈性階段的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

1 預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土柱

1.1 受力分析

首先,采用“鋼管混凝土統(tǒng)一理論”[1],把鋼管混凝土視為統(tǒng)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(yù)應(yīng)力。

圖1 預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土構(gòu)件受力模式

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

1.2 計(jì)算公式

基本假設(shè):(1)小變形假設(shè);(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(yù)應(yīng)力筋截面面積計(jì)算公式推導(dǎo)如下。

1.2.1 未作用外荷載時(shí)

以截面纖維屈服為準(zhǔn)則,假定施力預(yù)應(yīng)力后,鋼管混凝土為小偏心及軸心受壓構(gòu)件。由材料力學(xué)及“統(tǒng)一理論”[1]得,

式中:Np為預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)張拉力,Np=σconAp,σcon為預(yù)應(yīng)力筋的控制應(yīng)力,Ap為預(yù)應(yīng)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(shù),圓截面時(shí)Wsc=πR03/4;ep為預(yù)應(yīng)力筋的偏心距;fsc為圓鋼管混凝土的組合抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;β為折減系數(shù),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(shù)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(gòu)件的承載力設(shè)計(jì)值N0=fyc·Asc;

最后得:Ap≤0.2βN0/σcon(4)

1.2.2 外荷載作用時(shí)

強(qiáng)度驗(yàn)算[1],

在估算預(yù)應(yīng)力筋面積時(shí)可以采用式(4)和式(5)。

1.2.3 界限長(zhǎng)細(xì)比[λsc][5]

由式(6)知,只有當(dāng)壓桿 λsc≥[λsc],才能應(yīng)用歐拉公式,也就屬于線彈性穩(wěn)定問題。本文中鋼管混凝土受壓構(gòu)件也正因?yàn)槿岫冗^大,超過柔度界限值,才設(shè)置預(yù)應(yīng)力,以此提高構(gòu)件穩(wěn)定承載力。

2 預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土框架

2.1 預(yù)應(yīng)力矩形鋼管混凝土梁[7]

對(duì)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(fā)揮材料的特性,因此本文在矩形鋼管混凝土的受拉區(qū)布置高強(qiáng)鋼筋,并施加預(yù)應(yīng)力,以提高構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度。

圖2 預(yù)應(yīng)力矩形鋼管混凝土梁與鋼管混凝土柱節(jié)點(diǎn)

對(duì)于荷載較小的梁,采用普通混凝土梁抗彎比較經(jīng)濟(jì);對(duì)于荷載較大、跨度較大的梁,在矩形鋼管混凝土受拉區(qū)合理設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力筋,可以顯著提高梁抗彎設(shè)計(jì)承載力,同時(shí)施加預(yù)應(yīng)力,可以大幅減小變形。

2.2 預(yù)應(yīng)力圓鋼管混凝土柱與梁的框架構(gòu)造措施

(1)梁、柱框架節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)必須滿足強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)原則,其節(jié)點(diǎn)大樣可參照?qǐng)D 2[8]。

(2)預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土構(gòu)件其預(yù)應(yīng)力部分構(gòu)造要求及措施可詳參考文獻(xiàn)[2]及預(yù)應(yīng)力相應(yīng)規(guī)程,其局部承壓計(jì)算可依規(guī)定相應(yīng)降低。

(3)預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土的設(shè)計(jì)構(gòu)造要點(diǎn),施工要求及有關(guān)節(jié)點(diǎn)要求,可參照文獻(xiàn)[3]。

2.3 預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土框架設(shè)計(jì)實(shí)例

本工程為某活動(dòng)中心(見圖 3),主體高度 18m,共三層,該棟結(jié)構(gòu)分左、右兩部分中間設(shè)防震縫。左部分為大活動(dòng)廳。活動(dòng)廳大屋面為活動(dòng)區(qū),頂層為 12m構(gòu)造層,結(jié)構(gòu)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(shè)防烈度為 7度,地震分組為第二組,設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10 g,設(shè)計(jì)特征值周期為 0.4 s,建筑場(chǎng)地類別為II類。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(yù)應(yīng)力梁框架,局部采用預(yù)應(yīng)力梁,預(yù)應(yīng)力采用 1×7鋼絞線,分析數(shù)據(jù)及結(jié)果詳表 1～表 3;

為滿足外觀需要,頂層梁柱截面尺寸受限,對(duì)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(duì)屋面層柱施加預(yù)應(yīng)力。大屋面采用預(yù)應(yīng)力混凝土梁,小屋面采用矩形鋼管混凝土梁。

圖3 活動(dòng)中心結(jié)構(gòu)三維模型示意

對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行線性屈曲分析,小屋面采用 Ф800預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土柱時(shí),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(shí),屈曲荷載為 39 000 kN。

以上數(shù)據(jù)顯示鋼管混凝土柱,由于預(yù)應(yīng)力的存在,會(huì)增大柱的壓力,可以使鋼管混凝土運(yùn)用于大偏心構(gòu)件,鋼管混凝土柱可以充分發(fā)揮其優(yōu)良的抗壓性能,又能使結(jié)構(gòu)具有較好的延性,提高其承載力與穩(wěn)定性。同時(shí)與預(yù)應(yīng)力混凝土梁及預(yù)應(yīng)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(shí),滿足結(jié)構(gòu)承載力及變形要求。

3 結(jié)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(yù)應(yīng)力鋼筋組成的框架結(jié)構(gòu)計(jì)算分析與運(yùn)用。

(1)施加預(yù)應(yīng)力的圓鋼管混凝土柱,可以把大偏心受力柱轉(zhuǎn)化為小偏心或軸心受力柱,發(fā)揮鋼管混凝土構(gòu)件力學(xué)優(yōu)點(diǎn),以滿足框架柱的需要。對(duì)荷載較大,跨度大的梁,在矩形鋼管混凝土梁受拉區(qū)合理設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力筋,可以顯著提高梁抗彎設(shè)計(jì)承載力,減小梁變形。

(2)本文提出的預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu),通過施加預(yù)應(yīng)力,發(fā)揮鋼管混凝土作用,使結(jié)構(gòu)具有高承載力,穩(wěn)定性的特點(diǎn),可以減小構(gòu)件截面尺寸的優(yōu)點(diǎn)。適用于大跨、重載等結(jié)構(gòu)體系。

(3)由于預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土結(jié)構(gòu)主要針對(duì)豎向荷載特點(diǎn),本文中的預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土結(jié)構(gòu)適用于無抗震及 6、7度抗震區(qū)的大空間結(jié)構(gòu)。

(4)預(yù)應(yīng)力技術(shù)的引進(jìn),使鋼管混凝土的受力性能得到改善,擴(kuò)大了其應(yīng)用領(lǐng)域,推動(dòng)了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步發(fā)展,但預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土結(jié)構(gòu)還有一些問題有待解決:

①鋼管混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)分析和工程運(yùn)用。②鋼管混凝土梁、柱張拉預(yù)應(yīng)力的施工過程及張拉端、錨固端處理。③預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能研究和設(shè)計(jì)。④除大空間結(jié)構(gòu),在其它結(jié)構(gòu)體系中的運(yùn)用。⑤預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土構(gòu)件的抗疲勞強(qiáng)度。

[1] 鐘善桐.鋼管混凝土統(tǒng)一理論—研究與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2006

[2] 陶學(xué)康.后張預(yù)應(yīng)力混凝土設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1996

[3] CECS 28:90鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程[S]

[4] CECS 159:2004矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S]

[5] 陳波.預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土組合構(gòu)件的穩(wěn)定性研究[J].力學(xué)與實(shí)踐,2006(6)

[6] 黃祥海,王群依.鋼管混凝土偏壓柱設(shè)置體內(nèi)反向偏心預(yù)應(yīng)力鋼筋的計(jì)算方法研究[J].工業(yè)建筑,2005(增刊)

[7] 馬星,徐祝嶺.預(yù)應(yīng)力矩形鋼管混凝土梁力學(xué)性能研究[J].工業(yè)建筑,2003(1)

[8] 孫健.新型鋼管混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能研究[D].大連理工大學(xué),2008

TU312+.1

A

2010-02-08

周振(1983～),男,助理工程師。