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中国预应力技术五十年暨第九届后张预应力学术交流会论文 2006年 预应力钢骨混凝土梁受弯性能试验研究 李峰1 秦士洪1 杨波1 丁智潮2 1重庆大学土木工程学院 重庆400045 （2浙江省建筑科学研究院 杭州 310012 提要为了解和掌握预应力钢骨混凝土梁的受弯性能，进行了4 根模型梁的试验研究，描述了PSRC梁和对比SRC梁的受弯破坏过程, 对截面平均应变、正截面受弯承载力等进行了分析研究。 关键词钢骨混凝土梁 预应力 受弯性能 极限承载力 1 前言 近年来，钢骨混凝土（Steel Reinforced Concrete，简称SRC）结构被广泛应用于大跨、超高、重载结构中，与普通钢筋混凝土（Reinforced Concrete，简称RC）结构相比，其具有承载能力高、抗震性能好等优点。由于SRC结构具有较高的承载能力，其构件的截面尺寸因而减小，在对结构刚度要求较高的情况下（例如结构转换层），裂缝和变形控制往往难以满足要求。通过对钢骨混凝土（SRC）结构施加预应力，不仅可以弥补SRC结构的自身缺陷，而且还能提高其承载能力。作为一种新型结构，预应力钢骨混凝土（Prestressed Steel Reinforced Concrete，简称PSRC）结构在大跨度结构、高耸结构、巨型结构、转换层结构、重荷载结构具有广阔的应用前景。目前国内外对预应力钢骨混凝土（PSRC）结构的研究较少，多是结合一些工程实例进行的验证性试验，缺乏系统而全面的试验研究和理论分析。 本课题拟通过两阶段试验，研究PSRC梁的受力性能。第一阶段为2根SRC梁和2根PSRC梁的受力性能试验。本文根据第一阶段的试验结果，研究分析了不同钢骨布置PSRC梁的基本受力性能及工作状况，并与钢骨混凝土梁进行了对比分析。 2 试验概况 2.1 试件设计 4根试验梁梁长均为3200mm，净跨3000mm。各试验梁的纵筋通长布置，箍筋沿梁全长等间距布置。所有纵筋均选用HRB335级钢筋，直径18mm；箍筋选用HPB235级钢筋，直径8mm。钢骨选用Q235热轧H型钢HN2001005.58；混凝土强度等级为C50，普通纵筋的混凝土保护层厚度均为20mm。 李峰，男，1980.8出生，硕士研究生 试验梁PSB-1、PSB-2施加预应力，采用有粘结后张法，一端张拉。金属波纹管直径40mm。预应力筋选用直径5mm的低松弛消除应力光面钢丝。在受拉区沿型钢腹板两侧对称配置两束各6根预应力钢丝。各试验梁参数见表1，截面详图见图1。 表1 试验梁参数表 试件编号 截面尺寸 钢骨布置 上下 纵筋 纵筋配筋率 截面含钢率 （型钢） 箍筋间距 mm 备注 PSB-1 220320 对称布置 2Φ18 2Φ18 0.72 0.72 3.92 100 施加预应力 焊接抗剪栓钉 PSB-2 220400 偏心布置 4Φ18 2Φ18 1.16 0.58 3.13 80 施加预应力 焊接抗剪栓钉 SB-1 220320 对称布置 2Φ18 2Φ18 0.72 0.72 3.92 150 未施加预应力 焊接抗剪栓钉 SB-2 220400 偏心布置 4Φ18 2Φ18 1.16 0.58 3.13 120 未施加预应力 焊接抗剪栓钉 图1 试验梁截面详图 2.2 加载及量测方案 试验在重庆大学结构试验室500t液压试验机上完成，利用分配梁两点加载。采用分级单调加载方法，荷载控制，每级加载间隔时间为15分钟左右。试验加载装置如图2所示。 通过3个电子百分表测量试验梁在各级荷载下的挠度左右两个加载点和跨中截面；在型钢及钢筋上粘贴应变片来测定其应变值；通过全过程加载来确定其开裂荷载、屈服荷 载和极限荷载；描绘裂缝开展曲线及宽度，并利用X-Y函数记录仪绘制曲线。 图2 加载装置示意图 3 试验过程及现象描述 3.1试验梁PSB-1和SB-1破坏过程 PSB-1梁当加载至84KN时，跨中截面混凝土受拉区出现肉眼可见垂直细微裂缝，继续加载，裂缝向上开展；当加载至96KN时裂缝发展至受拉钢筋附近，此时在纯弯段出现了数条垂直裂缝；当加载至130KN时裂缝发展至型钢下翼缘附近；当加载至180KN时型钢下翼缘处混凝土表面处最大裂缝宽度达到0.1mm，此时剪跨段出现指向加载点的斜向裂缝；当加载超过240KN时垂直裂缝向上发展的趋势减缓，已开展的裂缝扩展速度加快；当加载超过300KN时裂缝宽度随之扩展并迅速沿梁高向上延伸；当加载至420KN时跨中受压区混凝土在型钢上翼缘位置处出现横向粘结劈裂裂缝，跨中受压区混凝土被压碎，正截面破坏。此时，垂直裂缝向上开展最大高度为200mm，裂缝间间距约为100mm（箍筋间距为100mm），跨中最大挠度为44mm。 SB-1梁当加载至30KN时，跨中截面混凝土受拉区出现肉眼可见细微裂缝，继续加载，裂缝向上开展；当加载至50KN时纯弯段个别垂直裂缝发展至受拉钢筋附近；继续加载，裂缝向上发展较快，很快就达到型钢下翼缘处；当加载至60KN时型钢下翼缘处混凝土表面最大裂缝宽度达到0.1mm；当加载至160KN左右时，裂缝向上发展趋势变慢；当加载至250KN左右时裂缝宽度随之扩展并迅速沿梁高向上延伸；当加载至310KN时跨中受压区混凝土在型钢上翼缘位置处出现横向粘结劈裂裂缝，跨中受压区混凝土被压碎，正截面破坏。此时，垂直裂缝向上开展最大高度为210mm，裂缝间间距约为150mm（箍筋间距为150mm），跨中最大挠度为47mm。 3.2试验梁PSB-2和SB-2破坏过程 图3 正截面破坏外观图 PSB-2裂缝图 SB-2裂缝图 PSB-1裂缝图 SB-1裂缝图 PSB-2梁当加载至115KN时，跨中截面混凝土受拉区出现肉眼可见细微裂缝；当加载至180KN时个别垂直裂缝已发展至型钢下翼缘附近；当加载至210KN时，剪跨段出现斜向裂缝；当加载至260KN左右时裂缝向上发展的趋势减缓；当加载至310KN时型钢下翼缘处混凝土表面最大裂缝宽度达到0.1mm；当加载至510KN时型钢下翼缘处混凝土表面最大裂缝宽度达到0.2mm；当加载至520KN左右时裂缝宽度随之扩展并迅速沿梁高向上延伸；当加载至620KN时跨中受压区混凝土被压碎，正截面破坏。此时，垂直裂缝向上开展最大高度为250mm，裂缝间间距约为80mm（箍筋间距为80mm），跨中最大挠度达到32.5mm。 SB-2梁当加载至30KN时，跨中截面混凝土受拉区出现肉眼可见细微裂缝；继续加载，裂缝向上开展；当加载至110KN时纯弯段个别裂缝发展至受拉钢筋附近；当加载至130KN时裂缝向上发展达到型钢下翼缘处；当加载至150KN时型钢下翼缘处混凝土表面最大裂缝宽度达到0.1mm；当加载超过170KN时裂缝向上发展趋势变慢；当加载至400KN左右时裂缝宽度随之扩展并迅速沿梁高向上延伸；当加载至480KN时跨中受压区混凝土被压碎，正截面破坏。此时，垂直裂缝向上开展最大高度为320mm，裂缝间间距约为120mm（箍筋间距为120mm），跨中最大挠度达到35mm。 试验梁发生正截面破坏时的外观照片如图3所示。 4 正截面承载能力分析 4.1 试验过程分析 由实测绘制的荷载～挠度曲线（图4）和各应变值可以发现，类似于普通钢筋混凝土适筋梁破坏过程，可将试验梁正截面受弯全过程划分为三个阶段①弹性工作阶段；②带裂缝工作阶段；③屈服破坏阶段。[1] 弹性工作阶段即混凝土开裂前的阶段。在这一阶段试验梁基本处于弹性工作状态，截面上各元素的应力与应变成正比。随着荷载的增加，受拉区混凝土达到其极限拉应变，随即开裂。此时原来由混凝土承担的拉力瞬即由受拉纵筋和型钢受拉部分承担，开裂截面刚度下降，其P～f曲线（图4）的斜率有微小变化（A点，A′点）。带裂缝工作阶段即混凝土开裂后至截面屈服前的阶段。混凝土开裂后裂缝向上发展，当其开展高度超过受拉纵筋和型钢下翼缘时，向上发展趋势变慢，裂缝底部变宽，分析其原因①裂缝发展受到了型钢的阻止，型钢在沿梁高度方向约束混凝土的受拉变形；②受拉纵筋进入屈服状态。当荷载加大到一定程度，型钢下翼缘受拉屈服，随之腹板沿梁高度方向也逐步进入屈服状态，此时截面刚度迅速下降，反映于P～f曲线上有明显转折点（B点，B′点）。屈服破坏阶段 图4 荷载～位移曲线 即截面屈服至正截面破坏阶段。进入这一阶段后，截面曲率和梁的挠度突然增大，裂缝宽度随之扩展并沿梁高向上延伸。荷载进一步增加，跨中受压区混凝土被压碎，发生正截面破坏。对于型钢沿梁高对称配置的梁PSB-1和SB-1，跨中受压区混凝土在型钢上翼缘位置处出现横向水平粘结劈裂裂缝，随即混凝土被压碎，正截面破坏。而型钢在受拉区配置的梁PSB-2、SB-2，破坏前无横向水平粘结劈裂裂缝出现。[2] 表2 实测截面弯矩值（KNm） 由于PSRC梁同时配有普通纵筋、型钢和预应力筋，如何确定其截面屈服由绘制的P～f曲线（图4），采用“通用屈服弯矩法” 可确定曲线屈服点及对应的“通用屈服弯矩”[5]， 与实测受拉纵筋和型钢下翼缘屈服时的 试验梁编号 PSB-1 SB-1 PSB-2 SB-2 受拉纵筋屈服时 117.6 980.0 156.8 142.1 型钢下翼缘屈服时 166.6 117.6 240.1 200.9 通用屈服弯矩值 171.5 125.0 259.7 200.9 截面弯矩值一起列入表2。可以看到， 型钢下翼缘屈服时的截面弯矩值与通 用屈服弯矩值很接近，此外P～f曲线 上转折点B、B′对应的恰好是型钢下翼缘屈服时，因此可将型钢下翼缘屈服作为梁截面屈服的判定标准。 4.2 截面平均应变分析 根据在纯弯区段沿截面高度所测混凝土的应变，绘出其平均应变如图5所示（图中各条曲线分别对应于P/Pu0.0、0.1、0.3、0.5、0.7、0.9）。因为在型钢上翼缘表面焊接了抗剪栓钉，构件在型钢上翼缘与混凝土交界处没有明显的横向水平裂缝，这表明型钢和混凝土之间没有产生相对滑移，抗剪栓钉能够有效地保证二者共同工作。在整个加载过程中，平截面假定近似成立，截面受压区高度变化不大。截面应变图中沿梁高度方向型钢位置处的混凝土应变发展明显滞后。[1] 型钢全截面应变发展如图6所示（图中各条曲线对应于P/Pu0.0、0.1、0.3、0.5、0.7、 PSB-1 SB-1 PSB-2 图5 正截面平均应变图 SB-2 0.9）。可以看出在整个受力过程中，型钢表现出了理想的弹塑性性质，其中和轴位置与梁全截面中和轴位置较为一致，也说明总体上型钢和混凝土能够共同工作。 SB-1 PSB-2 PSB-1 SB-2 图6 型钢平均应变图 表3 实测挠度/弯矩值（mm/KNm） 4.3 预应力效应 试验梁编号 PSB-1 SB-1 PSB-2 SB-2 截面屈服时 16.4/ 171.5 15.0/ 125.0 14.3/ 259.7 15.6/ 200.9 截面破坏时 44.0/ 200.9 47.0/ 151.9 32.5/ 313.6 35.0/ 240.1 试验梁跨中挠度由电子百分表测定，不同受力阶段梁的挠度值和对应的弯矩值如表3所示。由表中试验数据可知①施加预应力对截面屈服和破坏时的挠度值影响不大，但明显地提高了承载力；②型钢偏向受拉区布置不仅提高了梁的承载力，而且还增强了其抗弯刚度，减小了变形值。 由上述试验现象及分析，不难发现对钢骨混凝土构件施加预应力，能提高其承载力，改善其抗裂性，但却降低了截面的延性。实测表明施加预应力对混凝土极限压应变影响不大，但破坏时受压区高度明显加大，因而截面极限曲率减小，截面塑性转动能力降低，即延性有所下降。 4.4 受弯承载力分析 对于SRC构件受弯承载力的计算，目前主要采用以下三种计算思路，即①前苏联采用的基于RC构件的设计方法；②以欧美为代表的基于钢结构的设计方法；③日本规范采用的叠加设计方法。对于PSRC构件而言，目前尚无统一的计算理论和公式。无论采用哪种计算思路，一个需要解决的问题是施加预应力后，如何将预应力对受弯承载力的提高作 表4 受弯承载力计算值与实测值（KNm） 用真实而合理地体现在计算公式中。 试验梁编号 PSB-1 SB-1 PSB-2 SB-2 200.90 151.90 313.60 240.10 196.00 146.05 294.20 233.70 2.44 3.85 6.19 2.67 本文初步采用类似于RC构件的计算 方法[3][4]，即认为型钢、预应力钢筋与钢筋混凝土能够形成整体且变形协调，共同承担外部作用。在受弯承载力分析中，将型钢离散化为钢筋，将预应力钢筋视为带有初始应力的普通钢筋处理，并强调纵筋和箍筋的作用。计算的受弯承载力和实测值列表对比见表4。从表中可以看出，计算值较实测值普遍偏小，但误差不大，计算结果偏于安全。 5 结语 通过对2根PSRC梁和2根SRC梁的试验研究，本文初步得到以下结论 （1）预应力的施加对提高钢骨混凝土梁的承载能力和抗裂性能有明显有利作用，但却降低了延性； （2）PSRC梁和SRC梁的正截面均以型钢受拉翼缘屈服作为截面屈服的标志； （3）型钢偏向受拉区布置对改善梁的受力性能和控制变形更为有利； （4）只要截面配置合理，PSRC梁的受弯破坏过程类似与普通钢筋混凝土适筋梁，并且也以受压区混凝土压溃为破坏标志； （5）对于PSRC梁的抗弯承载能力计算，采用基于钢筋混凝土结构的计算方法，计算结果误差较小，且偏于安全。 参考文献 [1] 周起敬，姜维山，潘泰华，钢与混凝土组合结构设计施工手册。北京中国建筑工业出版社，1991 [2] 赵鸿铁，钢与混凝土组合结构。北京科学出版社，2001 [3] 叶列平，钢骨混凝土梁的设计方法，建筑结构，1997（10）33-35 [4] 叶列平，方鄂华，钢骨混凝土构件正截面承载力计算，建筑结构，1999（8）56-60 [5] 李忠献，工程结构试验理论与技术。天津天津大学出版社，2004