用一種新方式解決混凝土局部受壓問題*

嵇 蕾尹新生魏曉麗

(1:吉林建筑大學寒地綠色建筑技術工程中心，長春 130118;2:吉林省高速公路管理局通化管理分局，通化 134001)

混凝土局部受壓是一種常見的受力現(xiàn)象，實際工程中大量工程事故的產(chǎn)生將矛頭指向局部受壓件承載力不足這一點上.如吉林省松原市某商場，3條21 m跨度的預應力混凝土梁，局部受壓荷載作用下承載力明顯不足，產(chǎn)生壓碎破壞.以往人們主要運用在局部受壓端頭施加鋼筋網(wǎng)片，通過調(diào)節(jié)鋼筋的配筋率大小、鋼筋網(wǎng)片的位置來提高混凝土承載力，但鋼筋網(wǎng)片屬于被動約束，且施工困難，縱向裂縫和承載力提高不太大.近年來，預應力技術在土木工程中顯示出強大的生命力.本文將該技術運用到混凝土局部受壓問題中，更合理有效地解決了混凝土由于局部受壓承載力不足、裂縫不符合結(jié)構使用要求等問題.

1 混凝土局部受壓基本原理

所謂局部受壓，即指構件受力表面僅有部分面積承受壓力的受力狀態(tài).試驗表明，混凝土承壓強度值要比抗壓強度標準值大很多.關于局部承壓問題，以往大多數(shù)以“套箍強化”理論來解釋局部受壓墊板下混凝土承壓強度提高這一特征，并且以此建立計算模式.近年來，國內(nèi)外根據(jù)對局部承壓的開裂和破壞機理的研究，提出以“剪切破壞”為依據(jù)的計算機理.試驗研究認為，在局部受壓荷載N作用下，局部承壓構件可假想為帶有許多拉桿的拱[1](如圖1).當荷載N增加到使“拉桿”承受的拉力達到其抗拉強度時，局部受壓區(qū)則產(chǎn)生縱向裂縫;繼續(xù)增加荷載，局部受壓區(qū)拱頂處產(chǎn)生內(nèi)力重分布，承壓板下應力狀態(tài)為三軸受壓，由此形成剪切破壞的楔形體模型 (如圖2所示).

圖1 局部受壓區(qū)拱結(jié)構

圖2 楔形體截面上的應力狀態(tài)

2 預應力約束混凝土局部受壓構件分析

預應力混凝土與普通混凝土相比，提高了構件的剛度和抗裂能力.由于采用高強度鋼筋和高強度混凝土，減輕了構件自重，減少鋼筋用量達到節(jié)約鋼材的效果.故筆者運用預應力約束混凝土局部受壓構件，目的在于提高混凝土承載力，推遲裂縫出現(xiàn)和開展[3].

2.1 基本原理

眾所周知，混凝土是抗壓不抗拉的材料，所以混凝土構件受到局部壓力作用而發(fā)生破壞，是由于內(nèi)部形成的拉應力超過混凝土極限抗拉強度，故在混凝土峰值拉應力橫截面的對稱軸處(如圖3)設置預應力筋，且沿XY軸方向分別布置預應力筋，預應力筋提供主動約束力抵抗拉應力，從而減小峰值拉應力，使壓應力帶下原本為拉應力的區(qū)域在預應力的作用下轉(zhuǎn)化為受壓，進而約束混凝土開裂或使試件開裂較晚，提高局部受壓構件承載力.

2.2 計算方法——拉壓桿模型法

所謂拉壓桿模型法，是將同一方向上主要承受壓應力的混凝土區(qū)域用壓桿模擬，承受拉應力的區(qū)域用拉桿模擬，主要的拉壓桿交匯區(qū)以結(jié)點模擬，從而建立一個替代原結(jié)構的拉壓桿模型，并根據(jù)作用在模型上的內(nèi)外力的平衡條件計算出模型內(nèi)桿件的內(nèi)力.拉—壓桿模型比較準確地反映了D區(qū)的受力機制，以該模型進行設計代表了力的作用機制、有充分的力學依據(jù)，且滿足塑性下限定理[4].它將受力復雜的混凝土實體看成一桿系結(jié)構，以桿系結(jié)構的受力機制代替混凝土實體的受力機制，使其受力簡潔明了[5].

圖3 混凝土峰值拉應力橫截面的對稱軸

圖4 預應力筋約束下形成的拉壓桿模型

2.3 拉壓桿模型在預應力約束混凝土局部受壓構件中的建立

將混凝土局部承壓構件利用有限元程序分析，得到構件最終開裂后的內(nèi)部應力云圖，觀察在極限荷載作用下構件局部受壓區(qū)主應力跡線得出，在局部受壓面積下存在楔形體，楔形體兩側(cè)混凝土受壓，該受壓區(qū)域用壓桿模擬;在距離局壓作用面一定深度位置適當布置預應力筋，約束混凝土拉應力，預應力筋用拉桿模擬，最終在構件內(nèi)部形成一套“拉壓桿模型”(如圖4所示)，然后，利用“拉壓桿原理”計算混凝土極限承載力.

3 結(jié)論

通過以上對預應力作用下混凝土承載力提高原理的簡要闡述，我們可以看出，用預應力筋解決混凝土局部受壓問題可觀的效果及經(jīng)濟價值.今后還需要對其進行深入細致的理論研究，通過用有限元軟件，對預應力鋼絞線約束下的局部受壓構件承載力進行模擬分析，并且與相應配有鋼筋網(wǎng)片的混凝土構件進行對比分析，最后進行現(xiàn)場試驗分析.將該技術應用到實際工程中，大大提高局部受壓作用下混凝土的承載力，發(fā)揮其社會價值.

[1]楊熙坤，楊 冰，劉麗娜.混凝土及鋼筋混凝土局部承壓楔劈理論[J].低溫建筑技術，1999(4):10－12.

[2]楊熙坤，楊 冰，孟凡石.混凝土及鋼筋混凝土局部承壓若干問題[J].低溫建筑技術，1999(1):8－10.

[3]房貞政.預應力結(jié)構理論與應用[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2005:9－20.

[4]劉朝山，方從啟.混凝土結(jié)構設計的拉－壓桿模型方法[J].混凝土，2009(11):7－13.

[5]劉華新，邢 穎.拉－壓桿模型在混凝土結(jié)構教學中的應用[J].高等建筑教育，2005(12):63－65.