關(guān)于預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土簡支梁裂縫開展寬度及正截面抗彎承載力的性能研究

鄭晨力

(1.中南市政建設(shè)集團股份有限公司;2.北黑高速公路J4監(jiān)理辦)

關(guān)于預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土簡支梁裂縫開展寬度及正截面抗彎承載力的性能研究

鄭晨力1，2

(1.中南市政建設(shè)集團股份有限公司;2.北黑高速公路J4監(jiān)理辦)

當前我國橋梁建設(shè)正在加快發(fā)展，在施工中，應(yīng)考慮到預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土簡支梁裂縫開展寬度及正截面抗彎承載力的性能，結(jié)合這兩個方面及構(gòu)造、施工問題進行分析。

預(yù)應(yīng)力;鋼混凝土;簡支梁;裂縫;承載力

1 預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土簡支梁裂縫開展寬度性能研究

1.1 有效預(yù)應(yīng)力對裂縫開展寬度的影響

此系列為三組系列試件中的第一組系列試件，改變施加于預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土梁的有效預(yù)應(yīng)力的大小，研究不同有效預(yù)應(yīng)力下，梁的裂縫開展寬度的變化。該系列三個試件分別為BASE試件，所施加有效預(yù)應(yīng)力為300 MPa;PSRCB11試件，所施加有效預(yù)應(yīng)力為250 MPa;PSRCB12試件，所施加有效預(yù)應(yīng)力為350 MPa。

圖1 有效預(yù)應(yīng)力不同的裂縫開展寬度對比

由圖1可以看出，BASE比PSRCB11有效預(yù)應(yīng)力值增加14%，PSRCB12比PSRCB11有效預(yù)應(yīng)力值增加40%，最大裂縫分別降低了42%，56%。隨著有效預(yù)應(yīng)力的增加，預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土梁開始出現(xiàn)裂縫的時間比較晚;隨著荷載的增加，可以明顯看出，有效預(yù)應(yīng)力越大的梁，裂縫寬度越小，當達到極限荷載時，有效預(yù)應(yīng)力越高的梁，裂縫寬度明顯越小。這說明有效預(yù)應(yīng)力可以有效得控制裂縫開展寬度，直至梁發(fā)生彎曲破壞。在正常使用階段有力得控制了裂縫的開展。預(yù)應(yīng)力對裂縫有很好的抑制作用。同時還可看到，受拉受拉鋼筋屈服前，預(yù)應(yīng)力和普通型鋼混凝土梁的裂縫開展寬度隨荷載增加接近線性增長，但受拉鋼筋屈服后，裂縫寬度增長速度加快。較高的預(yù)應(yīng)力度對構(gòu)件抗裂效果明顯。

1.2 普通鋼筋配筋率對裂縫開展寬度的影響

此系列為三組系列試件中的第二組系列試件，通過改變普通鋼筋的直徑，研究普通鋼筋配筋率不同時，對梁的裂縫開展寬度的影響。該系列三個試件分別為BASE試件，普通鋼筋直徑為14 mm;PSRCB21試件，普通鋼筋直徑為12 mm;PSRCB22試件，普通鋼筋直徑為16 mm。

圖2 普通鋼筋配筋率不同的裂縫開展寬度對比

由圖2可以看出，PSRCB22比BASE裂縫寬度大，BASE比PSRCB裂縫寬度大。PSRCB21等效鋼筋直徑為24，BASE等效鋼筋直徑為28，PSRCB22等效鋼筋直徑為32，隨著等效鋼筋直徑的增加，最大裂縫寬度增大了21%，33%。這是因為裂縫寬度主要與等效鋼筋直徑有關(guān)，等效鋼筋直徑越小，混凝土與鋼筋之間的接觸面越大，鋼筋與混凝土之間粘結(jié)力越好，裂縫寬度越小。所以選擇直徑小的鋼筋，有利于裂縫寬度的控制。

1.3 混凝土強度對裂縫開展寬度的影響

此系列為三組系列試件中的第三組系列試件，通過改變混凝土的強度等級，研究混凝土強度不同時，對梁的裂縫開展寬度的影響。該系列三個試件分別為 BASE試件，選用C50型號混凝土;PSRCB41試件，選用 C40型號混凝土;PSRCB42試件，選用C60型號混凝土。

圖3 混凝土強度不同的裂縫開展寬度對比

PSRCB42與 PSRCB41、BASE截面、配筋相同，只是混凝土抗壓強度較高。PSRCB41比BASE混凝土抗拉強度提高了11%，PSRCB42比BASE混凝土抗拉強度提高了19%。從圖3可以看出，隨著混凝土強度的提高，在正常使用階段，PSRCB42比PSRCB41、BASE的裂縫寬度稍小，但不明顯。受拉鋼筋屈服后裂縫發(fā)展反而比PSRCB41、BASE更快。

1.4 結(jié)論

由圖可知:預(yù)應(yīng)力度的大小是控制最大裂縫寬度隨彎矩增長的重要因素，預(yù)應(yīng)力度越大，抗裂性能就越好，最大裂縫寬度發(fā)展隨著M/Mu增長越慢;最大裂縫寬度發(fā)展的過程與等效鋼筋直徑的大小有關(guān)，等效直徑越大，裂縫寬度就越大;混凝土強度的提高對最大裂縫寬度的影響不顯著。

PSRCB最大裂縫隨彎矩的發(fā)展過程大體可以分為3個階段。

(1)線性增長階段。由于預(yù)應(yīng)力的作用，梁的開裂彎矩增大，起始點明顯要晚于 SRCB，顯示出PSRCB具有良好的抗裂性能，最大裂縫寬度隨著彎矩近似呈線性發(fā)展，體現(xiàn)了優(yōu)良的使用性能。

(2)快速增長階段。起始點在80%Mu左右，在此階段內(nèi)最大裂縫寬度增長迅速。

(3)不穩(wěn)定的增長階段。裂縫發(fā)展的不穩(wěn)定階段，微小的應(yīng)力增量會引起裂縫寬度的急劇增大。

PSRCB最大裂縫寬度的發(fā)展過程具有起點較晚，線性段較長的特點，這表明了 PSRCB抗裂性能提高，在同等M/Mu條件下，PSRCB最大裂縫寬度更小，正截面承載力也得到更加充分的發(fā)揮。隨著預(yù)應(yīng)力度的加大，上述現(xiàn)象愈加得明顯。

對于預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土梁的裂縫開展寬度影響因素中，有效預(yù)應(yīng)力有著顯著的效果，是主要的影響因素，大大提高了預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土梁的抗裂能力。普通鋼筋的配筋率對其影響不顯著，采用高強混凝土可改善構(gòu)件的剛度。高強混凝土可減小構(gòu)件的裂縫，提高構(gòu)件的承載能力。預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土采用高強混凝土是合適、可行的。

2 預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土簡支梁正截面抗彎承載力的性能研究

2.1 有效預(yù)應(yīng)力對正截面抗彎承載力的影響

此系列為三組系列試件中的第一組系列試件，改變施加于預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土梁的有效預(yù)應(yīng)力的大小，研究不同有效預(yù)應(yīng)力下，對梁的正截面承載力的影響。該系列三個試件分別為BASE試件，所施加有效預(yù)應(yīng)力為300 MPa;PSRCB11試件，所施加有效預(yù)應(yīng)力為250 MPa;PSRCB12試件，所施加有效預(yù)應(yīng)力為350 MPa。

表1 有效預(yù)應(yīng)力不同的正截面抗彎承載力對比

BASE比 PSRCB11有效預(yù)應(yīng)力值增加14%，PSRCB12比BASE有效預(yù)應(yīng)力值增加17%。由表1可以發(fā)現(xiàn)，有效預(yù)應(yīng)力越大，開裂彎矩和極限彎矩也越大，尤其對開裂彎矩的影響明顯，隨著有效預(yù)應(yīng)力的增加，開裂彎矩與極限彎矩的比值越大。這說明了有效預(yù)應(yīng)力越大，梁的正常使用極限荷載越大，撓度也越小，并且有效預(yù)應(yīng)力大的梁的正常使用極限荷載比小的梁提高明顯，其彈性范圍長度取決于有效預(yù)應(yīng)力的大小。預(yù)應(yīng)力是事先給梁控制截面施加了與使用荷載方向相反的荷載，有效預(yù)應(yīng)力的增加，說明反向荷載更大，因而梁的正常使用承載力會更高。有效預(yù)應(yīng)力越大，開裂彎矩與極限彎矩的比值越大，這說明，有效預(yù)應(yīng)力的增大，推遲了裂縫的發(fā)展，提高了開裂彎矩。

2.2 普通鋼筋配筋率對正截面抗彎承載力的影響

此系列為三組系列試件中的第二組系列試件，通過改變普通鋼筋的直徑，研究普通鋼筋配筋率不同時，對梁的正截面抗彎承載力的影響。該系列三個試件分別為BASE試件，普通鋼筋直徑為14 mm;PSRCB21試件，普通鋼筋直徑為12 mm;PSRCB22試件，普通鋼筋直徑為16 mm。

表2 普通鋼筋配筋率不同的正截面抗彎承載力對比

PSRCB21的普通鋼筋配筋率為0.70%，BASE的普通鋼筋配筋率為0.95%，PSRCB22的普通鋼筋配筋率為1.24%。由表2可以發(fā)現(xiàn)，普通鋼筋面積越大的梁，梁的破壞極限荷載越大，而使用極限荷載增加不明顯。普通鋼筋配筋率的提高，對開裂彎矩的影響不大，對極限彎矩有所提高。這說明了普通鋼筋的配筋率對梁的開裂彎矩影響不大。只是可以提高梁的極限抗彎能力。

2.3 混凝土強度對正截面抗彎承載力的影響

此系列為三組系列試件中的第三組系列試件，通過改變混凝土的強度等級，研究混凝土強度不同時，對梁的正截面抗彎承載力的影響。該系列三個試件分別為BASE試件，選用C40混凝土;PSRCB41試件，選用C50型號混凝土;PSRCB42試件，選用C60型號混凝土。

表3 混凝土強度不同的正截面抗彎承載力對比

此系列為三組系列試件中的第三組系列試件，通過改變混凝土的強度等級，研究混凝土強度不同時，對梁的正截面抗彎承載力的影響。該系列三個試件分別為BASE試件，選用C40混凝土;PSRCB41試件，選用C50型號混凝土;PSRCB42試件，選用C60型號混凝土。

PSRCB41比BASE混凝土抗拉強度提高了11%，PSRCB42比BASE混凝土抗拉強度提高了19%。由表3可以發(fā)現(xiàn)，混凝土的強度越高，開裂彎矩越大，極限彎矩也越大，但開裂彎矩與極限彎矩的比值變化不大。這說明了高強混凝土可以明顯提高預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土梁的抗彎能力，但對于裂縫的發(fā)展不能起到很好的作用。

2.4 結(jié)論

PSRCB均為彎曲破壞。PSRCB的實測開裂彎矩為極限彎矩的18.41%Mu ～27.61%Mu，平均值為22.25%Mu，遠大于SRCB的平均開裂彎矩。預(yù)應(yīng)力技術(shù)的采用大大提高了梁的抗裂性能，首批裂縫向上延伸尚未超過鋼筋的重心位置，梁的剛度變化不太大，荷載—撓度曲線并未出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折。隨著彎矩的加大，PSRCB截面的中和軸不斷上升，裂縫繼續(xù)向上延伸，但是與相同M/Mu的 SRCB相比，裂縫延伸的高度、鋼筋的應(yīng)力和裂縫寬度都較小。在50%Mu左右純彎段裂縫基本出齊，裂縫向上延伸到型鋼下翼緣重心處，而且從50%Mu到75%Mu中和軸高度幾乎不再向上延伸。PSRCB卸載時裂縫整體大幅減小，裂縫寬度沿梁縱向的不均勻程度大大得減小，表現(xiàn)出良好的閉合性能。在80%Mu左右，受拉鋼筋和型鋼下翼緣相繼屈服。當極限彎矩時，裂縫向上延伸剛剛超出h/2截面高度，小于對應(yīng)SRCB裂縫向上延伸的高度，純彎段受壓鋼筋混凝土保護層以上混凝土被壓碎而破壞。試驗結(jié)束卸載后，梁的殘余撓度和殘余裂縫寬度較小，除受壓區(qū)混凝土壓碎的梁段外，原有的裂縫寬度已經(jīng)很難觀測到。在同等截面尺寸的情況下，PSRCB受彎承載力比相應(yīng)的SRCB受彎承載力高出了32.2% ～66.3%相同情況的SRCB)，因此PSRCB更適用于大跨和重載等結(jié)構(gòu)。

對于預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土梁的正截面抗彎承載力的影響因素中，有效預(yù)應(yīng)力的增大，普通鋼筋的配筋率的提高，混凝土強度的提高都能提高預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土梁的抗彎承載了。其中有效預(yù)應(yīng)力對開裂彎矩有明顯的影響，混凝土強度的提高對開裂彎矩和極限彎矩都有明顯的影響，普通鋼筋的配筋率對極限彎矩有所提高，但對開裂彎矩的影響不明顯。

3 預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土梁的構(gòu)造及施工問題

3.1 構(gòu)造要求

預(yù)應(yīng)力組合結(jié)構(gòu)中，預(yù)加的應(yīng)力較大，張拉時不能一次到位，需要根據(jù)所加荷載的大小、工程施工次序和工況，分批、分階段進行張拉。多次張拉雖然能夠節(jié)省大量鋼材，但施工復(fù)雜，且結(jié)構(gòu)內(nèi)存在了較大的彈性變形能，一旦受到意外荷載作用或結(jié)構(gòu)的恒荷載突然減小時，將會使結(jié)構(gòu)物導(dǎo)致破壞或突然倒塌。此外，預(yù)應(yīng)力束的構(gòu)造應(yīng)按照現(xiàn)行規(guī)范要求進行。

用于預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土構(gòu)件中的混凝土強度等級不應(yīng)低于C30，普通鋼筋和箍筋應(yīng)用一級鋼二級鋼，對用于抗震結(jié)構(gòu)中的型鋼應(yīng)用延性較好的普通碳素鋼和低合金鋼，對于無抗震要求的結(jié)構(gòu)可用更高強度的型鋼，型鋼鋼板的寬厚比應(yīng)符合相關(guān)規(guī)范。在型鋼與混凝土的交界面處為防止掀起力作用，使混凝土與型鋼上下分離，必須在粘結(jié)面上設(shè)置栓釘?shù)瓤辜暨B接件，以保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件的組合效果。栓釘?shù)拈L度一般取為100 mm，間距100 mm，直徑16 mm。預(yù)應(yīng)力束可以固定在同型鋼腹板焊連的短鋼筋上。型鋼的存在可以改善預(yù)應(yīng)力較高局壓對梁端產(chǎn)生的不利的應(yīng)力狀態(tài)，設(shè)計時在型鋼端部焊接鋼板，以承受預(yù)應(yīng)力筋傳來的集中力。為了保證預(yù)應(yīng)力的有效強度，應(yīng)控制預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)應(yīng)力損失。

3.2 施工要求

預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土梁的施工方法一般有3種。

(1)澆筑混凝土時型鋼下不設(shè)臨時支撐。

(2)澆筑混凝土時型鋼下架設(shè)臨時支撐。

(3)澆筑混凝土時型鋼下有臨時支撐，但在澆筑混凝土時支撐已受壓，其反力使型鋼產(chǎn)生反拱。

施加預(yù)應(yīng)力的順序有兩種方法。

(1)先施加預(yù)應(yīng)力，再澆筑混凝土，被稱為先張法。

(2)在型鋼上現(xiàn)澆混凝土形成普通型鋼混凝土梁，然后利用混凝土中的預(yù)應(yīng)力束對梁施加后張拉預(yù)應(yīng)力，稱為后張法。采用后張法需要較多的預(yù)應(yīng)力束和較大的預(yù)應(yīng)力度才能夠達到一定的效果。

預(yù)應(yīng)力順序和施工方法將影響使用階段預(yù)應(yīng)力組合梁的受力和變形以及梁翼緣進入屈服或喪失穩(wěn)定的時間，所以對于所有類型截面在正常使用極限狀態(tài)和破壞極限狀態(tài)的驗算，都要考慮施工方法和預(yù)應(yīng)力順序的影響。

［1］王連廣，李立新.國外型鋼混凝土(SRC)結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范基礎(chǔ)介紹［M］.建筑結(jié)構(gòu)，2001.

［2］白國良，秦福華.型鋼鋼筋混凝土原理與設(shè)計［M］.科學(xué)技術(shù)出版社，2000.

［3］趙鴻鐵.鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)［M］.科學(xué)出版社，2001.

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1008－3383(2011)12－0058－02

2011－10－11