35米跨預(yù)應(yīng)力鋼與混凝土組合箱梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖一　國際會議廳樓面結(jié)構(gòu)布置圖

外荷載所產(chǎn)生的彎矩與撓度起抵消作用，從而進(jìn)一步提高了組合梁承受外荷載的能力，并減少了組合梁在外荷載作用下的撓度，使預(yù)應(yīng)力組合梁的強度、剛度與經(jīng)濟(jì)性等均較一般組合梁有較大提高。
　　(二)設(shè)計計算
　　預(yù)應(yīng)力組合梁的設(shè)計計算既有與普通鋼梁相類似的強度、剛度與穩(wěn)定問題，還有與組合梁相類似的剪力連接件設(shè)計等問題；又有同預(yù)應(yīng)力混凝土梁相類似的預(yù)應(yīng)力索設(shè)置、張拉和錨固等問題，此外，它還與施工方法密切相關(guān)，因此其設(shè)計計算是比較復(fù)雜的。
　　本工程預(yù)應(yīng)力組合箱梁兩端支座按簡支設(shè)計，考慮承載能力和正常使用兩個極限狀態(tài)，對組合梁的截面應(yīng)力和撓度均按彈性理論進(jìn)行分析［5］。其施工過程大致可分為以下四個階段：
　?、僦谱麟A段：為便于運輸，本鋼梁分三段制作，然后進(jìn)行現(xiàn)場整體拼裝；
　　②張拉階段：為便于施工，考慮在地面張拉完預(yù)應(yīng)力并灌漿后，再進(jìn)行鋼梁的吊裝。
　　③施工階段：鋼梁吊裝就位后，支模澆灌梁頂?shù)匿摻罨炷烈戆澹?BR>　?、苁褂秒A段：鋼筋混凝土翼板達(dá)到設(shè)計強度后，與鋼梁形成組合作用共同承擔(dān)其使用階段的全部荷載。
　　為此，本工程單跨預(yù)應(yīng)力組合箱梁的設(shè)計計算，可分以下幾步進(jìn)行(由于受本文篇幅所限，不具體列出有關(guān)計算公式)：
　　1、初選鋼梁截面
　　由于梁跨度及所受荷載均較大，為確保鋼梁的整體穩(wěn)定性，鋼梁截面選用閉口箱形截面。同時，經(jīng)多次試算分析，并結(jié)合鋼梁施工制作上的一些構(gòu)造要求，設(shè)計選用鋼梁截面尺寸如圖二所示：

圖二　鋼梁截面示意圖　　　圖三　鋼梁組合截面示意圖

　　2、預(yù)應(yīng)力階段(或稱張拉階段)驗算
　　(1)預(yù)應(yīng)力鋼束的估算及其布置
　　經(jīng)多次試算分析，并結(jié)合構(gòu)造設(shè)計，鋼梁的預(yù)應(yīng)力索布置見圖二，其中下排兩束為直線索，上排兩束為折線索。
　　(2)預(yù)應(yīng)力損失計算
　　在張拉階段，鋼梁預(yù)應(yīng)力損失主要有張拉端錨具變形和預(yù)應(yīng)力筋內(nèi)縮損失，摩擦損失及預(yù)應(yīng)力筋分批張拉損失［7］，前兩種損失可按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GBJ10-89)有關(guān)規(guī)定進(jìn)行計算。后一種可根據(jù)構(gòu)件變形協(xié)調(diào)條件求得。
　　(3)確定張拉控制應(yīng)力
　　考慮到使用階段預(yù)應(yīng)力鋼索存在應(yīng)力增量，可取張拉控制應(yīng)力為：0.65fptk
　　(4)鋼梁截面驗算
　　由于預(yù)應(yīng)力階段單跨簡支鋼梁屬靜定結(jié)構(gòu)，故可將施加的預(yù)應(yīng)力視為外加荷載，按無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)分析。這樣，在預(yù)應(yīng)力作用下，鋼梁為偏心受壓構(gòu)件，應(yīng)按普通鋼結(jié)構(gòu)壓彎構(gòu)件的要求進(jìn)行其強度、剛度和穩(wěn)定性的驗算。張拉階段預(yù)張力分項系數(shù)可取1.1，具體計算可參考《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GBJ17-88)。
　　3、施工階段驗算
　　(1)求預(yù)應(yīng)力鋼索的內(nèi)力增量
　　此時，已被施加預(yù)應(yīng)力的鋼梁和預(yù)應(yīng)力索共同承擔(dān)施工階段的荷載：鋼梁及鋼索自重、次梁及鋼箱混凝土翼板和睚重、施工活載等。鋼梁屬于一次超靜定結(jié)構(gòu)，贅余力為該階段預(yù)應(yīng)力索的內(nèi)力增量X1(直線束)和X2(折線束)，它們可以根據(jù)切口處相對位移等于零的位移條件，通過列出力法典型方程組求得。
　　(2)鋼梁強度和穩(wěn)定驗算
　　此時鋼梁在初始預(yù)應(yīng)力、應(yīng)力增量及施工階段荷載作用下，應(yīng)進(jìn)行強度和穩(wěn)定驗算。
　　(3)預(yù)應(yīng)力索強度驗算
　　預(yù)應(yīng)力索在施工階段的總 應(yīng)力 應(yīng)小于其設(shè)計強度。預(yù)應(yīng)力索分項系數(shù)可取1.1。
　　(4)撓度驗算
　　撓度計算屬正常使用極限狀態(tài)，采用荷載標(biāo)準(zhǔn)值按彈性方法計算。
　　4、使用階段驗算
　　(1)組合截面幾何特征計算
　　此時，預(yù)應(yīng)力鋼梁已與鋼筋混凝土翼板形成組合作用，組合截面如圖三所示；
　　(2)預(yù)應(yīng)力損失計算
　　在使用階段，鋼梁預(yù)應(yīng)力損失主要為預(yù)應(yīng)力鋼絞線的應(yīng)力松馳損失，由于沒有對混凝土施加預(yù)應(yīng)力，因此可不考慮混凝土的收縮和徐變損失。前者可按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GBJ10-89)有關(guān)規(guī)定進(jìn)行計算。
　　(3)求預(yù)應(yīng)力鋼索的內(nèi)力增量
　　(4)鋼梁強度和穩(wěn)定驗算
　　(5)預(yù)應(yīng)力索強度驗算
　　(6)組合梁撓度驗算
　　以上(3)～(6)計算過程與施工階段類似。
　　(7)組合梁連接件 設(shè)計：其具體計算可參考文獻(xiàn)［4］或［5］。
　　5、節(jié)點及連接設(shè)計
　　除完成以上基本設(shè)計計算外，還應(yīng)進(jìn)行鋼箱梁節(jié)點及連接等其它設(shè)計與計算，如拼接驗算、主次梁連接計算、支撐加勁肋計算、預(yù)應(yīng)力索錨固端節(jié)點驗算等。
　　(三)鋼梁幾種不同受力方式的比較
　　筆者曾根據(jù)鋼梁幾種不同的受力方式，對鋼梁跨中撓度及其上下翼緣應(yīng)力進(jìn)行比較分析(如下表1)。其中，鋼梁采用圖二截面尺寸，組合梁不設(shè)板托，鋼筋混凝土翼板厚120mm，鋼梁的預(yù)應(yīng)力索布置見圖二，其中下排兩束2X5?j15為直線索，上排兩束2X5?j15為拋物線索。

表1：鋼梁不同受力方式的比較

照片一　模型梁加載裝置

照片二　模型梁鋼筋混凝土翼板被壓碎的情形

　　試驗結(jié)果表明，鋼-混凝土組合梁施加預(yù)應(yīng)力后形成的預(yù)應(yīng)力組合梁具有更好的剛度，以及更好的彈性變形恢復(fù)能力；預(yù)應(yīng)力組合梁的鋼筋混凝土翼板大大提高了組合梁的豎向與側(cè)向抗彎鋼度；端部錨固區(qū)沒有發(fā)生由于應(yīng)力集中產(chǎn)生的明顯變形，可滿足設(shè)計要求；模型梁的破壞表現(xiàn)為加載點間純彎曲區(qū)域上翼緣鋼板的屈服流動，造成鋼筋混凝土翼板剝離上翼緣鋼板，在鋼筋混凝土翼板被壓碎的瞬間，同時也發(fā)生模型梁縱向屈服破壞，見照片二。
　　試驗表明模型梁可以再進(jìn)行一些改進(jìn)或完善：如采用16Mn鋼，提高鋼材強度；提高鋼筋混凝土翼板強度，適當(dāng)加強橫向加勁肋等。這些寶貴的試驗資料，為本工程35米跨預(yù)應(yīng)力組合箱梁的設(shè)計提供了直接的和有益的幫助。
　　五、結(jié)語
　　通過本工程實踐，可得到如下結(jié)論：
　　1、預(yù)應(yīng)力組合梁較普通組合梁具有更好的強度、剛度和經(jīng)濟(jì)性能；有關(guān)資料表明，梁跨度越大、所受荷載越大，施加預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的效果就越顯著，經(jīng)濟(jì)性越好；
　　2、預(yù)應(yīng)力鋼箱梁整體穩(wěn)定性較好，可以在地面張拉完預(yù)應(yīng)力后再進(jìn)行鋼梁的吊裝，因此可以極大地方便于施工；
　　3、對單跨、兩端簡支的大跨度預(yù)應(yīng)力組合梁，采用直線和折線雙重布索，結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡單，受力合理；
　　4、由于預(yù)應(yīng)力組合箱梁穩(wěn)定和承載能力大、剛度好、自重輕，因此，當(dāng)梁的跨度及荷載較大時，以及對剛度要求較高或需高空作業(yè)的結(jié)構(gòu)，采用預(yù)應(yīng)力組合箱梁具有更大的優(yōu)越性；
　　5、預(yù)應(yīng)力組合梁多采用預(yù)應(yīng)力高強鋼索，其反腐性能直接影響到梁的使用壽命，應(yīng)予以高度重視。對預(yù)應(yīng)力高強鋼索及其錨固端的耐久性問題要采取可靠措施，才能保證結(jié)構(gòu)的長久安全；
　　6、本工程由于時間等原因，無法對鋼梁的整體外形尺寸和多種布索方案進(jìn)行優(yōu)化分析，否則，經(jīng)濟(jì)效益將更佳。
　　總之，由于預(yù)應(yīng)力組合梁較普通鋼筋混凝土梁自重輕，施工周期短；較普通組合梁承載力大，剛度高；因此，預(yù)應(yīng)力組合梁的優(yōu)越性是不容置疑的，是建筑工程中的一項高新技術(shù)，尤其是對大跨度建筑工程，有著廣闊的應(yīng)用前景。
　　在本工程預(yù)應(yīng)力組合箱梁的設(shè)計過程中，福州大學(xué)房貞政教授、西南交通大學(xué)宗周紅博士給筆者提供了有益的幫助和啟發(fā)，在此特表感謝!

參考文獻(xiàn)

　　1、預(yù)應(yīng)力鋼-混凝土組合梁靜動載試驗研究專題報告，西南交通大學(xué)橋梁及結(jié)構(gòu)工程系，199.4
　　2、Prestressed Steel Briges Theory and Design M.S.Troitsky,D.Sc Professor of Engineering Concordia University Montreal
　　3、蘇贛平、呂志濤，“預(yù)應(yīng)力組合梁的分析和設(shè)計計算”工業(yè)建筑　1996 VoL26 No.5. P21-26。
　　4、朱聘儒編著，“鋼-混凝土組合梁設(shè)計原理”，中國建筑工業(yè)出版社，1989，11。
　　5、嚴(yán)正庭、嚴(yán)立編著，鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)計算構(gòu)造手冊，1996.5
　　6、福建會堂預(yù)應(yīng)力鋼-混凝土組合模型梁試驗報告，福州大學(xué)結(jié)構(gòu)工程研究所，1997，12
　　7、鐘善桐著，“預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)”，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1986