预应力钢管混凝土结构计算分析与运用

2010-01-15周振,雍军

四川建筑 2010年6期

关键词：偏心矩形钢管

周振,雍军

(1.中国建筑西南设计研究院,四川成都 610081;2.成都大学城乡建设学院,四川成都 610106)

预应力钢管混凝土结构计算分析与运用

周振1,雍军2

(1.中国建筑西南设计研究院,四川成都 610081;2.成都大学城乡建设学院,四川成都 610106)

针对钢管混凝土,抗压性能好,但不宜用于受弯及大偏心受压受力构件。对钢管混凝土施加体内反向预应力,可以使非预应力钢管混凝土构件中的钢管承担外荷载比重增大,紧箍效应提前发生,利于混凝土与钢管共同作用。最后,把预应力矩形钢管混凝土梁和圆钢管混凝土柱,运用在大跨度,大空间结构中,充分发挥钢管混凝土的优点,提高结构整体承载力和稳定性。

钢管混凝土; 预应力; 柱; 梁

钢管混凝土具有抗压强度高,塑性性能好,抗震性能优异,堪称是一种优质、高强、经济合理的构件。当然,这种构件只适宜于轴心受压构件或小偏心受压构件,不宜用于受拉,更不宜用于受弯。因此,为了有效地提高偏心受压构件受力性能及钢管混凝土能运用于受弯构件,可在钢管混凝土构件体内加偏心预应力,方向与荷载方向相反,以提高构件在弹性阶段的强度和稳定性。

1 预应力钢管混凝土柱

1.1 受力分析

首先,采用“钢管混凝土统一理论”[1],把钢管混凝土视为统一整体,即把它看成一种单一材料研究其组合性能。施工完钢管混凝土后,张拉预应力。

图1 预应力钢管混凝土构件受力模式

此处,把预应力筋产生的预应力的作用等效荷载代替,作用于钢管混凝土上(图1)。

1.2 计算公式

基本假设:(1)小变形假设;(2)截面变形符合平截面假定;(3)杆轴线挠曲为正弦半波曲线;

预应力筋截面面积计算公式推导如下。

1.2.1 未作用外荷载时

以截面纤维屈服为准则,假定施力预应力后,钢管混凝土为小偏心及轴心受压构件。由材料力学及“统一理论”[1]得,

式中:Np为预应力筋的预张拉力,Np=σconAp,σcon为预应力筋的控制应力,Ap为预应力筋截面面积;Asc为钢管混凝土柱的截面面积;Wsc为截面模数,圆截面时Wsc=πR03/4;ep为预应力筋的偏心距;fsc为圆钢管混凝土的组合抗压强度设计值;β为折减系数,考虑初始偏心及受拉部分混凝土不参与工作,取 0.6～0.8[3];

将各参数代入式(1),得

由ep≤R0,取ep=R0代入式(2),得

式中:N0为轴心受压构件的承载力设计值N0=fyc·Asc;

最后得:Ap≤0.2βN0/σcon(4)

1.2.2 外荷载作用时

强度验算[1],

在估算预应力筋面积时可以采用式(4)和式(5)。

1.2.3 界限长细比[λsc][5]

由式(6)知,只有当压杆 λsc≥[λsc],才能应用欧拉公式,也就属于线弹性稳定问题。本文中钢管混凝土受压构件也正因为柔度过大,超过柔度界限值,才设置预应力,以此提高构件稳定承载力。

2 预应力钢管混凝土框架

2.1 预应力矩形钢管混凝土梁[7]

对于普通矩形钢管混凝土梁,由于受拉混凝土退出工作,不能充分发挥材料的特性,因此本文在矩形钢管混凝土的受拉区布置高强钢筋,并施加预应力,以提高构件的强度和刚度。

图2 预应力矩形钢管混凝土梁与钢管混凝土柱节点

对于荷载较小的梁,采用普通混凝土梁抗弯比较经济;对于荷载较大、跨度较大的梁,在矩形钢管混凝土受拉区合理设计预应力筋,可以显著提高梁抗弯设计承载力,同时施加预应力,可以大幅减小变形。

2.2 预应力圆钢管混凝土柱与梁的框架构造措施

(1)梁、柱框架节点设计必须满足强柱弱梁、强节点原则,其节点大样可参照图 2[8]。

(2)预应力钢管混凝土构件其预应力部分构造要求及措施可详参考文献[2]及预应力相应规程,其局部承压计算可依规定相应降低。

(3)预应力钢管混凝土的设计构造要点,施工要求及有关节点要求,可参照文献[3]。

2.3 预应力钢管混凝土框架设计实例

本工程为某活动中心(见图 3),主体高度 18m,共三层,该栋结构分左、右两部分中间设防震缝。左部分为大活动厅。活动厅大屋面为活动区,顶层为 12m构造层,结构主体采用钢筋混凝土框架,大空间,最大跨度大于 24m。本工程地震设防烈度为 7度,地震分组为第二组,设计基本地震加速度为0.10 g,设计特征值周期为 0.4 s,建筑场地类别为II类。结构设计使用年限为 50年。本工程采用有限元软件分析。

钢管混凝土柱与预应力梁框架,局部采用预应力梁,预应力采用 1×7钢绞线,分析数据及结果详表 1～表 3;