混凝土叠合梁设计理论综述
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第31卷第3期 2010年6月 华北水利水电学院学报 Vo1.31 No.3 Journal of North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power Jun.2010 文章编号:1002—5634(2010)03—0024—04 混凝土叠合梁设计理论综述 张多新 ,梁宾桥 ,廖松然 (1.同济大学建筑工程系,上海200092;2.华北水利水电学院,河南郑州450011; 3.信息产业电子第十一设计研究院有限公司,江苏无锡214071;4.南阳市规划设计院,河南南阳473000) 摘要:首先对叠合梁受力性能方面的研究成果进行了归纳和分析,着重分析了二次受力叠合梁在受力过程 中受拉钢筋“应力超前”、后浇混凝土“受压应变滞后”和截面内力转移等的机理;在此基础上,对叠合梁的界 限受压区高度、正截面受弯承载力、斜截面受剪承载力、叠合面受剪承载能力和变形计算进行了分析与综述; 最后,分析了预应力RPC—NC叠合梁的应用前景,并对其设计要点进行了分析,以期推动这种新结构的 发展. 关键词:叠合梁;受力性能;设计理论;RPC 中图分类号:U448.35 文献标志码:A 混凝土叠合梁结构是指在预制钢筋混凝土或 在叠合梁受力过程中,存在受拉钢筋“应力超 预应力混凝土梁(板)上后浇混凝土所形成的一种 前”和后浇混凝土“受压应变滞后”现象.这两种现 装配整体式混凝土结构,因其良好的经济效益和结 象相互依存,且随着 的增大而增大,随着 的增 构性能,已成为混凝土梁结构发展的新方向.自20 大而减小 . 世纪50年代以来,国内外都开展了相关的研 在叠合梁裂缝形态和跨中挠度方面,由于叠合 究 I2 .随着新材料与新工艺的出现,原有的研究成 截面附加拉力的有利作用,叠合梁在第2阶段荷载 果已无法适应新型叠合梁结构的要求.评述已有的 作用下的纵向受拉钢筋应力、裂缝宽度和挠度增值 研究成果分析其合理性与局限性,可为新型叠合梁 均小于整浇梁的相应值,并且裂缝沿截面高度的发 结构的设计与发展提供必要的依据. 展受到抑制而缓慢,只有当纵向受拉钢筋屈服后才 1 正截面受力性能与承载力计算 向上有较大发展.但“应力超前”现象将导致叠合梁 裂缝宽度和挠度增大,使得纵向受拉钢筋在使用阶 1.1正截面受弯性能 段就可能处于接近屈服强度的高应力状态,甚至发 已有的研究成果,以普通混凝土为工程材料,对 生断裂,故应综合少筋硬化界、少筋拉断界限值 混凝土叠合梁结构正截面受弯性能进行了试验研究 和裂缝验算3方面要求,采用应力控制的设计思想, 和理论分析.研究指出,叠合梁在两阶段受力过程 来解决上述问题. 中,平均应变均符合“平截面假定” ;由于叠合 对于钢筋混凝土及预应力混凝土叠合连续梁, 作用,预制截面的受压区处于叠合截面受载后的受 除存在跨中受拉钢筋“应力超前”、后浇混凝土“压 拉区.文献[5]提出了截面内力转移系数的概念和 应变滞后”现象外,还存在中支座“负弯矩滞后”现 计算方法,较好地反应了转移机理;但对于两种性能 象,这些现象对叠合梁的受力有较大的影响 .支 相差很大的普通混凝土,上述研究成果,带有一定的 座负弯矩调幅合理的梁,能达到充分的内力重分布, 局限性. 但支座塑性铰的出现,内力重分布随着第1阶段加 收稿日期:2010—03—22 基金项目:河南省教育厅自然科学研究计划项目(2009A560012). 作者简介:张多新(1978一),男,甘肃张掖人,讲师,博士研究生,主要从事绿色结构与工程结构绿色化方面的研究 第31卷第3期 张多新,等: 混凝土叠合梁设计理论综述 25 载的大小变化而有不同程度的推迟,使梁破坏时的 实际调幅值小于条件相同的整浇梁.预应力对截面 应力重分布的影响大于相应整浇梁,故在建立叠合 连续梁的截面内力转移系数计算公式时,应考虑荷 载预应力和预应力卸载效应差值2部分的影响.二 次受力引起叠合梁的刚度变化,叠合梁的内力重分 布过程较整浇梁复杂,可以中支座截面的弯矩调整 系数为指标,建立二次受力结构内力重分布系数来 反映这一特性 . 1.2正截面承载能力计算 钢筋混凝土叠合梁由于纵向受拉钢筋的配筋率 不同,表现为2种破坏特征:适筋破坏和超筋破坏, 破坏形态与普通钢筋混凝土梁相同.文献[4]提出 了钢筋混凝土叠合梁的正叠面承载力计算的原则, 考虑到叠合参数对叠合梁受力性能的影响,计算时 应注意以下几点: a.适筋与超筋的界限值.由于叠合梁存在受力 钢筋“应力超前”和后浇混凝土“应变滞后”的影响, 叠合梁的配筋界限值除与截面形式、尺寸,材料强度 有关,还随ot 与ot 的变化而具有不同的相对受压 区高度.已有研究表明,叠合梁的相对受压区高度大 于整浇梁,其值随第1阶段弯矩作用下的受拉钢筋 应力增大而增大.根据平截面假定,文献[6]推导出 了叠合梁相对界限受压区高度计算简化公式和最大 配筋率公式. b.钢筋应力增大系数.对于采用无明显屈服台 阶钢筋的混凝土叠合梁,正截面承载力高于整浇梁, 叠合梁钢筋应力应乘以增大系数.对于采用有明显 屈服台阶钢筋的混凝土叠合梁,其正截面受弯承载 力与整浇梁基本相同. 2斜截面受力性能与承载力计算 2.1斜截面受剪性能 叠合梁斜截面受力性能的研究始于20世纪90 年代.研究表明,叠合参数 和 对斜裂缝分布形 态没有明显的影响,但对斜裂缝发展到预制截面预 压区时的发育规律有明显影响,并成为纵向受拉钢 筋和箍筋应力变化的主要原因 .在第1阶段荷载 作用下,叠合梁中箍筋应力存在“超前现象”.当 基本相同时,超前值随着 的减小而增加.当Ot 基 本相同时,超前值随O/ 的增大而增大.在第2阶段 荷载作用下,存在箍筋应力的“滞后现象”. 文献[8]通过试验研究了集中荷载作用下二次 受力钢筋混凝土叠合梁斜截面抗剪性能.研究表明, 预制截面在第1阶段荷载作用下存在“剪应力超 前”现象,后浇混凝土在第2阶段荷载作用下才开 始受力,存在着“剪应力滞后”现象.随着梁截面剪 应力不断发生重分布,使得第1阶段荷载对预制截 面的影响减弱.因此,叠合梁与整浇梁的破坏形态相 似,但预制截面在第1阶段荷载作用下的预压应力 区能抑制斜裂缝发展,改善了斜截面的使用性能. 钢筋混凝土及预应力混凝土叠合连续梁斜截面 受力,仍存在叠合梁正弯矩区段“主拉应力超前”、 “主压应力滞后”和负弯矩区段预制构件混凝土主 压应变及主拉应变滞后现象.随着截面内力不断重 分布,上述各现象逐渐缓解,叠合连续梁截面受力状 态与整浇连续梁接近.跨中正弯矩区段在第1阶段 荷载在预制梁上部建立了受压区,起到了对叠合梁 第2次加荷时斜截面抗剪的有利作用,从而提高了 梁的抗剪强度;同时,叠合连续梁破坏时出现两条主 要斜裂缝,有利于箍筋的充分利用,减小了I临界斜裂 缝的宽度,增大了混凝土问的咬合力,进一步改善了 叠合连续梁的受剪性能.剪跨比A和两阶段混凝土 强度比 对于二次受力叠合连续梁开裂破坏有明 显影响.当A较小而 较大时,剪跨发生临界斜裂 缝穿过预压区的第一类破坏;当A较大而 较小 时,可能发能叠合面和斜截面同时破坏的情况 . 2.2斜截面受剪承载力计算 与整浇梁相似,仅配置箍筋的混凝土叠合梁斜 截面受剪承载力也可由3部分组成:无腹筋叠合梁 斜截面受剪承载力( )、箍筋受剪承载力( )和由 预应力所提高的受剪承载力( ).由于二次受力叠 合梁的斜截面受剪承载力高于整浇梁,文献[1O]计 算 , 的方法与整浇梁相同,而 则受叠合参数 和材料的影响.文献[3]考虑了预制和后浇混凝土 强度不等、纵筋销栓力以及预应力的影响,提出抗剪 承载力的计算公式,计算与试验结果相一致.文献 [11]给出了具体的设计要点. 3 叠合面受剪性能与受剪设计 3.1叠合面受剪性能 自20世纪6O年代初期起,国内外学者对叠合 梁叠合面处的应力状态及叠合面的抗剪强度进行了 大量的理论分析和实验研究¨ “ ,已得出比较一致 的结论:通过对叠合面采取适当的构造措施,完全可 以保证叠合梁的共同工作. 对于具有自然粗糙面并配置联系箍筋的二次受 力钢筋混凝土及预应力混凝土叠合梁,其叠合面受 剪性能与叠合参数有关.当 在0.4左右且剪跨比 大于1.0时,一般斜裂缝都有一段沿叠合面发展的 26 华北水利 水 电 学 院 学报 2010年6月 水平段,且剪跨比越大,水平段越长.但随着 的增 大,斜裂缝沿叠合面的水平段长度逐渐减小,到 等于0.7时,这种现象就很少见了.叠合面滑移的特 点是:在剪跨内沿叠合面上的滑移的分布是不均匀 的,在加载点和支座附近滑移小,中间滑移大 . 响而提出的.文献[11]给出了按荷载效应的标准组 合,并考虑长期作用影响的二次受力钢筋混凝土叠 合梁最大裂缝宽度计算公式;文献[1]提出了使用 阶段允许出现裂缝的预应力混凝土叠合梁最大裂缝 宽度计算公式.这些公式基本上反应了普通叠合梁 大量实验表明,影响叠合面抗剪强度的因素有 叠合面的形式、通过叠合面的箍筋抗拉强度和配筋 结构的裂缝宽度的影响因素,但对于叠合材料材性 相差甚大的叠合,需要进一步的研究. 率、混凝土的强度、叠合面的应力状态、界面剂以及 荷载性质等.一般情况下,当通过叠合面的配箍率很 小时,增加配箍率,叠合面的抗剪强度提高较快;当 配箍率较小时,增大配箍率,叠合面抗剪强度提高的 速度减慢;若配箍率较大时,叠合面的抗剪强度随配 箍率的提高而提高的速度已很慢,故在设计叠合面 时,应恰当的设联系筋.混凝土的强度对叠合面的抗 剪强度影响不大;叠合参数和剪跨不同,则叠合面的 应力状态对其抗剪强度的影响也不同 . 3.2叠合面受剪承载力计算 关于叠合面的剪应力和抗剪强度,国内外规范 和学者提出了各种不同的计算方法 ,我国混凝土 结构设计规范规定在满足构造要求时,叠合面的受 剪承载力应符合规定… ≤1.2f,bh。+0.ssf, "A -svh0, (1) 式中. 为混凝土的抗拉强度设计值,取叠合层和预 制构件中的较低值;其它变量参见文献[11]. 4使用极限状态设计 4.1抗裂度验算 预应力叠合梁和普通预应力混凝土梁的抗裂度 验算表达式相同,但由于叠合参数的影响,还需考虑 以下几个问题: a.预应力叠合梁在第2阶段荷载作用下,受拉 区的应变梯度比相应的整浇梁大,出现塑性内力重 分布和塑性区的发展,这一因素对提高叠合梁的抗 裂度是有利的.文献[15]采用塑性系数y的修正系 数 来考虑这一有利因素. b.叠合梁中,由于后浇混凝土的抑制作用,叠 合后预应力的损失就不同于整浇梁,叠合后截面的 增大,使得混凝土预压应力的减小比叠合前引起的 要小,叠合时间越早,预压应力提高的就越多 . 除以上2点,还要考虑荷载预应力对抗裂度的 影响. 4.2裂缝宽度计算 对于叠合梁的裂缝宽度的计算,国内外是在整 浇梁计算公式的基础上,考虑叠合梁二次受力的影 4.3变形验算 二次受力叠合构件的变形特点是两阶段的截面 抗弯刚度不同.为了简化叠合梁结构的长期挠度计 算,假设荷载对挠度的长期影响主要发生在叠合构 件上.现行混凝土结构设计规范给出了叠合式受弯 构件按荷载效应标准组合,并考虑荷载长期作用影 响的刚度计算公式,以及荷载效应标准组合下,短期 刚度的计算公式… ,设计时参考执行即可. 5 预应力RPC—NC叠合梁 5.1 背 景 传统设计的梁结构存在耐久性不等的现象,将 使梁结构的角区混凝土首先出现劣化,继而是受力 钢筋锈蚀,保护层脱落,最终导致混凝土梁结构失 效¨ .为此梁结构全寿命设计的最优目标是实现梁 体混凝土等耐久性设计.1993年,法国Bouygues实 验室研制的RPC,具有超高强度、高韧性、高耐久性 和高体积稳定性等特点… ,基本实现了工程技术对 混凝土各项性能的要求.以等耐久性设计为理念,借 鉴混凝土叠合梁、钢一混凝土组合梁和木一混凝土 组合梁设计思想,利用RPC,提出预应力RPC—NC 叠合梁的构想,提高了混凝土梁的耐久性,拓宽了工 程梁结构的使用范围. 5.2预应力RPC—NC优势 预应力RPC—NC叠合梁除了具备一般预应力 叠合梁的全部优势外,还具备下列优势:①由于 PRC的高耐久性和与钢筋之间良好的粘结性能,保 护了受力钢筋和预应力筋,提高了受拉区和角区混 凝土的耐久性,从而改善了梁结构的整体耐久性; ②由于RPC的超高强度,可充分利用高强度预应力 筋,建立更高的预应力,实现预应力混凝土梁结构的 轻质化和大跨化;③由于RPC的高体积稳定性,可 减少由于混凝土的徐变和收缩引起的预应力损失, 改善梁结构的使用性能,同时可以减小叠合结构叠 合材料之间的相对变形;④由于RPC的高局部受载 能力,可以减小或除去预应力梁端部的承压钢板; ⑤PRPC预制部分的截面高度小,能降低造价,并和 NC叠合成梁,增加了梁的延性;⑥由于RPC和NC 第31卷第3期 张多新,等: 混凝土叠合梁设计理论综述 率公式[J].土木T程学报,1994,27(6):29—35. 27 同是水泥基材料,材性相近,与钢一混凝土和木一混 凝土组合结构相比,叠合面抗剪强度高,可省去或减 [7]赵顺波,黄和法,李树瑶,等.均布衍载钢筋混凝土叠合 少抗剪连接件的用量;⑦与钢一混凝土和木一混凝 土组合结构相比,在相同衙载作用下,结构造价和维 修费用更低,材料更环保. 梁抗剪试验研究[J].港口T程,1998(1):6—9. [8]周旺华.钢筋混凝土及预应力混凝土叠合连续梁斜截 面受力性能试验研究[C]∥巾闰建筑科学研究院.混凝 土结构研发报告选集.北京:叶l国建筑T业 版 社.1994. 6 结 语 预应力RPC—NC叠合梁是最经济的预应力构 件之一,研究这种新型预应力叠合结构的受力性能、 设计理论和施T技术,必将推动组合结构的进一步 发展和广泛应用. [9]黄赛超,周旺华.二次受力混凝土叠合连续梁斜截面受 力性能的试验研究[J].土木T程学报,1994,27(2):65 —74. [1O]常鹏,姚谦峰.钢筋混凝土叠合粱斜截面承载力数值 模拟与影响因素分析[J].叶l同安全科学报,2005,15 (12):16—20. 国内外的叠合面受剪设计方法尚未统一,新旧 混凝土强度等级差异的大小,叠合参数( , )等 对叠合面受剪承载力的定量影响尚需进一步探讨. 参 考 文 献 ACI—ASCE Committee 333.Tentative recommendations for [11]中华人民共和国建设部.GB50010—2002混凝土结构 设计规范[s].北京:中国建筑工业出版丰1:,2002. [1 2]Hanson N W.Precast—prestressed concrete bridge horizon— tal shear connections f J].Journal PCA research and de— velopment laboratiories,1960,2(2):38—58. [1 3]ACI Committee 3 1 8.Building code requirements for struc- the design of composite beams and girder for buildings[J]. ACI Journa1,1960,57(6):609—628. chard N White.Enhanced contact model [2] Mohamed A Al1.Ritural concrete(ACI 318M一08)and commentary[s].A・ merican Concrete Institute,2008. 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