预应力组合梁研究综述

2013-12-05李勇

科技致富向导 2013年22期

李勇

【摘要】预应力组合梁充分利用了高强预应力筋、钢材和混凝土三种材料的力学性能，具有应用范围广、承载力高、使用性能好、抗疲劳性能优良和经济性较好等特点，目前在国内外得到了越来越多的应用。本文对预应力组合梁在国内外的最新应用进展进行了总结和回顾，介绍了预应力组合梁的受力性能，阐述了其优点和应用实例，并针对存在的问题提出了建议。

【关键词】预应力组合梁；力学性能；抗震性能

0.前言

组合梁是充分利用钢与混凝土两种材料的结构特点，通过剪力连接件组合而成的一个整体受弯构件，具有强度高、延性好、抗疲劳性能优越、施工简单等优点。但在实际应用中仍具有变形大、负弯矩区域混凝土板处于受拉等不足。而预应力组合梁是在普通组合梁的基础上，合理地布置高强度预应力钢筋，并对预应力张拉，使组合梁在承受全部外荷载之前建立起预应力。该预应力能减小或抵消梁在外荷载作用下产生的应力，从而降低应力峰值、提高结构刚度、改善结构受力性能。

预应力组合梁是现代预应力技术在组合结构领域的进一步发展和应用，它兼有预应力构件和组合梁的优点，具有广泛的应用前景。它的主要优点如下：充分利用了混凝土、钢材、预应力筋的材料强度，减小了构件截面尺寸；改善了构件的受力性能，扩大了弹性范围，减轻了自重，可以节约钢材10%～20%，降低构件造价5%～10%；通过施加预应力降低了构件的最大拉应力，使低韧性钢梁的脆断可能性减小，增强了结构的疲劳抗力，通过降低有效应力幅值增强了结构的疲劳使用寿命；增大了结构的刚度，提高了结构的抗震性能；通过控制结构负弯矩段裂缝，改善了结构的使用性能和耐久性；使用体外预应力体系，减小了预应力摩阻损失，便于重复张拉与维护，更换已损坏的钢索[1]。

1.预应力组合梁力学性能研究

1.1 一年持续荷载下预应力组合梁的受力性能

薛伟辰[2]基于1年长期荷载试验，对预应力组合梁的长期变形、预应力筋应变、钢梁应变、抗剪连接件的滑移等时随性能进行较为系统的研究。在此基础上，指出我国《钢结构设计规范》中有关预应力组合梁长期挠度的计算方法偏于不安全，并提出了相应的设计建议。

1.2 预应力组合梁的极限承载力计算

詹界东[3]等采用塑性分析法分析了预应力组合梁在极限状态下的受力性能.根据塑性中和轴的位置把梁的截面分为2类，分别给出了它们的判别条件和抗弯承载力的计算公式.以此确定构件的承载力.计算结果表明，在最大偏心距相同情况下，直线布置、梯形布置和三角形布置的极限承载力相同；预应力组合梁比普通组合梁的极限荷载可提高27.7% ；钢梁屈服强度提高，梁的极限荷载也随着提高。

1.3预应力作用下组合梁混凝土法向应力分析

周安[4]等针对在混凝土翼板中设置后张预应力的连续组合梁，提出由分担预加轴力、主弯矩和次弯矩产生的混凝土法向应力计算公式，主要分析施加于混凝土翼板的预应力通过剪力键向钢梁传递的力学模型，建立混凝土翼板承担的预压力沿梁纵轴的分布函数和理论解，求得考虑剪力键柔性的混凝土法向应力计算公式，作为组合梁抗裂设计依据。对于采用柔性剪力键的预应力组合梁，周安等建立了考虑剪力键滑移及组合梁压缩变形的混凝土法向应力理论计算方法，为组合梁在各个截面的抗裂分析提供了更精确的依据。

1.4预应力混凝土组合梁徐变应力重分布

预应力混凝土组合梁中，先、后浇注的混凝土的龄期和应力水平不同，两部分的徐变变形相互制约，将导致应力重分布，如何计算此效应，一直是一个空白。盛兴旺[5]等基于平截面变形假定和线性徐变理论，建立了预应力混凝土组合梁徐变应力重分布的计算理论和公式，供设计参考。最后以预应力混凝土组合T 梁为例，分析了徐变应力重分布效应。

1.5用于预制预应力组合梁的剪切强度键

在预制系统中板也是一个预制元素，板网连接是间断的且通常由通过遗留在连接线和规定间距网格之间的洞口的现浇混凝土插头（剪力键）组成。板对复合梁的抗弯强度的贡献很大程度上取决于单独键的抗剪强度和它们之间的间距。这个工作中的一个测试程序是用来估计用于实验包括预制钢筋混凝土桥面板和预制预应力混凝土梁的满刻度剪切键，作为钢筋连接数量和类型的一个功能。在测试结果和剪切摩擦模型基础上，得到了一剪切键抗剪强度的估算方程[6]。

2.预应力组合梁在负弯矩作用下的研究

2.1预应力组合梁在负弯矩作用下的塑性铰长度研究

贾远林[7]等为了研究体外预应力组合梁在负弯矩作用下的塑性铰长度，采用悬臂梁模型，运用有限元方法对截面支撑条件、跨高比及几何性质对塑性铰长度等参数的影响进行了分析. 分析结果表明，组合梁在负弯矩作用下的力学性能受稳定控制，其支座单边塑性铰长度约为0.5倍钢梁腹板高度，并不随截面几何性质、加载方式等的改变而明显变化。

2.2预应力组合梁负弯矩作用下梁端转动能力研究

对组合梁施加体外预应力，可有效提高截面的开裂弯矩，然而预应力的施加降低了板件的屈曲临界应力，减小了截面的转动能力。考虑局部屈曲的影响，对体外预应力组合梁进行了有限元非线性稳定分析，计算结果与试验实测值吻合，通过改变截面参数对27 组组合梁在不同综和力比，不同翼缘宽厚比，不同腹板高厚比，不同剪跨比下的转动能力进行了计算，研究了影响转动能力的长细比参数，回归计算转动能力、计算参数和计算公式。贾远林，陈世鸣的研究表明：文中提出的长细比参数和公式与模拟结果相关程度高，形式简单，可以用来计算Ⅰ、Ⅱ类组合梁的转动能力[8]。

3.预应力组合梁的长期性能研究

3.1预应力组合连续梁的变形计算

预应力组合连续梁作为一种更合理的结构，它具有更好的弹性更高的承载能力，减轻锕材重量以厦提高抗疲劳和抗裂性能辱优点.逐渐受到结构人员的量抚.段建中，陈苹艳通过对两根预应力组音连续粱的实验研究和分折，建立预应力组合连续梁的裂缝宽度计算式.以及挠度计算方法，井对计算结果与实验结果进行比较，证明这种计算方法是可行的[9]。

3.2预应力组合梁长期性能试验研究与时随分析

薛伟辰[10]等首次进行了预应力组合梁长期性能的试验研究。通过一年长期荷载试验，对预应力组合梁的长期变形、预应力筋应变、钢梁应变、钢梁与混凝土板之间的滑移等时随性能进行较为系统的研究，并提出了预应力组合梁长期变形的设计建议。基于龄期调整有效模量法，推导了预应力组合梁单元的徐变刚度矩阵和徐变力向量，编制了预应力组合梁时随分析程序，应用该程序的计算值与试验结果吻合较好。

4.预应力作用下组合梁的工程应用研究

4.1预应力组合梁框架抗震性能研究

薛伟辰[11]等对预应力组合梁框架的抗震性能进行试验研究与滞回分析。基于预应力组合梁框架的低周反复荷载试验，对其破坏形态、破坏机制、位移延性、耗能能力、刚度退化、变形恢复能力等抗震性能进行了较为系统的研究。研究表明预应力组合梁框架具有优良的抗震性能。编制了预应力组合梁框架滞回分析程序，探索了预应力组合梁框架理论分析的新途径。

4.2预应力组合梁施工过程模拟及其预加荷载值的计算

刘齐茂[12]等运用有限单元法单元的生死功能实现了对预应力钢混凝土组合梁施工过程的数值模拟，同时采用二分法得到所要施加的预加荷载的近似值，为预应力钢2混凝土组合梁预加荷载值设计和施工提供了一种新的计算机辅助分析方法。数值仿真结果表明，钢混凝土组合梁施工过程的仿真方法和用二分法求施加的预加荷载值是很成功的，为预应力钢2混凝土组合梁施加预加荷载值的设计和施工过程提供了一种有效的计算机辅助分析方法。

5.结束语

将高效预应力技术与普通组合梁相结合，对组合梁的钢梁和混凝土板分别施加体外预应力和无粘结预应力，即形成了一种新型预应力组合梁，它具有减小梁截面高度、均匀内力分布、提高抗裂度、减小变形、节约钢材和改善疲劳性能等优点。

自20世纪80年代以来，预应力组合梁在国内外得到了越来越多的研究，在统查阅了国内外近20年来有关预应力组合梁研究成果后，人们发现，迄今对混凝土板和钢梁均施加预应力的新型预应力组合梁的研究很少，而且国内现行设计规范中也没有相应的条款，这大大影响了这种性能优良的新型预应力组合梁的工程应用。

【参考文献】

[1]黄艳春，刘苹.预应力组合梁的应用与研究现状[J].山西建筑，2009，（1）：98～98.

[2]薛伟辰.1年持续荷载下预应力组合梁的受力性能[J].桥梁建设，2003，（2）：1～15.

[3]詹界东，张文福，王娜，白那.预应力组合梁的极限承载力计算[J].大庆石油学院学报，2004，（1）：115～116.

[4]周安，戴航，刘其伟.预应力作用下组合梁混凝土法向应力分析[J].建筑科学，2006，（1）.8～10.

[5]盛兴旺，杨建中.预应力混凝土组合梁徐变应力重分布[J].桥梁建设，2003，（4）：11～14.

[6]Strength of shear keys used in pre-cast prestressed composite beams [J]. Materials and Structures.2009，（4）：11～14.

[7]贾远林，陈世鸣，王新娣.预应力组合梁在负弯矩作用下的塑性铰长度研究[J]. 郑州大学学报，2009，（3）：5～8.

[8]贾远林，陈世鸣.预应力组合梁负弯矩作用下梁端转动能力研究[J].河北工程大学学报，2009，（1）：14～20.