预应力钢骨混凝土梁的应用及研究进展

徐胜超

PSRC梁在高层建筑及桥梁结构等大跨、重载且对构件截面尺寸有严格要求及抗震要求高的场合有着广阔的应用前景[1,2]。

1 高层建筑转换结构上的应用

南京金山大厦PSRC转换梁[1,2]跨度8 m,一端与1700 mm×1700 mm柱相连,另一端与混凝土核心筒相连,梁截面尺寸850 mm×2000 mm,钢骨采用焊接工字钢梁,截面配钢率为3.5%,预应力筋采用直线束和曲线束相结合的布筋原则。山西省晋中市榆次区文化中心PSRC梁[1,3]计算跨度30.9 m,两端与800 mm×1500 mm的柱相连,梁截面尺寸650 mm×1900 mm,钢骨采用A3钢,预应力筋选用有粘结低松弛高强钢绞线。

梁的高度一般可以根据梁的跨高比初定。文献[4]对多座梁式转换结构转换大梁的跨高比进行了统计,在80幢采用梁式转换的结构当中,采用钢筋混凝土转换梁结构的跨高比最大为12.13,最小为1.41,平均值为4.43;采用预应力混凝土转换梁结构的跨高比最大为 8.91,最小为1.16,平均值为4.47;采用 SRC转换梁结构的跨高比最大为6.55,最小为3.93,平均值为5。从跨高比的平均值趋势来看,SRC转换梁＞预应力混凝土转换梁＞普通钢筋混凝土转换梁。

2 桥梁结构上的应用

钢骨混凝土桥梁的优点体现在施工阶段可利用钢骨架作为临时支架,大大减少了支架的使用,降低了施工费用,提高了施工效率。而PSRC梁由于施加了预应力,桥梁跨度更大,使PSRC梁用于大跨桥梁可以成为现实。

日本熊本县阿苏町 PSRC简支梁桥[5]宽8.5 m,跨长50.9 m,是目前世界上跨长最大的PSRC简支梁桥。浙江温州瓯江三桥为三跨连续钢骨混凝土梁拱组合桥(178 m)[6]。四川万县长江公路大桥:劲性骨架钢管混凝土下承式拱桥,主拱圈为钢管混凝土劲性骨架箱形混凝土结构,桥拱净跨420 m,单孔跨江,为世界最大跨径的混凝土拱桥[11]。

3 PSRC梁试验研究

3.1 静力试验

刘军进[7]结合南京金山大厦的实际工程,对其中的PSRC转换梁进行了大尺寸模型静力试验,模型设计为一个3层框架结构,从顶部加载以模拟实际工作情况,并埋设了钢筋计进行跟踪监测PSRC转换梁的工作情况。试验表明:在剪力连接件设计合理的情况下,钢骨与混凝土能够很好地共同工作,并且梁截面在开裂前后均能较好地满足平截面假定。

孙建渊[6,8]结合钱江四桥的工程背景,以含钢率及预应力度为主要参数,研究了9片后张预应力钢骨混凝土简支梁在拉、弯荷载共同作用下的力学性能。试验结果表明:预应力钢骨混凝土梁在承受一定水平拉力作用的情况下,其破坏模式同预应力混凝土适筋梁的破坏十分相似,试验梁的极限承载力随含钢率及预应力度的提高而增加,极限挠度随含钢率及预应力度的提高而降低。

傅传国[9,10]对13根预应力及普通型钢混凝土梁进行了受弯性能试验,以混凝土强度、受拉钢筋直径和预应力度为参数,跨度均为 4 m,梁截面尺寸为200 mm×350 mm,分析了其受力过程、破坏形态、裂缝的开展与分布规律、刚度变化规律等。试验结果表明:在同等截面尺寸的情况下,PSRC梁受弯承载力比相应SRC梁受弯承载力高出32.2%～66.3%;PSRC梁荷载加载前出现反拱,对梁正常使用性能有利,与SRC梁相比,开裂晚,刚度较大,挠度较小且变形恢复性能较好;与SRCB相比,PSRCB抗裂性能得到提高,在相同 M/Mu下,受拉钢筋应力减小,裂缝向上延伸的高度和裂缝宽度更小,裂缝闭合性能良好;与SRCB相比,PSRCB在卸载时,最大裂缝宽度减小更多且总体宽度较小,显示了良好的裂缝闭合性能。但该试验仅考虑了预应力直线布筋的情况。

李峰[11]对6根预应力钢骨混凝土简支梁采用两点单调静力加载方式,以梁截面尺寸、预应力度、型钢对称和偏心布置方式为参数,研究了PSRC梁的受弯受剪性能。试件均长为3.2 m,净跨为3.0 m,按截面尺寸分为 220 mm×320 mm和 220 mm×400 mm,在混凝土受拉区直线布筋,位置一定。试验结果表明:预应力明显提高了钢骨混凝土梁的抗裂性能,对于增强其长期抗弯刚度十分有利,但其延性有所下降。

杨波[12]以型钢的保护层厚度、预应力大小和截面配箍率作为参数,通过对PSRC简支梁受弯和轴心受压的试验研究,分析了荷载作用下裂缝的开展、分布及宽度以及截面的应力应变关系。试验结果表明,施加预应力可改善SRC试件的抗裂性能。

3.2 低周反复荷载试验

薛伟辰[13]以预应力度为参数对4根连续梁进行了低周反复试验,梁跨度均为4.2 m,梁截面尺寸为200 mm×300 mm,跨高比14∶1,较为系统地研究了预应力钢骨混凝土梁的破坏形态、恢复力模型、变形恢复能力、延性、耗能能力等抗震性能。表明:预应力钢骨混凝土梁的滞回曲线呈明显的梭形,表现出了较大的位移延性、良好的耗能能力和变形恢复能力,总体抗震性能优良。

傅传国[14]进行了两榀在转换大梁中采用预应力型钢混凝土结构和普通钢筋混凝土转换大梁的叠层空腹桁架结构1/8缩尺模型在水平低周反复荷载下的抗震性能试验,试验结果表明,采用预应力型钢混凝土转换大梁的结构模型,其总体受力性能和抗震性能明显优于普通钢筋混凝土结构模型。

3.3 收缩徐变

何熊[15]通过试验研究了预应力型钢混凝土构件的收缩徐变规律和由收缩徐变引起的预应力损失和截面内力重分布的问题。结果表明,混凝土收缩和徐变会使后张法得到的预应力受到很大损失(平均可达18.9%),并且会使配筋构件内部出现内力重分布,从而降低了预应力型钢混凝土构件的抗裂性能。

此外,西安建筑科技大学[16]在PSRC梁的理论和数值计算方面,同济大学、东南大学、哈尔滨工业大学、山东建筑大学、太原理工大学、重庆大学、中建二局深圳分公司等[17-27]科研单位和施工单位在PSRC结构的工程设计、施工监测等方面也做了大量工作。

4 展望

1)型钢与混凝土的粘结性能。这点在型钢混凝土中研究较多,但对于PSRC来说,是否可以沿用型钢混凝土粘结性能的原理及结论还需要开展试验进行验证。2)PSRC的疲劳性能。桥梁结构的疲劳是一个十分重要的问题,目前这方面的研究基本是空白,亟待开展相关试验研究。3)耐久性问题。跨江海的大跨桥梁由于暴露在空气、水分及江海中矿物质较多的碱性环境下,混凝土容易碳化,从而导致内部钢筋的腐蚀、锈胀,引发耐久性问题。

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