摘 要:詳細(xì)介紹了跨度為21 m 的活性粉末混凝土無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力疊合梁的設(shè)計過程,并與鋼—混凝土組合梁及普通預(yù)應(yīng)力梁在受力性能及經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行了比較,得出RPC預(yù)應(yīng)力疊合梁在大跨度結(jié)構(gòu)中的優(yōu)越性,有著廣泛的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞:預(yù)應(yīng)力組合梁,撓度,抗剪強(qiáng)度,承載力
中圖分類號: TU378. 2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A
活性粉末混凝土(以下簡稱RPC) 作為高技術(shù)混凝土,其性能與普通混凝土、現(xiàn)有高性能混凝土相比有了質(zhì)的飛躍,由于RPC具有高強(qiáng)度、高工作度、高體積穩(wěn)定性(收縮徐變小) 和高抗?jié)B性(耐久) ,更加適應(yīng)了當(dāng)代工程結(jié)構(gòu)向大跨、高聳、重載方向發(fā)展和承受惡劣環(huán)境條件的需要。當(dāng)今的建筑物功能與規(guī)模日新月異,建筑物投資中屬于結(jié)構(gòu)造價的份額愈來愈少,而對于結(jié)構(gòu)適應(yīng)使用條件變化,以及延長結(jié)構(gòu)使用壽命、減少結(jié)構(gòu)維修周期等的需求卻愈來愈高。因此,RPC 疊合梁盡管原材料昂貴,但在經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保方面仍然優(yōu)于鋼材和普通混凝土。
1 21 m跨屋面梁的設(shè)計
1. 1 設(shè)計資料[ 1 ]
某工程屋面梁跨度21 m ,柱距6 m。結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0 =1. 1 ,裂縫控制等級為二級。
1. 2 普通預(yù)應(yīng)力混凝土梁
截面形狀及尺寸見圖1 。使用性能、承載力等詳見文獻(xiàn)[1 ] 。
1. 3 RPC 預(yù)應(yīng)力疊合梁(見圖2)
1) 材料。
混凝土;
預(yù)制梁[ 2 ] :
f c = 150 N/ mm2 , f t = 12 N/ mm2 , Ec = 5. 105 ×104 N/ mm2 ;
后澆板C40 :
f c = 19. 1 N/ mm2 , f t = 1. 71 N/ mm2 , Ec = 3. 25 ×104 N/ mm2 ;
預(yù)應(yīng)力鋼筋采用低松弛鋼絞線2 - 6 ×7Φj5 :f ptk = 1 860 N/ mm2 , EP = 1. 95 ×105 N/ mm2 ;非預(yù)應(yīng)力鋼筋。
受拉區(qū):6Φ22 , f y = 300 N/ mm2 ,
受壓區(qū):6Φ16 , f y = 210 N/ mm2 。
2) 內(nèi)力計算。
按荷載的基本組合、標(biāo)準(zhǔn)組合和準(zhǔn)永久組合進(jìn)行內(nèi)力分析,結(jié)果見表1 。
3) 預(yù)應(yīng)力損失值計算[ 3 ] (跨中截面) 。
張拉控制應(yīng)力值為:
σcon = 0. 7 ×f ptk = 0. 7 ×1 860 = 1 302 N/ mm2 ,
總預(yù)應(yīng)力損失值:
σ1 = 189. 28 + 32. 55 + 42. 33 = 264. 16 N/ mm2 。
4) 正截面抗裂度驗算。
a. 張拉階段:σcc =-22. 15 N/ mm2 ,σct = 6. 64 N/ mm2 。
b. 使用階段:
抗裂驗算結(jié)果見表2 。
5) 正截面受彎承載力計算。
6) 斜截面承載力計算。
假設(shè)不考慮預(yù)應(yīng)力鋼筋的作用,僅由混凝土抵抗剪力,則:
Vc1 = 0. 7 ×12 ×120 ×1 200 = 1 209. 6 kN > 575. 07 kN ,
Vc = 0. 7 ×1. 71 ×120 ×1 300 = 186. 73 kN。
7) 疊合面抗剪強(qiáng)度驗算。
8) 撓度計算。
張拉階段產(chǎn)生的反拱為:
荷載作用下?lián)隙葹?
總撓度值為:
f = 45. 06 - 2 ×18. 96 = 7. 14 mm。
1. 4 鋼—混凝土組合梁(按塑性理論設(shè)計)
設(shè)計了兩根鋼—混凝土組合梁,截面尺寸如圖3 和圖4 所示。后澆板混凝土仍然采用C40 ,則截面特性可參考文獻(xiàn)[4 ] 。
1) 荷載及內(nèi)力計算(下面括號中的數(shù)據(jù)為鋼—混凝土組合梁截面二的計算結(jié)果) 。荷載僅鋼梁自重與RPC 預(yù)制梁自重不同,其余荷載均與RPC 預(yù)制梁相同。同樣,按荷載的基本組合、標(biāo)準(zhǔn)組合和準(zhǔn)永久組合進(jìn)行內(nèi)力分析,結(jié)果見表3 。
2) 組合梁抗彎承載力。
x = 103 (132) mm ,塑性中和軸在混凝土板內(nèi)。
Mu = 2 954 (4 206) kN·m > 2 551. 63(2 584. 37) kN·m。
3) 鋼梁的抗剪承載力和剪應(yīng)力計算。
組合梁截面上的全部剪力假定僅由鋼梁腹板承受,則:
V u = 1 100 ×10 ×0. 9 ×125 = 1 237. 5 (1 350) kN > 486. 02(492. 31) kN。
由于組合截面中和軸在后澆板內(nèi),因此應(yīng)驗算鋼梁中和軸處的剪應(yīng)力:
4) 組合梁撓度計算。
5) 連接件計算。
采用<22 的圓柱頭焊釘做連接件,每個連接件的抗剪承載力設(shè)計值為57. 2 kN ;沿梁半跨所需連接件的數(shù)量為:
n = 20 600 ×0. 9 ×215/ 57 200 = 69. 9(89. 3) 個。
采用70 (90) 個連接件。
2 普通預(yù)應(yīng)力梁、RPC 疊合梁及鋼—混凝土組合梁性能及經(jīng)濟(jì)性比較
2. 1 結(jié)構(gòu)性能
1) RPC 疊合梁的高度比普通預(yù)應(yīng)力梁降低31 % ,與鋼—混凝土組合梁高度接近;2) RPC 疊合梁的混凝土用量比普通預(yù)應(yīng)力梁節(jié)約51. 7 % ,自重降低48. 3 %;3) 若計入箍筋用量,則RPC 疊合梁的鋼筋用量與普通預(yù)應(yīng)力梁大致相等;而鋼—混凝土組合梁鋼筋用量約是兩者的4 倍～5 倍;4) 除了方案4 外,前三種方案的抗彎承載力保證率基本相同;5) 后三種方案的抗剪承載力保證率基本相同,均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通預(yù)應(yīng)力梁的抗剪承載力;6) 方案2 在使用荷載作用下?lián)隙容^小,方案3 在使用荷載作用下?lián)隙容^大,其余兩種方案使用性能基本相同,RPC 疊合梁在正常使用下,受拉邊緣混凝土不開裂。
2. 2 經(jīng)濟(jì)性評價
RPC 的價格和HPC 接近,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鋼結(jié)構(gòu),是普通混凝土價格的3 倍左右。但在結(jié)構(gòu)中采用RPC 所帶來的其他經(jīng)濟(jì)效益,將大大超過其本身成本的提高。RPC 疊合梁與普通預(yù)應(yīng)力梁相比較,具有如下優(yōu)點:1) 強(qiáng)度更高,因而結(jié)構(gòu)尺寸更小,這就帶來結(jié)構(gòu)自重減輕;高度降低,空間使用效果更好;材料用量減少,生產(chǎn)、運輸和施工能耗降低,建筑成本減少。2) 彈性模量更高,因而剛度更大,結(jié)構(gòu)變形更小,穩(wěn)定性更好。3) 耐久性好,因而結(jié)構(gòu)的維修和重建費用少;抗?jié)B性好,因而在惡劣環(huán)境條件下的使用壽命更長。4) RPC 的體積穩(wěn)定性好,收縮小,在較大壓力作用下徐變小。5) RPC 早期強(qiáng)度增長快,這樣可加快施工進(jìn)度,節(jié)省設(shè)備、管理等方面的費用。
而RPC 疊合梁與鋼—混凝土組合梁相比較,則具有如下優(yōu)點:1) 在受力性能基本相同的條件下,造價更低。2) 鋼—混凝土組合梁中,混凝土板與鋼梁間大多需設(shè)置剪切連接件,施工較RPC 疊合梁麻煩。3) RPC 梁的防火性能優(yōu)于鋼—混凝土組合梁。4) RPC 梁的長期維修費用遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鋼—混凝土組合梁。
3 結(jié)語
在大跨度梁中,采用RPC 預(yù)應(yīng)力疊合梁,受力性能優(yōu)越,與采用普通預(yù)應(yīng)力混凝土梁相比較,截面尺寸大大減小,空間使用效果更好,所需的鋼材和混凝土量也大大減少;與鋼—混凝土組合梁相比較,在受力性能基本相同的條件下,成本更低,施工更為方便。RPC 預(yù)應(yīng)力疊合梁以其優(yōu)越的受力性能和經(jīng)濟(jì)性必將得到愈來愈廣泛的應(yīng)用。
參考文獻(xiàn):
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