體外橫向預(yù)應(yīng)力混凝土梁構(gòu)造設(shè)計優(yōu)化分析＊

劉 燦 吳 波

（廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院1） 廣州 510650） （華南理工大學(xué)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(qiáng)螺栓作為內(nèi)置橫向預(yù)應(yīng)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(gòu)件加固的問題，故本文對采用10．9級高強(qiáng)螺栓作為體外橫向預(yù)應(yīng)力筋加固已有構(gòu)件的可行性進(jìn)行了研究，并對體外橫向預(yù)應(yīng)力混凝土梁的構(gòu)造設(shè)計進(jìn)行了優(yōu)化分析．

1 體外橫向預(yù)應(yīng)力混凝土梁構(gòu)造設(shè)計

1.1 外置鋼墊板設(shè)計

為保證體外橫向預(yù)應(yīng)力混凝土梁的加固效果，確保橫向預(yù)應(yīng)力能有效施加到混凝土梁上，設(shè)計了頂（底）板＋側(cè)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(nèi)側(cè)移動35mm．

1.2 體外橫向預(yù)應(yīng)力混凝土梁設(shè)計

設(shè)計的體外橫向預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力筋采用 M18的10．9級高強(qiáng)螺栓（間距300mm）．為確保體外橫向預(yù)應(yīng)力混凝土梁構(gòu)造的可行性，外置橫向預(yù)應(yīng)力筋的張拉控制應(yīng)力按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50017－2003）［2］取用635MPa．體外橫向預(yù)應(yīng)力混凝土梁的配筋設(shè)計如圖2所示．

圖1 體外橫向預(yù)應(yīng)力混凝土梁組合鋼墊板示意圖

圖2 體外橫向預(yù)應(yīng)力混凝土梁配筋示意圖

2 體外橫向預(yù)應(yīng)力混凝土梁鋼墊板優(yōu)化設(shè)計

對于體外橫向預(yù)應(yīng)力混凝土梁而言，組合鋼墊板的尺寸選取尤為關(guān)鍵．如果鋼墊板剛度不夠，變形過大，將導(dǎo)致外置橫向預(yù)應(yīng)力無法有效施加到混凝土梁上，外置橫向預(yù)應(yīng)力筋的設(shè)置將達(dá)不到預(yù)期的效果．如果想把外置橫向預(yù)應(yīng)力技術(shù)應(yīng)用到已有構(gòu)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(yù)應(yīng)力混凝土梁的鋼墊板尺寸，確保外置橫向預(yù)應(yīng)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(jìn)行了優(yōu)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(jié)果見表1～2．

圖3 體外橫向預(yù)應(yīng)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(qiáng)螺栓預(yù)拉力一次性施加，有限元分析結(jié)果表明，體外橫向預(yù)應(yīng)力混凝土梁的最大位移值均發(fā)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(guān)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(dāng)組合鋼墊板的頂（底）板厚度達(dá)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(yù)應(yīng)力的施加．

3 體外橫向預(yù)應(yīng)力混凝土梁混凝土主應(yīng)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(yù)應(yīng)力混凝土梁混凝土主應(yīng)力云圖進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，當(dāng)鋼墊板采用組合方式2，頂（底）板厚度選為30～40mm，側(cè)板和肋板尺寸選取為20～30mm時，外置橫向預(yù)應(yīng)力有效的施加到了混凝土上，且小于混凝土的抗壓強(qiáng)度，混凝土不會被壓碎破壞．

綜合考慮節(jié)約鋼材等經(jīng)濟(jì)因素，效果較好的2種鋼墊板尺寸下的混凝土主應(yīng)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(cè)板尺寸為100mm×150mm×20 mm、肋板尺寸為100mm×100mm×20mm的體外橫向預(yù)應(yīng)力混凝土梁的混凝土主應(yīng)力云圖．圖5為頂（底）板尺寸為150mm×590mm×30mm、側(cè)板尺寸為100mm×150mm×20mm、肋板尺寸為100mm×100mm×20mm的體外橫向預(yù)應(yīng)力混凝土梁的混凝土主應(yīng)力云圖．

圖4 混凝土實體單元主應(yīng)力云圖頂板厚40mm；側(cè)板厚20mm；肋板厚20mm

圖5 混凝土實體單元主應(yīng)力云圖頂板厚30mm；側(cè)板厚20mm；肋板厚20mm

4 結(jié) 論

1）有限元分析結(jié)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(guān)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(jié)果表明，當(dāng)組合鋼墊板的頂（底）板厚度達(dá)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(yù)應(yīng)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(cè)板和肋板尺寸選取為20～30mm．

［1］吳 波，劉 燦．橫向預(yù)應(yīng)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(shè)部．鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范GB50017－2003［S］．北京：人民交通出版社，2003．

［3］孫 海，黃鼎業(yè)，王增春，等．體外預(yù)應(yīng)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(xué)報，2000，33（2）：25－29．

［4］徐 棟，項海帆．體外預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁非線性分析［J］．同濟(jì)大學(xué)學(xué)報，2000，28（4）：402－406．

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