關(guān)于組合結(jié)構(gòu)正常使用極限狀態(tài)的探討

摘 要：組合結(jié)構(gòu)是一種新型的建筑結(jié)構(gòu)。組合結(jié)構(gòu)在正常荷載作用下產(chǎn)生過大的變形、側(cè)移、振動或裂縫等，將會對結(jié)構(gòu)的正常使用造成不利影響或使人產(chǎn)生不安全感。在正常使用極限狀態(tài)中，組合結(jié)構(gòu)應(yīng)驗(yàn)算其應(yīng)力、撓度和混凝土裂縫寬度。

關(guān)鍵詞：組合結(jié)構(gòu)；正常使用極限狀態(tài)；應(yīng)力；撓度；混凝土裂縫

1 概述

組合結(jié)構(gòu)在土木工程中，指的是由兩種或兩種以上的結(jié)構(gòu)材料組成，且材料之間能以某種有效的方式傳遞內(nèi)力，以整體的形式產(chǎn)生抗力的結(jié)構(gòu)形式。它不包括兩種或兩種以上的結(jié)構(gòu)材料組成，但各種單獨(dú)發(fā)揮作用、簡單疊加、單獨(dú)承受荷載作用的結(jié)構(gòu)。鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)是土木工程中最常用的組合結(jié)構(gòu)類型。

2 正常使用極限狀態(tài)

正常使用極限狀態(tài)中，應(yīng)驗(yàn)算組合結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、撓度和混凝土裂縫寬度，以滿足規(guī)范的要求。其作用效應(yīng)的計(jì)算，應(yīng)采用整體彈性分析并考慮剪力滯后效應(yīng)及混凝土收縮徐變的影響。

2.1 應(yīng)力

組合結(jié)構(gòu)在正常使用極限狀態(tài)中的應(yīng)力計(jì)算應(yīng)采用作用效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合，即永久荷載與可變荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合。本質(zhì)上，應(yīng)使結(jié)構(gòu)在正常使用過程中處于彈性狀態(tài)。

組合結(jié)構(gòu)中鋼的應(yīng)力應(yīng)不大于鋼材屈服強(qiáng)度除系數(shù)γM，ser，見于規(guī)范《EN 1993-2》第7.3（1）。其中，系數(shù)γM，ser在該規(guī)范中取1.0。

《EN 1994-2》第7.2.2（2）規(guī)定，為滿足耐久性，混凝土應(yīng)力不大于系數(shù)k1乘混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fck，。其中，《EN 1992-1-1》給出k1=0.6。另外，當(dāng)應(yīng)力大于0.45fck時，應(yīng)考慮混凝土蠕變的影響。從《EN 1992-1-1》第3.1.4（2）中可知，隨著應(yīng)力的增大，混凝土彈性模量將逐漸減小，其蠕變呈現(xiàn)非線性變化的狀態(tài)。

《EN 1994-2》第6.8.1（3）規(guī)定，考慮到抗疲勞破壞，每個剪力連接件的剪應(yīng)力不大于系數(shù)ks乘其抗剪承載力設(shè)計(jì)值PRd，其中， ks=0.75。該條款在《EN 1994-2》中疲勞的一節(jié)，屬于承載能力極限狀態(tài)，但對正常使用極限狀態(tài)下的總剪力值作了限制，而不是對循環(huán)荷載作用下的應(yīng)力幅值作限制。然而，在承載能力極限狀態(tài)下荷載的平均分項(xiàng)系數(shù)有可能接近1.35（《EN 1990》規(guī)定，承載能力極限狀態(tài)中作用效應(yīng)的分項(xiàng)系數(shù)γ，對混凝土自重和汽車荷載取1.35，對活載取1.2），因此，承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的條件是可以作對比的。這意味著，已經(jīng)“過載”10%的承載能力極限狀態(tài)將難以優(yōu)化，此時正常使用極限狀態(tài)將起控制作用。

2.2 撓度

標(biāo)準(zhǔn)組合作用下，橋梁的撓度一般不會超過其凈空限值。這應(yīng)當(dāng)?shù)靡嬗谠诜桨冈O(shè)計(jì)階段選用了適當(dāng)?shù)慕孛?，使其具有足夠的剛度抵抗作用效?yīng)下的撓度（撓度的大小相比橋梁尺寸而言可一般忽略不計(jì)）?！禘N 1993-2》第7.8條對公路橋梁撓度性能標(biāo)準(zhǔn)提出了明確的規(guī)定。其中指出，橋梁結(jié)構(gòu)撓度過大將會對結(jié)構(gòu)的動力性能及橋面排水產(chǎn)生不利影響。從實(shí)際情況來看，一般公路橋梁的動力性能均能滿足正常使用極限狀態(tài)的要求。而適當(dāng)?shù)恼{(diào)整道路縱、橫坡，將使橋面排水問題大大減少（例外的是，當(dāng)路線的縱斷面是水平時，應(yīng)充分考慮橋面排水的設(shè)施）。

2.3 混凝土的裂縫

一般來說，混凝土板的配筋按承載能力極限狀態(tài)的強(qiáng)度來確定的，以抵抗板上的整體荷載（使板在負(fù)彎矩區(qū)產(chǎn)生拉力）及局部荷載（使板在車輛荷載等集中力的作用下產(chǎn)生彎矩）。因此，在方案設(shè)計(jì)階段，我們只關(guān)心混凝土板中的總配筋量，而不去關(guān)注實(shí)際的鋼筋尺寸及間距。考慮到混凝土耐久性，板的配筋量按承載能力極限狀態(tài)的驗(yàn)算后，還需校核正常使用極限狀態(tài)下混凝土裂縫。混凝土板產(chǎn)生裂縫的原因主要有兩個，一是板的變形（由混凝土的收縮及溫度應(yīng)力所產(chǎn)生）以及由直接作用產(chǎn)生的張拉應(yīng)力。

2.3.1最小配筋率

《EN 1994-2》第7.4.2條規(guī)定，無論板的張拉應(yīng)力是由直接作用引起，或是由間接作用引起（如收縮引起的一次和二次效應(yīng)），均應(yīng)滿足板的最小配筋率。

通常情況下，該最小配筋率遠(yuǎn)小于控制直接荷載作用下產(chǎn)生的裂縫所需的配筋率，或是抵抗承載能力極限狀態(tài)的作用效應(yīng)所需的配筋率。由《EN 1994-2》表7.1可知，當(dāng)鋼筋尺寸越小，所需的最小配筋面積則越小，因其未開裂部位與開裂部位的橫截面比值增大了，而且裂縫間的容許鋼筋應(yīng)力更高了。

2.3.2直接荷載作用產(chǎn)生的裂縫控制

板的拉應(yīng)力是由混凝土板所受到的整體荷載（在負(fù)彎矩區(qū)產(chǎn)生拉力）及局部荷載（產(chǎn)生彎矩）引起的。然而，出于耐久性的因素所考慮的裂縫寬度的限制，僅僅與準(zhǔn)永久荷載組合相關(guān)，并且該荷載組合在板內(nèi)產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力一般都很?。ó?dāng)板跨不超過4米，且僅承受自重及其表面的荷載時）。

《EN 1994-2》第7.4.條提出的有關(guān)裂縫寬度的規(guī)定，可參考《EN 1992-2》第7.3.1.條（105），在準(zhǔn)永久荷載組合的作用下，規(guī)定wmax=0.3mm。

負(fù)彎矩區(qū)的整體拉應(yīng)力（包括收縮及溫度應(yīng)力引起）因 “受拉剛化”效應(yīng)的影響而增強(qiáng)。該效應(yīng)產(chǎn)生的原因是，與開裂的截面相比，裂縫之間的混凝土能夠提供更大剛度的截面，并承擔(dān)更多板上荷載。為了維持應(yīng)力平衡以及應(yīng)變協(xié)調(diào)，裂縫中的鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變將會增大，與此相對應(yīng)的，未開裂部分混凝土中的鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變將減小?？傮w而言，負(fù)彎矩區(qū)的彎矩分布變化不大，其鋼筋的應(yīng)力只在裂縫處才有所增大。鋼筋應(yīng)力的增大取決于混凝土的抗拉強(qiáng)度和開裂部分與未開裂部分截面特性的相對關(guān)系，因此，對于直接荷載作用而言，它只是其中的一項(xiàng)簡單的附加應(yīng)力。

一旦已知總拉應(yīng)力，可由規(guī)范《EN 1994-2》表7.2查得對應(yīng)于裂縫寬度限值wmax的最大鋼筋間距。另外，為了平衡總拉應(yīng)力，規(guī)范對鋼筋間距及尺寸作了限制。可見，確定鋼筋間距后，鋼筋尺寸與應(yīng)力之間的關(guān)系與計(jì)算最小配筋量的情形相類似的，均取決于未開裂部位與開裂部位截面的比值。不同的是，準(zhǔn)永久荷載作用下的鋼筋應(yīng)力一般不會達(dá)到其尺寸的上限值。

3 結(jié)語

隨著社會的發(fā)展，將有越來越多的組合結(jié)構(gòu)被應(yīng)用在跨度大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的橋梁工程中。結(jié)構(gòu)在滿足承載能力的同時，其在正常荷載作用下的變形、振動或耐久性等通常會對使用功能造成一定的影響。因此，按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，應(yīng)再按正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行校核。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介

陳志超（1988-），男，廣東省惠州市，助理工程師，本科，研究方向：橋梁工程。