体外预应力钢管混凝土组合结构探讨.pdf

5 8 四川建筑科学研究 S i c h u a n Bu i l d i n g S c i e nc e 第 3 7卷第2期 2 0 1 1年 4月 体外预应力钢管混凝土组合结构探讨 许 伟 ， 侯宪章 ， 许 峰 ， 陈 阳 1 ． 沈阳建筑大学土木工程学院， 辽宁 沈阳1 1 0 1 6 8 ； 2 ． 中国医科大学 ， 辽宁 沈阳1 1 0 0 0 1 摘要 根据钢管混凝土的受力特点， 运用体外预应力技术， 提出了一种新的组合结构体外预应力钢管混凝土组合结构， 并对体外预应力钢管混凝土工作阶段的受力进行了理论分析。可以看出， 体外预应力钢管混凝土的受力性能得到很大改善， 扩展 了钢管混凝土的应用 范围。 关键词 体外预应力； 钢管混凝土； 组合结构 中图分类号 T U 3 9 8 ． 9 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 81 9 3 3 【 2 0 1 1 0 2 0 5 8 0 3 S t ud y o n e x t e r n a l p r e s t r e s s i n g s t e e l p i p e e n c a s e d c o n c r e t e c o mp o s i t e s t r uc t ur e XU We i ， HOU Xi a n z h a n g ， XU F e n g ， CHEN Ya n g 1 ． S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g ， S h e n y a n g B u i l d i n g U n i v e r s i t y ， S h e n y a n g 1 1 0 1 6 8 ， C h i n a ； 2 ． C h i n a M e d i c a l U n i v e r s i t y ， S h e n y a n g 1 1 0 0 0 1 ， C h i n a Abs t r a c t B a s e d o n e x t e rnal l y p r e s t r e s s e d s r u c t u r e a n d c o mp o s i t e s t r u c t u r e ， t h i s p a p e r p r o p o s e s a n e w c o mp o s i t e s t ruc t u r e ， w h i c h c o mb i n e s c h a r a c t e r i s t i c s o f s t e e l a n d c o n c r e t e w i t h e x t e m a l p r e s t r e s s t e c h n i q u e ． An d t h e b e h a v i o r o f e x t e r n a l l y p res t r e s s e d c o n c r e t e fi U e d s t e e l t u b u l a r i s a n a l y z e d ． I t i s t h a t i t s b e h a v i o r i s h i g h l y e n h a n c e d a n d i t s a p p l i c a t i an i s w i d e n e d g r e a d y ． Ke y w o r d s e x t e r n al p r e s t r e s s ； c o n c re t e fi n e d s t e e l t u b ula r C F S T ； c o mp o s i t e s t r u c t u r e U 刖 鬲 钢管混凝土由于具有承载力高 、 塑性和抗震性 能好、 易于施工等特点 ， 已广泛用于工业与民用多层 和高层建筑、 立交桥以及特种结构工程中， 收到很好 的效果。而且 ， 与钢结构和钢筋混凝土相比， 钢管混 凝土具有明显的经济效益。目前 ， 钢管混凝土主要 以轴心受压构件为主， 不易用作受弯构 件。即使用 作轴心受压构件 ， 对 于长细 比大 于 9 0的轴心受 压 柱 ， 属于弹性失稳 ， 钢管与核心混凝土之间不产生紧 箍效应。因此 ， 钢管混凝土轴心受压构件只能用 于 长细 比小于 8 O一9 O的情 况， 限制 了它 的应 用范 围⋯。为了扩大应用 范围， 近年来， 学者们提 出了 “ 预应力钢管混凝土结构” 。但是 ， 研究主要集 中 在体 内预应力钢管混凝土， 而关于体外预应力钢管 混凝土的研究很少。因此 ， 本文提出体外预应力钢 收稿 日期 2 0 1 0 - 0 3 1 9 作者简介 许伟 1 9 7 1一 ， 女 ， 辽宁沈 阳人 ， 博士 ， 副教授 ， 主要从 事组合结构教学及研究工作。 基 金项 目 辽宁省教育厅科技攻 关项 目 2 0 0 6 0 7 1 0 ； 辽宁省重点实 验室开放基金资助课题 G J 一2 0 0 6 0 9 E ma i l t i h x z 0 4 1 7 y a h o o ． c o i n ． C r l 管混凝土组合结构 ， 即将钢管混凝土与体外 预应力 技术相结合 ， 充分发挥二者的优点 ， 形成体外预应力 钢管混凝土组合构件或结构 ， 使得钢管混凝土不再 局限于轴心受压构件， 可扩展到结构 的偏心受压或 受弯部位以及长细 比大于 9 O的轴心受压构件。同 时， 对于已建成的钢管混凝土结构， 还可用体外预应 力技术对其进行加固改造。 1 体 外预 应 力钢 管 混凝 土 的构 造 和 型式 在体外预应力钢管混凝土构件 中， 钢管内填充 素混凝土 ， 两端焊接刚性盖板 ， 将预应力筋放于管轴 外 ， 锚 固在刚性盖板上。施加预应力时， 不能使刚性 盖板发生挠曲。 体外预应力钢管混凝土根据使用要求 ， 可分为 两种型式 平行弦式和折线式。 平行弦式体外预应力钢管混凝土 图 1 和折线 式体外预应力钢管混凝土 图 2 ， 都可以应用于偏 压构件和承受弯矩 的构件。对 于钢 管混凝土偏压 柱 ， 设置体外预应力筋使其成为体外预应力钢管混 凝土柱。施加预应力的 目的有二 其一是将钢管混 许伟 ， 等 体外预应力钢管混凝 土组 合结构探讨 5 9 凝土偏压柱转化为准轴压柱 ， 防止钢管混凝土柱任 一 截面出现拉应力从而降低钢管对混凝土的握裹效 应 ， 由此改善钢管混凝土柱的设计强度 ； 其二是利用 预应力筋提供侧 向弹性约束 ， 有效改善其失稳 临界 力 ] 。对于钢管混凝土受弯构件 ， 设置体外 预应 力 筋以获得最大的反 向弯矩及最小 的轴 向压力 ， 使受 弯构件改变成轴心受压构件 ， 并降低构件截 面较大 的拉应力。尽管在实际工程中很难做到完全抵消外 弯矩 ， 只可能使受弯构件改变为压弯构件， 但是 ， 由 于充分利用钢管混凝土的受压特性和预应力筋的高 强抗拉特性 ， 构件承载力也得到了很大的改善。 预 应力 筋 b 受弯构件 r a 偏压构件 图 1 平行弦式体外预应力钢管混凝土 Fi g ．1 Ex t e r n al pr e s t r e s s i n g s t e e l pi pe - e nc a s e d c o nc r e t e of pa r a l l e l c ho r ds a 】 压构件 b 受弯构件 图 2 折线式体外预应力钢 管混凝 土 Fi g． 2 Ex t e r na l pr e s t r e s s i ng s t ee l pi p e- en c as e d c onc r e t e o f f o l d l i ne 2 体 外 预应 力钢 管 混 凝 土 的 工 作 机 理 在预应力构件计算中， 按不同要求和荷载情况， 可分为二阶段设计 、 三阶段设计或多阶段设计 。理 论上多次张拉更经济 ， 但此时结构内部积蓄较大 的 弹性变形能， 一旦受到意外荷载作用时 ， 将会突然崩 溃倒塌 ， 甚至当作用于结构的恒载突然减少也会导 致破坏 。而当结构需要返修 和拆卸时 ， 必须反序进 行 ， 所以基本不采用。一般采用的是二 阶段设计和 三阶段设计 ， 二阶段设计是先加预应力 ， 然后作用荷 载 ， 分两个工作 阶段 ； 三 阶段设 计是先作用部 分荷 载 ， 再加预应力以消除和减少荷载引起的内力 ， 然后 再作用剩余的部分荷载 。无论采用哪种设计方 法， 在每一阶段 ， 基本构件 和预应力筋都必须满足承载 力的要求。 无论是承受偏压荷载还是承受弯矩荷载的体外 预应力钢管混凝土构件， 都是一次超静定结构 ， 这是 因为 1 采用二阶段设计时 ， 钢管混凝土构件受体 外预应力产生的反 向弯矩和轴心压力作用 ， 然后构 件承受使用荷载作用 ， 按一次超静定体系计算 内力， 此二阶段的内力叠加 ， 即得最终内力； 2 采用 三阶段设 计时 ， 钢管混凝土构 件先作 用部分荷载， 此时构件是静定体系 ， 再施加体外预应 力时 ， 这时 的预应力相 当于外力 ， 构件还是静定体 系， 然后再作用剩余的部分荷载， 按一次超静定体系 计算内力 ， 此三阶段的内力叠加 ， 即得最终 内力 。 以二阶段设计下三等分加载的平行弦式体外预 应力钢管混凝土梁为例简述其工作机理 图 3 。 图 3 三等分加 载的平行 弦式体 外预 应力钢 管混凝土 构件 Fi g． 3 Ex t e r n a l pr e s t r e s s i ng s t eel pi pe - e nc as e d c o n c r e t e o f t s e c fio n l o a d p a r a l l e l c h o r d s 在预加应力阶段 ， 根据将要使用 的荷载 ， 进行合 理的设计 ， 预应力筋承受适 当的拉应力 ， 使钢管一侧 承受预压力， 另一侧承受预拉力 ， 混凝土承受很小的 预应力或几乎不 承受预应力 ， 构件为压 弯构件。此 阶段应尽量避免施加较大的预应力 ， 这样可能会使 钢管混凝土产生较大的局部压力 ， 造成局部混凝土 被压碎 。在使用荷载阶段， 由于钢管和混凝 土的相 互作用 ， 钢管和混凝土均处于复杂的多向应力状态 ， 钢管纵 向受压 ， 环 向受拉 ， 混凝土三向受压。 在使用荷载阶段 ， 随着外荷载的逐渐增加 ， 钢管 混凝土的预应力逐渐减小。在消压荷载作用下 ， 钢 管混凝土截面平均有效预压应力逐渐 降为零 ， 预应 力筋的应力逐渐增加 。消压后 ， 随着外荷载的继续 增加 ， 构件的中和轴逐渐上移 ， 当中和轴通过钢管混 凝土时， 钢管混凝土在 中和轴上面部分处于受压状 态， 下面部分处于受拉状态 ， 而预应力筋的应力则继 四川建筑科学研究 第 3 7卷 续增加。当构件最终破坏时， 构件截面和预应力筋 都达到极限状态。 在使用荷载阶段 ， 体外预应力钢管混凝土构件 中预应力筋的应力变化取决于赘余力。下面 ， 还 以 在二阶段设计下三等分加载的平行弦式体外预应力 钢管混凝土梁为例， 介绍一次超静定体系赘余力的 计算 图4 。 I Ⅱ I 圃皿 。圃皿皿Ⅲ圆皿皿 皿Ⅲ皿圆皿哑皿 Ⅳ 圃皿圃ⅢⅡ 1 0 皿衄 图4 三等分加载的平行弦式体外预应力钢管混凝土 梁赘余力计算简图 F i g ． 4 Ca l c u l a t i o n d i a g r a m o f e x t e r n a l p r e s t r e s s i n g s t e e l p i pe - en c as e d c on c r e t e be a m r e dunda nt f o r c e o f t r i s e c t i o n l o a d p a r a l l e l c h o r d s 由力法计算 l 1 △1 P0 1 而 JIL 差 上 差d s e ￡ ． L ． 1 E ’E A 。Ek Ak f M ～ pM 。 一 甏 式中A 钢管混凝土构件换算面积 ； ， 钢管混凝土构件换算截面惯性矩 ； E ， A 预应力筋的弹性模量和截面面积。 代人式 1 ， 得 警 c 差 去 ㈣ 由于有效预应 力 Ⅳ n 在预加应 力阶段可 以得 出， 所 以， 在使用荷载作用下 ， 预应力筋的张力 Ⅳ ， 可由叠加原理得出 Ⅳk X 3 研究表 明， 无论是在施加预应力 阶段还是在荷 载作用阶段， 构件均属于压弯构件 。因此 ， 通过合理 的设计 ， 可以尽量减小弯矩的影响， 以使受弯构件转 变为压弯构件。 3 结 语 由于体外预应力钢管混凝土 的工作特点 ， 使得 体外预应力钢管混凝土比钢管混凝土具有更高的稳 定承载力 ， 钢管混凝土结构 的应用范围也不再局限 于轴心受压构件， 可扩展到偏压构件和受弯构件。 而且 ， 由折线式体外预应力钢管混凝土衍生 的撑杆 式预应力钢管混凝土 ， 还可 以使钢管混凝土应用到 长细 比大于 9 0的轴心受压构件 J 。由于构件承载 力得到很大改善， 可 以减小结构构件的截面尺寸， 减 轻 自重 ， 从而在实际工程中获得更好 的经济效益。 参 考 文 献 [ 1 ] 钟善桐． 钢管混凝土结构[ M] ． 修 订版 ． 哈尔滨 黑龙江科学技 术出版社， 1 9 9 4 ． [ 2 ] 徐文平， 徐金法． 预应力钢管混凝土组合结构探讨[ J ] ． 建筑技 术 ， 1 9 9 8 ， 2 9 5 ． [ 3 ] 禹奇才 ， 张俊平 ， 李新乎． 预应力 钢管混 凝土柱受力 行为的分 析研究 [ J ] ． 长沙铁道学院学报 ， 1 9 9 8 9 9 4 - 9 9 ． [ 4 ] 叶林， 钟善桐． 撑杆式顶应力钢管混凝土轴压构件屈曲理论 分析方法[ J ] ． 哈尔滨建筑工程学 院学报 ， 1 9 9 5， 2 8 3 1 4 - 2 1 ． 本 刊 启 事 为展 示期刊形象， 便于广大作者、 读者 了解期刊情况， 加强沟通， 四川建筑科学研 究 杂志建立了自己的网站， 即m ． s c j z k x y j ． c o rn。 敬请上网查阅。 四川建筑科学研究 编辑部