大跨度型钢混凝土梁与预应力混凝土梁分析

ｃａｎｃｅ ｆｏｒ ｓｉｍｉｌａｒ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ.
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ: ｓｔｅｅｌ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｂｅａｍꎬｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｂｅａｍꎬａｎａｌｙｓｉｓꎬｄｅｓｉｇｎꎬｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎꎬｅｃｏｎｏｍｉｃａｌ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ
ｂｅａｍ. Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｃｏｍｐａｒｅｓ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｗｏ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｆｏｒｍｓ ｆｒｏｍ ｔｈｒｅｅ ａｓｐｅｃｔｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｄｅｓｉｇｎꎬｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｃｏ￣
ｎｏｍｉｃａｌ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ. Ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｔｅｅｌ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｆｏｒ ｌｏｎｇ － ｓｐａｎ ｂｅａｍ ｈａｓ ａｎ ａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｖｅｒ ｔｈｅ ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ ｃｏｎ￣
凝土梁的正截面及斜截面承载力由混凝土、普通钢筋、预应力
钢筋三部分组成ꎻ根据« 组合结构设计规范» [３] ５ ２ 条ꎬ型钢混
凝土梁的正截面及斜截面承载力由混凝土、普通钢筋、型钢三
部分组成ꎮ 现对两种构件的受力性能对比分析如下:
⑴型钢混凝土梁型钢腹板的作用大幅度减少了混凝土的
受压区高度ꎬ有利于实现延性支座及降低梁截面的高度ꎻ预应
作者简介:吴文彬(１９７３. １１ － ) ꎬ男ꎬ硕士ꎬ高级工程师ꎬ一级注册结构工
程师ꎬ一级注册建造师ꎬ现主要从事结构改造加固及预应力结构研究、
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ设计、施工ꎮ
邬朦(１９８９. ２ － ) ꎬ男ꎬ大学本科ꎬ工程师ꎬ现主要从事施工管理工作ꎮ
１ 设计分析
１ １ 承载力极限状态
根据« 混凝土结构设计规范» [２] ６ ２ 条、６ ３ 条ꎬ预应力混
力筋本质上是一种受力钢筋ꎬ受拉区预应力筋的配置同步增
加了混凝土的受压区高度ꎬ无法提供保证延性支座的帮助ꎻ同
时由于预应力筋张拉后等效内力( 与外荷载作用内力反向)
的作用ꎬ预应力梁的抗弯刚度得到较大幅度提高ꎬ可以有效降
低梁截面的高度ꎮ
⑵型钢混凝土梁中的型钢可视作独立的受力构件ꎬ单独
计算其抗弯、抗剪刚度ꎬ与钢筋混凝土梁共同承担外荷载的作
Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｌｏｎｇ － ｓｐａｎ Ｓｔｅｅｌ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｂｅａｍ ａｎｄ Ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｂｅａｍ
Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｓｔｅｅｌ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ａｎｄ ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ａｒｅ ｃｏｍｍｏｎｌｙ ｕｓｅｄ ｓｃｈｅｍｅ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｌｏｎｇ ｓｐａｎ ｃｏｎｃｒｅｔｅ
较分析了两种结构形式的差异性ꎮ 分析表明ꎬ大跨度梁采用型钢混凝土在承载力设计的受力性能及满足规范指标方面较预应力
混凝土有优势ꎬ在裂缝控制方面则反之ꎻ同时ꎬ型钢混凝土梁要付出更大的施工工期、额外施工措施及工程造价的代价ꎮ 对类似工
程设计选型具有一定借鉴意义ꎮ
[ 关键词] 型钢混凝土梁ꎻ预应力混凝土梁ꎻ分析ꎻ设计ꎻ施工ꎻ经济性
b11fyescu0????518由上述计算结果可知?预应力混凝土梁的界限相对受压区高度b较普通混凝土梁及型钢混凝土梁有30左右的减小?说明对于框架梁跨中截面及次梁截面?其适筋破坏的最大配筋率有较大降低?究其原因?预应力张拉后?在混凝土构件中预先建立了压应力?相对降低了受压区混凝土的抗压能力?界限相对受压区高度b相应减小?在混凝土强度及截面尺寸相同的条件下?b降低意味着适筋破坏配筋率的减小和适筋破坏能力的降低?型钢混凝土梁的容许剪压比较预应力混凝土梁有较大提高?通常情况下?大跨度梁的跨高比大于2????5?腹板高宽比不大于4????0?比较文献2第6????3????1条第11????3????3条?文献3第5????2????3条第5????2????4条的规范公式可知?普通框架梁非抗震工况和抗震工况的容许剪压比限值型钢混凝土梁均提高了80?转换梁非抗震工况提高了60?抗震工况提高了50?说明混凝土梁配置型钢后?大幅度提高了混凝土的抗剪能力?型钢混凝土梁的斜截面抗剪承载力由混凝土箍筋型钢腹板三部分组成?预应力混凝土梁的斜截面抗剪承载力由混凝土箍筋预加力三部分组成?比较文献2第6????3????4条文献3第5????2????5条的规范公式可知?由型钢提供的抗剪可达其腹板抗拉能力的58?而预应力提供的抗剪仅为其预加力的5?根据类似工程计算统计?型钢腹板提供的抗剪承载力可达混凝土抗剪承载力的1????5倍以上?而预加力提高的抗剪能力一般较小?仅为混凝土抗剪承载力的1020?预应力梁设计中通常作为安全储备?忽略其作用?1????2正常使用极限状态型钢混凝土梁的最大裂缝宽度限值与普通混凝土梁相同?一类环境为0????3?二三类环境均为0????2?预应力混凝土梁的最大裂缝宽度限值则更为严格?一类环境为0????2?二a类环境为0????1?二b及三类环境均不允许开裂?型钢混凝土梁的裂缝宽度计算考虑了钢筋型钢受拉翼缘及部分腹板的作用?预应力混凝土梁的裂缝宽度计算考虑了普通钢筋预应力筋及预应力等效弯矩及次弯矩的作用?工程实践表明?对于大跨度预应力混凝土梁?其裂缝控制较型钢混凝土梁的裂缝控制更为有利?验算型钢混凝土梁的挠度时?分别计算钢筋混凝土及型钢两部分的抗弯刚度?叠加后即为梁的整体抗弯刚度?因此型钢的存在提高了型钢混凝土梁的抗弯刚度?挠度通常情况下都能满足?预应力混凝土梁则综合考虑了预应力筋普通钢筋预应力等效弯矩的作用
计算如下:
福建建设科技 ２０２０ Ｎｏ １
■建筑结构
预应力混凝土梁:ξ ｂ ＝
β１
＝ ０ ３６９ꎬ其中ꎬ
０ ００２ ｆ ｐｙ － σ ｐ０
ｃｒｅｔｅ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ａｎｄ ｍｅｅｔｉｎｇ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎꎬｂｕｔ ｎｏｔ ｉｎ ｔｈｅ ｃｒａｃｋ ｃｏｎｔｒｏｌ. Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅꎬｔｈｅ ｓｔｅｅｌ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｏｎ￣
ｃｒｅｔｅ ｂｅａｍ ｎｅｅｄｓ ａ ｌａｒｇｅｒ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｐｅｒｉｏｄꎬａｄｄｉｔｉｏｎａｌ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｓｔ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｊｅｃｔ. Ｉｔ ｈａｓ ｃｅｒｔａｉｎ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｓｉｇｎｉｆｉ￣
用ꎮ 因此ꎬ计算框架混凝土梁支座的配筋率、受压区高度、压
拉钢筋比等抗震指标时ꎬ无需考虑型钢部分ꎮ 预应力混凝土
梁中的预应力筋则须与钢筋混凝土共同组成受力体系ꎬ因此
预应力筋须与普通钢筋一起参与各项抗震指标的计算ꎮ
⑶界限相对受压区高度 ξ ｂ :型钢混凝土梁与普通混凝土
梁差距不大ꎬ预应力混凝土梁则有较大减小ꎮ 用三级钢举例
０ 引言
行分析讨论ꎮ
型钢混凝土组合结构是把型钢埋入钢筋混凝土结构中的
一种独立的结构形式ꎬ其构件由型钢、主筋、箍筋及混凝土组
合而成ꎮ 它具有刚度大、承载力高、抗震及防火性能好、结构
局部和整体稳定性好等优点ꎬ适用于变形能力要求较高的高
层建筑、平面与竖向刚度很不均衡的结构、大跨度构件、大偏
心受压构件等
[１]
构件的稳定性、提高构件的耐疲劳性能等优点ꎮ 适用于大跨、
重载的受弯构件( 大跨度梁、无梁楼盖) 、大偏心受压构件、超
长结构、对裂缝敏感的结构构件( 如地下水对钢筋具有强腐
蚀性的抗拔桩、大型污水池等) ꎮ
大跨度梁是型钢混凝土及预应力混凝土的主要应用之
一ꎬ本文主要针对上述两种结构形式在大跨度梁中的应用进
ꎮ
预应力混凝土结构是指配置受力的预应力筋ꎬ通过张拉
或其它方法建立预加应力的混凝土结构ꎮ 这种预加应力可以
减小或抵消使用荷载应力ꎬ将结构构件的拉应力控制在较小
范围ꎬ甚至处于受压状态ꎬ以推迟混凝土裂缝的出现和开展ꎬ
从而改善结构构件的抗裂性能和刚度ꎮ 它具有抗裂性好刚度
大、节省材料减小自重、改善受弯构件的应力状态、提高受压
福建建设科技 ２０２０ Ｎｏ １
２０
■建筑结构
大跨度型钢混凝土梁与预应力混凝土梁分析
吴文彬１ 邬朦２
(１. 福建省建筑科学研究院有限责任公司 福建省绿色建筑技术重点实验室 福建福州 ３５０１０８ꎻ
２. 中建三局集团有限公司 福建厦门 ３６１００６)
[ 摘 要] 型钢混凝土与预应力混凝土是常用的解决大跨度混凝土梁的技术方案ꎮ 本文从设计、施工、经济性三个方面比