施建日 盧偉煌 張善慶 (福建省建筑設(shè)計研究院 福州350001)
提要：本文針對福建會堂工程設(shè)計實例，介紹了35米跨預(yù)應(yīng)力鋼與混凝土組合箱梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計，同時也簡要介紹了其模型試驗等情況。實踐表明，對大跨度、重載荷之鋼與混凝土組合梁施加預(yù)應(yīng)力，是提高其承載能力、剛度、改善其受力性能和降低鋼材消耗的有效方法。
關(guān)鍵詞：大跨度 預(yù)應(yīng)力 鋼與混凝土組合箱梁 設(shè)計
Structural design of 35m span PRESTRESSED COMPOSITE STEEL-CONCRETE GIRDERS
Shi Jianri Lu Weihuang Zhang Shanqing (Fujian Architecture Design Institute 350001)
Abstract:Based on the sample of FUJIAN HALL project,the structural design of 35m span prestressed composite steel-concrete girders is introduced in this paper. At the some time, such subjects as ITS model examination etc are briefly discussed. The practice shows that composite steel-concrete girders with long span, over loading are prestressed is to improve its load-carrying capacity, stiffness, mechanical behaviors and to reduce the cost of steel section
Keywords:Long span Prestreesing Composite steel-concrete girder Design
一、前言
鋼與混凝土組合梁(本文簡稱組合梁)是指由鋼筋混凝土板和鋼梁通過剪力連接件結(jié)合成一個整體的受彎構(gòu)件，它具有強度高、塑性好、剛度大、耐久性和抗疲勞性能好，施工方便，經(jīng)濟適用等優(yōu)點。近二、三十年來，組合梁已在國外廣泛應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑中，并取得了很好的效益。而預(yù)應(yīng)力鋼與混凝土組合梁(本文簡稱預(yù)應(yīng)力組合梁)則是在組合梁的基礎(chǔ)上發(fā)展起來，它以更加良好的受力性能和經(jīng)濟性能受到工程設(shè)計人員和業(yè)主的重視。這項技術(shù)在國外研究、應(yīng)用已有幾十年歷史，但我國對預(yù)應(yīng)力組合梁的研究工作才剛剛起步，在工程中的應(yīng)用，尤其是民用建筑中的應(yīng)用還很少。
二、工程概況
福建會堂位于福州西湖湖畔，西湖賓館地界內(nèi)，環(huán)境優(yōu)美，是我省重點工程項目。本工程總建筑面積為三萬七千多平方米，設(shè)兩層地下室，地上部分由主會堂和五層裙房組成。在主會堂池座上空高22.8米處設(shè)有32×35平方米的國際會議廳，該會議廳縱向柱距8米，橫向跨度達35米。對35米大跨度框架梁，如采用預(yù)制預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土箱形梁，經(jīng)試算，每根梁將達到130多噸，無法吊裝施工；如采用普通現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力梁板結(jié)構(gòu)，除不能滿足工期要求外，其高空模板支撐費用較大；因此，為保證建筑使用功能，解決施工困難，并滿足工程進度要求，經(jīng)多方設(shè)計比較分析，最后選用預(yù)應(yīng)力鋼與混凝土組合箱梁，國際會議廳的結(jié)構(gòu)布置如圖一。
三、預(yù)應(yīng)力組合箱梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計
(一)基本原理
預(yù)應(yīng)力組合梁的基本原理是在一般組合梁的受力基礎(chǔ)上，進一步在鋼梁的受拉側(cè)配置高強度鋼索，并施以較大的預(yù)拉力，使梁在受荷前產(chǎn)生反向的彎矩與反向撓度，因此對
圖一 國際會議廳樓面結(jié)構(gòu)布置圖 外荷載所產(chǎn)生的彎矩與撓度起抵消作用，從而進一步提高了組合梁承受外荷載的能力，并減少了組合梁在外荷載作用下的撓度，使預(yù)應(yīng)力組合梁的強度、剛度與經(jīng)濟性等均較一般組合梁有較大提高。
(二)設(shè)計計算
預(yù)應(yīng)力組合梁的設(shè)計計算既有與普通鋼梁相類似的強度、剛度與穩(wěn)定問題，還有與組合梁相類似的剪力連接件設(shè)計等問題；又有同預(yù)應(yīng)力混凝土梁相類似的預(yù)應(yīng)力索設(shè)置、張拉和錨固等問題，此外，它還與施工方法密切相關(guān)，因此其設(shè)計計算是比較復(fù)雜的。
本工程預(yù)應(yīng)力組合箱梁兩端支座按簡支設(shè)計，考慮承載能力和正常使用兩個極限狀態(tài)，對組合梁的截面應(yīng)力和撓度均按彈性理論進行分析［5］。其施工過程大致可分為以下四個階段：
?、僦谱麟A段：為便于運輸，本鋼梁分三段制作，然后進行現(xiàn)場整體拼裝；
?、趶埨A段：為便于施工，考慮在地面張拉完預(yù)應(yīng)力并灌漿后，再進行鋼梁的吊裝。
?、凼┕るA段：鋼梁吊裝就位后，支模澆灌梁頂?shù)匿摻罨炷烈戆澹?BR> ?、苁褂秒A段：鋼筋混凝土翼板達到設(shè)計強度后，與鋼梁形成組合作用共同承擔(dān)其使用階段的全部荷載。
為此，本工程單跨預(yù)應(yīng)力組合箱梁的設(shè)計計算，可分以下幾步進行(由于受本文篇幅所限，不具體列出有關(guān)計算公式)：
1、初選鋼梁截面
由于梁跨度及所受荷載均較大，為確保鋼梁的整體穩(wěn)定性，鋼梁截面選用閉口箱形截面。同時，經(jīng)多次試算分析，并結(jié)合鋼梁施工制作上的一些構(gòu)造要求，設(shè)計選用鋼梁截面尺寸如圖二所示： |
圖二 鋼梁截面示意圖 圖三 鋼梁組合截面示意圖
2、預(yù)應(yīng)力階段(或稱張拉階段)驗算
(1)預(yù)應(yīng)力鋼束的估算及其布置
經(jīng)多次試算分析，并結(jié)合構(gòu)造設(shè)計，鋼梁的預(yù)應(yīng)力索布置見圖二，其中下排兩束為直線索，上排兩束為折線索。
(2)預(yù)應(yīng)力損失計算
在張拉階段，鋼梁預(yù)應(yīng)力損失主要有張拉端錨具變形和預(yù)應(yīng)力筋內(nèi)縮損失，摩擦損失及預(yù)應(yīng)力筋分批張拉損失［7］，前兩種損失可按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GBJ10-89)有關(guān)規(guī)定進行計算。后一種可根據(jù)構(gòu)件變形協(xié)調(diào)條件求得。
(3)確定張拉控制應(yīng)力
考慮到使用階段預(yù)應(yīng)力鋼索存在應(yīng)力增量，可取張拉控制應(yīng)力為：0.65fptk
(4)鋼梁截面驗算
由于預(yù)應(yīng)力階段單跨簡支鋼梁屬靜定結(jié)構(gòu)，故可將施加的預(yù)應(yīng)力視為外加荷載，按無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)分析。這樣，在預(yù)應(yīng)力作用下，鋼梁為偏心受壓構(gòu)件，應(yīng)按普通鋼結(jié)構(gòu)壓彎構(gòu)件的要求進行其強度、剛度和穩(wěn)定性的驗算。張拉階段預(yù)張力分項系數(shù)可取1.1，具體計算可參考《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GBJ17-88)。
3、施工階段驗算
(1)求預(yù)應(yīng)力鋼索的內(nèi)力增量
此時，已被施加預(yù)應(yīng)力的鋼梁和預(yù)應(yīng)力索共同承擔(dān)施工階段的荷載：鋼梁及鋼索自重、次梁及鋼箱混凝土翼板和睚重、施工活載等。鋼梁屬于一次超靜定結(jié)構(gòu)，贅余力為該階段預(yù)應(yīng)力索的內(nèi)力增量X1(直線束)和X2(折線束)，它們可以根據(jù)切口處相對位移等于零的位移條件，通過列出力法典型方程組求得。
(2)鋼梁強度和穩(wěn)定驗算
此時鋼梁在初始預(yù)應(yīng)力、應(yīng)力增量及施工階段荷載作用下，應(yīng)進行強度和穩(wěn)定驗算。
(3)預(yù)應(yīng)力索強度驗算
預(yù)應(yīng)力索在施工階段的總 應(yīng)力 應(yīng)小于其設(shè)計強度。預(yù)應(yīng)力索分項系數(shù)可取1.1。
(4)撓度驗算
撓度計算屬正常使用極限狀態(tài)，采用荷載標(biāo)準(zhǔn)值按彈性方法計算。
4、使用階段驗算
(1)組合截面幾何特征計算
此時，預(yù)應(yīng)力鋼梁已與鋼筋混凝土翼板形成組合作用，組合截面如圖三所示；
(2)預(yù)應(yīng)力損失計算
在使用階段，鋼梁預(yù)應(yīng)力損失主要為預(yù)應(yīng)力鋼絞線的應(yīng)力松馳損失，由于沒有對混凝土施加預(yù)應(yīng)力，因此可不考慮混凝土的收縮和徐變損失。前者可按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GBJ10-89)有關(guān)規(guī)定進行計算。
(3)求預(yù)應(yīng)力鋼索的內(nèi)力增量
(4)鋼梁強度和穩(wěn)定驗算
(5)預(yù)應(yīng)力索強度驗算
(6)組合梁撓度驗算
以上(3)～(6)計算過程與施工階段類似。
(7)組合梁連接件 設(shè)計：其具體計算可參考文獻［4］或［5］。
5、節(jié)點及連接設(shè)計
除完成以上基本設(shè)計計算外，還應(yīng)進行鋼箱梁節(jié)點及連接等其它設(shè)計與計算，如拼接驗算、主次梁連接計算、支撐加勁肋計算、預(yù)應(yīng)力索錨固端節(jié)點驗算等。
(三)鋼梁幾種不同受力方式的比較
筆者曾根據(jù)鋼梁幾種不同的受力方式，對鋼梁跨中撓度及其上下翼緣應(yīng)力進行比較分析(如下表1)。其中，鋼梁采用圖二截面尺寸，組合梁不設(shè)板托，鋼筋混凝土翼板厚120mm，鋼梁的預(yù)應(yīng)力索布置見圖二，其中下排兩束2X5?j15為直線索，上排兩束2X5?j15為拋物線索。
表1：鋼梁不同受力方式的比較 |
比較項目 鋼梁受力方式 | 使用階段鋼梁
跨中撓度(mm) | 使用階段鋼梁跨中截面
上(下)翼緣應(yīng)力(N/mm2) |
| 普通鋼梁 | 99.68 | -227.08(227.08) |
| 預(yù)應(yīng)力鋼梁 | 83.07 | -218.19(177.75) |
| 普通鋼與混凝土組合梁 | 79.91 | -156.49(205.17) |
| 預(yù)應(yīng)力鋼與混凝土組合梁 | 63.30 | -147.60(155.85) |
由表中計算可知：由于施加了預(yù)應(yīng)力，不僅大大減少使用階段梁的撓度，而且由于高強預(yù)應(yīng)力索參與共同工作，因而提高了承載能力。其中，以預(yù)應(yīng)力組合梁的受力性能為最佳。
四、模型梁試驗簡介
由于目前我國尚無有關(guān)預(yù)應(yīng)力組合梁的規(guī)范，國外資料也只是針對某些問題的著述，而35米大跨度預(yù)應(yīng)力組合梁在我省建筑工程中的應(yīng)用尚屬首次，因此，為驗證這一新結(jié)構(gòu)的設(shè)計理論，保證施工質(zhì)量，并為該結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工提供更充分的技術(shù)參數(shù)，省建委還成立了專項課題攻關(guān)項目，由我院與福州大學(xué)土建系聯(lián)合承擔(dān)了本工程35米跨預(yù)應(yīng)力組合箱梁的模型試驗。
模型梁按實際結(jié)構(gòu)的1：5設(shè)計，為便于單梁的實驗，沒有考慮次梁的有利作用；混凝土翼板比例略大，寬400mm(兩邊出鋼梁上翼緣鋼板各100mm)，厚34mm；配4束7?5鋼鉸線預(yù)應(yīng)力筋。加載試驗采用兩三分點集中力加載，使模型梁產(chǎn)生的彎矩形狀最接近于均布荷載產(chǎn)生的彎矩圖，同時又獲得最大剪應(yīng)力。加載裝置見照片一。 |
照片二 模型梁鋼筋混凝土翼板被壓碎的情形
試驗結(jié)果表明，鋼-混凝土組合梁施加預(yù)應(yīng)力后形成的預(yù)應(yīng)力組合梁具有更好的剛度，以及更好的彈性變形恢復(fù)能力；預(yù)應(yīng)力組合梁的鋼筋混凝土翼板大大提高了組合梁的豎向與側(cè)向抗彎鋼度；端部錨固區(qū)沒有發(fā)生由于應(yīng)力集中產(chǎn)生的明顯變形，可滿足設(shè)計要求；模型梁的破壞表現(xiàn)為加載點間純彎曲區(qū)域上翼緣鋼板的屈服流動，造成鋼筋混凝土翼板剝離上翼緣鋼板，在鋼筋混凝土翼板被壓碎的瞬間，同時也發(fā)生模型梁縱向屈服破壞，見照片二。
試驗表明模型梁可以再進行一些改進或完善：如采用16Mn鋼，提高鋼材強度；提高鋼筋混凝土翼板強度，適當(dāng)加強橫向加勁肋等。這些寶貴的試驗資料，為本工程35米跨預(yù)應(yīng)力組合箱梁的設(shè)計提供了直接的和有益的幫助。
五、結(jié)語
通過本工程實踐，可得到如下結(jié)論：
1、預(yù)應(yīng)力組合梁較普通組合梁具有更好的強度、剛度和經(jīng)濟性能；有關(guān)資料表明，梁跨度越大、所受荷載越大，施加預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的效果就越顯著，經(jīng)濟性越好；
2、預(yù)應(yīng)力鋼箱梁整體穩(wěn)定性較好，可以在地面張拉完預(yù)應(yīng)力后再進行鋼梁的吊裝，因此可以極大地方便于施工；
3、對單跨、兩端簡支的大跨度預(yù)應(yīng)力組合梁，采用直線和折線雙重布索，結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡單，受力合理；
4、由于預(yù)應(yīng)力組合箱梁穩(wěn)定和承載能力大、剛度好、自重輕，因此，當(dāng)梁的跨度及荷載較大時，以及對剛度要求較高或需高空作業(yè)的結(jié)構(gòu)，采用預(yù)應(yīng)力組合箱梁具有更大的優(yōu)越性；
5、預(yù)應(yīng)力組合梁多采用預(yù)應(yīng)力高強鋼索，其反腐性能直接影響到梁的使用壽命，應(yīng)予以高度重視。對預(yù)應(yīng)力高強鋼索及其錨固端的耐久性問題要采取可靠措施，才能保證結(jié)構(gòu)的長久安全；
6、本工程由于時間等原因，無法對鋼梁的整體外形尺寸和多種布索方案進行優(yōu)化分析，否則，經(jīng)濟效益將更佳。
總之，由于預(yù)應(yīng)力組合梁較普通鋼筋混凝土梁自重輕，施工周期短；較普通組合梁承載力大，剛度高；因此，預(yù)應(yīng)力組合梁的優(yōu)越性是不容置疑的，是建筑工程中的一項高新技術(shù)，尤其是對大跨度建筑工程，有著廣闊的應(yīng)用前景。
在本工程預(yù)應(yīng)力組合箱梁的設(shè)計過程中，福州大學(xué)房貞政教授、西南交通大學(xué)宗周紅博士給筆者提供了有益的幫助和啟發(fā)，在此特表感謝!
參考文獻
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2、Prestressed Steel Briges Theory and Design M.S.Troitsky,D.Sc Professor of Engineering Concordia University Montreal
3、蘇贛平、呂志濤，“預(yù)應(yīng)力組合梁的分析和設(shè)計計算”工業(yè)建筑 1996 VoL26 No.5. P21-26。
4、朱聘儒編著，“鋼-混凝土組合梁設(shè)計原理”，中國建筑工業(yè)出版社，1989，11。
5、嚴(yán)正庭、嚴(yán)立編著，鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)計算構(gòu)造手冊，1996.5
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7、鐘善桐著，“預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)”，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1986
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