体外横向预应力混凝土梁构造设计优化分析＊
2012-03-09刘灿吴波
刘 灿 吴 波
（广东交通职业技术学院1） 广州 510650） （华南理工大学亚热带建筑国家重点实验室2） 广州 510640）
0 引 言
试验研究表明，采用10．9级高强螺栓作为内置横向预应力钢筋，能有效提高梁的抗剪承载力和斜截面抗裂能力［1］．但在实际工程中，会遇到已有钢筋混凝土构件加固的问题，故本文对采用10．9级高强螺栓作为体外横向预应力筋加固已有构件的可行性进行了研究，并对体外横向预应力混凝土梁的构造设计进行了优化分析．
1 体外横向预应力混凝土梁构造设计
1.1 外置钢垫板设计
为保证体外横向预应力混凝土梁的加固效果，确保横向预应力能有效施加到混凝土梁上，设计了顶（底）板＋侧板＋肋板的钢垫板组合方式，组合方式1和组合方式2分别如图1所示，其中组合方式2将组合方式1中的肋板向内侧移动35mm．
1.2 体外横向预应力混凝土梁设计
设计的体外横向预应力混凝土梁采用C30的混凝土，截面尺寸为350mm×600mm×3 100 mm．箍筋采用HPB235级钢筋（Φ8＠150双肢箍筋），纵筋采用 HRB335级钢筋（4Φ32），架立钢筋采用HRB335级钢筋（2Φ12），腰筋采用HRB335级钢筋（4Φ12），外置横向预应力筋采用 M18的10．9级高强螺栓（间距300mm）．为确保体外横向预应力混凝土梁构造的可行性，外置横向预应力筋的张拉控制应力按《钢结构设计规范》（GB50017－2003）［2］取用635MPa．体外横向预应力混凝土梁的配筋设计如图2所示．
图1 体外横向预应力混凝土梁组合钢垫板示意图
图2 体外横向预应力混凝土梁配筋示意图
2 体外横向预应力混凝土梁钢垫板优化设计
对于体外横向预应力混凝土梁而言，组合钢垫板的尺寸选取尤为关键．如果钢垫板刚度不够，变形过大，将导致外置横向预应力无法有效施加到混凝土梁上，外置横向预应力筋的设置将达不到预期的效果．如果想把外置横向预应力技术应用到已有构件的加固上，确定合理的外置钢垫板截面尺寸是首先需要解决的问题．
为了合理选用体外横向预应力混凝土梁的钢垫板尺寸，确保外置横向预应力的有效施加，本文采用有限元方法［3－8］，对2种组合方式的钢垫板截面尺寸进行了优化分析．分析时，混凝土采用实体单元模拟，纵向受力钢筋和箍筋采用桁架单元模拟，钢垫板采用板单元模拟．2种钢垫板组合方式的有限元模型见图3．采用不同钢垫板尺寸时的有限元分析结果见表1～2．
图3 体外横向预应力混凝土梁有限元模型图
表1 不同钢垫板尺寸时的有限元分析值（组合1）
表2 不同钢垫板尺寸时的有限元分析值（组合2）
分析时，高强螺栓预拉力一次性施加，有限元分析结果表明，体外横向预应力混凝土梁的最大位移值均发生在组合钢垫板的顶板或底板上．
从表1和表2可以看出：
1）要降低组合钢垫板的最大位移值，顶（底）板厚度的选择最为关键，如果顶（底）板的厚度太薄，选取为20mm，则组合钢垫板的最大位移值会较大，且钢垫板会屈服．
2）当组合钢垫板的顶（底）板厚度达到30 mm以上时，钢垫板组合方式2的顶（底）板最大位移值均小于钢垫板组合方式1，说明钢垫板采用组合方式2更有利于外置横向预应力的施加．
3 体外横向预应力混凝土梁混凝土主应力云图分析
按照本文建议的组合方式2钢垫板尺寸，采用有限元方法对体外横向预应力混凝土梁混凝土主应力云图进行了分析，结果表明，当钢垫板采用组合方式2，顶（底）板厚度选为30～40mm，侧板和肋板尺寸选取为20～30mm时，外置横向预应力有效的施加到了混凝土上，且小于混凝土的抗压强度，混凝土不会被压碎破坏．
综合考虑节约钢材等经济因素，效果较好的2种钢垫板尺寸下的混凝土主应力云图如图4和图5所示．图4为顶（底）板尺寸为150mm×590 mm×40mm、侧板尺寸为100mm×150mm×20 mm、肋板尺寸为100mm×100mm×20mm的体外横向预应力混凝土梁的混凝土主应力云图．图5为顶（底）板尺寸为150mm×590mm×30mm、侧板尺寸为100mm×150mm×20mm、肋板尺寸为100mm×100mm×20mm的体外横向预应力混凝土梁的混凝土主应力云图．
图4 混凝土实体单元主应力云图顶板厚40mm；侧板厚20mm；肋板厚20mm
图5 混凝土实体单元主应力云图顶板厚30mm；侧板厚20mm；肋板厚20mm
4 结 论
1）有限元分析结果表明，要降低组合钢垫板的最大位移值，顶（底）板厚度的选择最为关键，如果顶（底）板的厚度太薄，选取为20mm，则组合钢垫板的最大位移值会较大，且钢垫板会屈服．
2）有限元分析结果表明，当组合钢垫板的顶（底）板厚度达到30mm以上时，钢垫板组合方式2的顶（底）板最大位移值均小于钢垫板组合方式1，说明钢垫板采用组合方式2更有利于外置横向预应力的施加．
3）综合考虑各项因素，建议组合钢垫板采用组合方式2，顶（底）板厚度选为30～40mm，侧板和肋板尺寸选取为20～30mm．
［1］吴 波，刘 灿．横向预应力混凝土梁的抗剪性能试验研究［J］．地震工程与工程振动，2007，27（2）：58－62．
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