摘 要:詳細介紹了跨度為21 m 的活性粉末混凝土無粘結預應力疊合梁的設計過程,并與鋼—混凝土組合梁及普通預應力梁在受力性能及經濟性等方面進行了比較,得出RPC預應力疊合梁在大跨度結構中的優越性,有著廣泛的應用前景。
關鍵詞:預應力組合梁,撓度,抗剪強度,承載力
中圖分類號: TU378. 2 文獻標識碼:A
活性粉末混凝土(以下簡稱RPC) 作為高技術混凝土,其性能與普通混凝土、現有高性能混凝土相比有了質的飛躍,由于RPC具有高強度、高工作度、高體積穩定性(收縮徐變小) 和高抗滲性(耐久) ,更加適應了當代工程結構向大跨、高聳、重載方向發展和承受惡劣環境條件的需要。當今的建筑物功能與規模日新月異,建筑物投資中屬于結構造價的份額愈來愈少,而對于結構適應使用條件變化,以及延長結構使用壽命、減少結構維修周期等的需求卻愈來愈高。因此,RPC 疊合梁盡管原材料昂貴,但在經濟性和環保方面仍然優于鋼材和普通混凝土。
1 21 m跨屋面梁的設計
1. 1 設計資料[ 1 ]
某工程屋面梁跨度21 m ,柱距6 m。結構重要性系數γ0 =1. 1 ,裂縫控制等級為二級。
1. 2 普通預應力混凝土梁
截面形狀及尺寸見圖1 。使用性能、承載力等詳見文獻[1 ] 。
1. 3 RPC 預應力疊合梁(見圖2)
1) 材料。
混凝土;
預制梁[ 2 ] :
f c = 150 N/ mm2 , f t = 12 N/ mm2 , Ec = 5. 105 ×104 N/ mm2 ;
后澆板C40 :
f c = 19. 1 N/ mm2 , f t = 1. 71 N/ mm2 , Ec = 3. 25 ×104 N/ mm2 ;
預應力鋼筋采用低松弛鋼絞線2 - 6 ×7Φj5 :f ptk = 1 860 N/ mm2 , EP = 1. 95 ×105 N/ mm2 ;非預應力鋼筋。
受拉區:6Φ22 , f y = 300 N/ mm2 ,
受壓區:6Φ16 , f y = 210 N/ mm2 。
2) 內力計算。
按荷載的基本組合、標準組合和準永久組合進行內力分析,結果見表1 。
3) 預應力損失值計算[ 3 ] (跨中截面) 。
張拉控制應力值為:
σcon = 0. 7 ×f ptk = 0. 7 ×1 860 = 1 302 N/ mm2 ,
總預應力損失值:
σ1 = 189. 28 + 32. 55 + 42. 33 = 264. 16 N/ mm2 。
4) 正截面抗裂度驗算。
a. 張拉階段:σcc =-22. 15 N/ mm2 ,σct = 6. 64 N/ mm2 。
b. 使用階段:
抗裂驗算結果見表2 。
5) 正截面受彎承載力計算。
6) 斜截面承載力計算。
假設不考慮預應力鋼筋的作用,僅由混凝土抵抗剪力,則:
Vc1 = 0. 7 ×12 ×120 ×1 200 = 1 209. 6 kN > 575. 07 kN ,
Vc = 0. 7 ×1. 71 ×120 ×1 300 = 186. 73 kN。
7) 疊合面抗剪強度驗算。
8) 撓度計算。
張拉階段產生的反拱為:
荷載作用下撓度為:
總撓度值為:
f = 45. 06 - 2 ×18. 96 = 7. 14 mm。
1. 4 鋼—混凝土組合梁(按塑性理論設計)
設計了兩根鋼—混凝土組合梁,截面尺寸如圖3 和圖4 所示。后澆板混凝土仍然采用C40 ,則截面特性可參考文獻[4 ] 。
1) 荷載及內力計算(下面括號中的數據為鋼—混凝土組合梁截面二的計算結果) 。荷載僅鋼梁自重與RPC 預制梁自重不同,其余荷載均與RPC 預制梁相同。同樣,按荷載的基本組合、標準組合和準永久組合進行內力分析,結果見表3 。
2) 組合梁抗彎承載力。
x = 103 (132) mm ,塑性中和軸在混凝土板內。
Mu = 2 954 (4 206) kN·m > 2 551. 63(2 584. 37) kN·m。
3) 鋼梁的抗剪承載力和剪應力計算。
組合梁截面上的全部剪力假定僅由鋼梁腹板承受,則:
V u = 1 100 ×10 ×0. 9 ×125 = 1 237. 5 (1 350) kN > 486. 02(492. 31) kN。
由于組合截面中和軸在后澆板內,因此應驗算鋼梁中和軸處的剪應力:
4) 組合梁撓度計算。
5) 連接件計算。
采用<22 的圓柱頭焊釘做連接件,每個連接件的抗剪承載力設計值為57. 2 kN ;沿梁半跨所需連接件的數量為:
n = 20 600 ×0. 9 ×215/ 57 200 = 69. 9(89. 3) 個。
采用70 (90) 個連接件。
2 普通預應力梁、RPC 疊合梁及鋼—混凝土組合梁性能及經濟性比較
2. 1 結構性能
1) RPC 疊合梁的高度比普通預應力梁降低31 % ,與鋼—混凝土組合梁高度接近;2) RPC 疊合梁的混凝土用量比普通預應力梁節約51. 7 % ,自重降低48. 3 %;3) 若計入箍筋用量,則RPC 疊合梁的鋼筋用量與普通預應力梁大致相等;而鋼—混凝土組合梁鋼筋用量約是兩者的4 倍～5 倍;4) 除了方案4 外,前三種方案的抗彎承載力保證率基本相同;5) 后三種方案的抗剪承載力保證率基本相同,均遠遠大于普通預應力梁的抗剪承載力;6) 方案2 在使用荷載作用下撓度較小,方案3 在使用荷載作用下撓度較大,其余兩種方案使用性能基本相同,RPC 疊合梁在正常使用下,受拉邊緣混凝土不開裂。
2. 2 經濟性評價
RPC 的價格和HPC 接近,遠遠低于鋼結構,是普通混凝土價格的3 倍左右。但在結構中采用RPC 所帶來的其他經濟效益,將大大超過其本身成本的提高。RPC 疊合梁與普通預應力梁相比較,具有如下優點:1) 強度更高,因而結構尺寸更小,這就帶來結構自重減輕;高度降低,空間使用效果更好;材料用量減少,生產、運輸和施工能耗降低,建筑成本減少。2) 彈性模量更高,因而剛度更大,結構變形更小,穩定性更好。3) 耐久性好,因而結構的維修和重建費用少;抗滲性好,因而在惡劣環境條件下的使用壽命更長。4) RPC 的體積穩定性好,收縮小,在較大壓力作用下徐變小。5) RPC 早期強度增長快,這樣可加快施工進度,節省設備、管理等方面的費用。
而RPC 疊合梁與鋼—混凝土組合梁相比較,則具有如下優點:1) 在受力性能基本相同的條件下,造價更低。2) 鋼—混凝土組合梁中,混凝土板與鋼梁間大多需設置剪切連接件,施工較RPC 疊合梁麻煩。3) RPC 梁的防火性能優于鋼—混凝土組合梁。4) RPC 梁的長期維修費用遠遠低于鋼—混凝土組合梁。
3 結語
在大跨度梁中,采用RPC 預應力疊合梁,受力性能優越,與采用普通預應力混凝土梁相比較,截面尺寸大大減小,空間使用效果更好,所需的鋼材和混凝土量也大大減少;與鋼—混凝土組合梁相比較,在受力性能基本相同的條件下,成本更低,施工更為方便。RPC 預應力疊合梁以其優越的受力性能和經濟性必將得到愈來愈廣泛的應用。
參考文獻:
[1 ]陶學康. 后張預應力混凝土設計手冊[M] . 北京:中國建筑工業出版社,1996.
[2 ]馬遠榮. 活性粉末混凝土預應力疊合梁試驗研究[D] . 湖南大學碩士研究生論文,2002.
[3 ]混凝土結構設計規范[M] . 北京:中國建筑工業出版社,2002.
[4 ]嚴正庭,嚴 立. 鋼與混凝土組合結構計算構造手冊[M] . 北京:中國建筑工業出版社,1991.
