郭会国
天津城建设计院有限公司 天津 300122
摘要：详细介绍了体外预应力钢-混凝土组合梁体系的特点，对体外预应力钢-混凝土组合梁体系的研究现状进行系统分析总结，指出现阶段这一研究领域存在的主要问题，并提出了针对性的研究方向，供相关研究人员参考借鉴。
关键词：体外预应力；钢-混凝土组合梁体系；存在问题；研究方向
1. 引言
近年来，随着预应力钢束和锚固技术的提高，体外预应力技术得到了较快的发展。与混凝土体内预应力相比，体外预应力可以充分发挥钢筋、钢丝或钢绞线抗拉强度高的特点，简化预应力筋的曲线，减少大跨度结构混凝土内的孔道摩阻损失，简化预应力施工工艺，并有效减轻结构重量。与普通组合梁相比，体外预应力组合梁可以减少30%自重，节约钢材25%以上，并有效降低梁高。在组合梁负弯矩区钢梁上翼缘施加预应力，可以改善结构受拉区混凝土的收缩徐变，减小裂缝，提高结构的承载能力和耐久性。
2 研究现状
2.1 国外研究
预应力组合梁的研究起始于20世纪50年代后期，研究人员运用虚功原理、能量原理和有限单元法等对预应力组合梁的静力性能进行研究。Szilard（1959）研究了配置高强度抛物线形钢束的简支预应力组合梁，通过虚功原理推导出应力计算公式。Hoadley（1963）应用弹性应变能力法分析计算了预应力组合梁在使用阶段的应力，并在钢梁屈服或混凝土压碎假设下估算了预应力组合梁的承载能力。Saadatmanesh（1989）在假设混凝土非线性特性及钢梁和预应力筋弹性特性的基础上，研究了预应力组合梁从加载到破坏全过程的受力特性，应用内力平衡条件及预应力筋与钢梁变形协调条件计算了组合梁正、负弯矩区的应力、应变和挠度[1]。Tong和Saadatmanesh（1992）应用刚度法及混合法分析弹性范围内预应力大小、预应力钢束偏心、钢束形状、长度对两跨预应力连续组合梁受力特性的影响，结果表明梁的承载能力与预应力大小及偏心大小成正比[2]。
在预应力组合梁的动力性能研究方面，Kennedy和Grace对承受负弯矩的预应力连续组合梁桥进行了一系列静载、疲劳及振动测试研究，结果表明：在负弯矩区域混凝土板施加预应力有利于消除板的横向开裂，并提高桥梁的自振频率；同时，预应力可有效降低应力幅值，提高结构的疲劳寿命，增大极限承载力。Li、Albercht和SaadatManesh系统研究了公路桥梁的疲劳强度，发现在循环荷载作用下，受拉翼缘的应力在拉压间变化，对钢梁施加预应力可以将焊接在钢梁下翼缘处的盖板的疲劳强度从D类提高到C类[3]。
在预应力组合梁长期受力特性研究方面，Rao和Dilge提出改变刚度的方法分析预应力组合梁的时随性能；Alfarabi等人提出了一步迭代法、无迭代渐进法、迭代渐进法及改进的无迭代渐进法，并以此计算了因混凝土收缩徐变和预应力筋松弛引起的预应力损失。
2.2 国内研究
国内对预应力组合梁的研究起步较晚，聂建国和余志武等人首先进行了预应力连续组合梁的试验研究[4-6]。宗周红等采用有限元分层板壳单元进行了预应力组合梁的非线性分析，并与试验结果进行比对，结构表明在负弯矩区域钢梁失稳前，计算结构与试验结构基本一致[7]。李佳和余志武对于预应力组合梁的界面滑剪特性进行了试验研究，发现在预应力组合梁的预应力张拉端和锚固端的非协调工作区域较小，可以忽略界面滑移的影响。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆陈世明等人通过体外预应力组合梁正弯矩承载力试验及有限元数值模拟，发现体外预应力钢束在极限状态下存在较大的预应力增量，在初始预应力设计时应对其充分考虑。
3 当前研究中存在的问题
近年来我国在多个城市相继建造了采用体外预应力组合梁的桥梁和大跨度楼盖结构，但对采用体外预应力的钢-混组合梁的受力特性、体外预应力组合梁施工阶段及使用阶段的受荷、极限破坏机理与计算理论的研究还处于起步阶段，缺乏与体外预应力及预应力组合结构相关的技术规范，某些涉及体外预应力组合梁的计算理论和关键技术问题仍未解决，严重限值了预应力组合梁的应用，这些问题主要体现在：
（1）以往的研究局限于将组合梁混凝土翼缘作为外加预应力的有效宽度，认为预应力及预应力增量在该宽度范围内均匀分布，但体外预应力筋一般布置在钢梁两侧，并通过钢梁上翼缘对混凝土板施加预应力，该轴向力在混凝土板内产生的剪力滞与混凝土板在弯曲荷载作用下产生的剪力滞不同，会影响组合梁抗裂弯矩（负弯矩）和屈服弯矩的计算。
（2）体外预应力组合梁的预应力增量是影响组合梁承载力与i变形性能的重要因素，且与梁体变形有关；在组合梁的极限状态下，该预应力增量可能非常大，现行计算理论通过迭代求解计算该极限预应力增量，除计算过程复杂外，低谷极限预应力增量可能会导致极限状态下预应力筋的强度破坏。
（3）对组合梁施加预应力后，钢梁中存在较大的轴向压力。较普通组合梁易发生失稳。由于组合梁钢梁上翼缘受混凝土板的约束，组合梁的侧向失稳表现为伴随钢梁腹板横向变形的翘曲侧扭失稳，与钢梁整体侧向失稳差别较大。现阶段预应力对组合梁失稳的作用及影响机理尚不明确，无法确定极限状态下体外预应力对连续组合梁内力重分布程度的影响；对组合梁时间预应力后由于轴向压力的存在及混凝土顶板的约束效应等导致预应力组合连续梁的稳定问题变得尤为突出；由于受组合梁截面几何特性、弯矩梯度、轴力大小、混凝土顶板配筋率、纵横向加劲肋等因素的影响，考虑塑性发展影响的预应力组合结构稳定极限承载力特性，至今仍未得到充分的认识。
（4）在动力荷载作用下，体外预应力筋的动力频响特征会影响组合梁的预应力作用。美国公路桥梁设计规范在体外索的布置构造上采用每隔7.5米对体外索设置侧向约束来限制体外索的振幅；在实际结构中，体外索的频响特征还受到诸多因素的影响，如体外索的锚固和转向块的构造情况及体外索与转向块之间的摩擦力等；对组合梁施加预应力会改变组合梁的动力频响特征；现行的设计方法在这些方面还缺乏理论研究的支持。
4 展望
针对现阶段研究中存在的相关问题，今后应在以下两个方面开展重点研究工作：
（1）体外预应力组合梁的建模及数值模拟研究
系统研究体外预应力作用下组合梁正负弯矩区域混凝土板的有效翼缘宽度和剪力滞和预应力组合梁受正负弯矩作用下的预应力增量性能，并提出考虑大变形效应的预应力增量极限分析方法，探究体外预应力筋的传力途径及其对组合梁性能的影响，总结体外预应力连续组合梁的内力重分布和承载力计算方法。
（2）体外预应力组合梁的失稳研究
主要研究体外预应力组合梁体系的失稳问题、体外预应力组合梁局部翘曲侧扭屈曲和相关屈曲的效应及考虑塑形发展影响的预应力组合梁的稳定极限承载力特性。
参考文献：
[1]Saadatamanesh，H.，Albrecht，P.And Ayuub，B.M.，Experimental Study of Prestressed Composite Beams，Journal of Structural Engineering，ASCE，1989，115（9），2364-2381.
[2]聂建国，周天然，秦凯，预应力钢-混凝土组合梁的抗弯承载力研究，工业建筑，2003，33（12），1-5.
[3]余志武，周凌宇，罗小勇，钢-部分预应力混凝土组合连续梁内力重分布研究，建筑结构学报，2002，23（6），64-69.
[4]宗周红，郑则群等，体外预应力钢-混凝土组合连续梁试验研究，中国公路学报，2002，15（1），2546-2557.
论文作者:郭会国
论文发表刊物:《基层建设》2015年20期供稿
论文发表时间:2016/3/24
标签：预应力论文; 组合论文; 体外论文; 混凝土论文; 弯矩论文; 钢梁论文; 承载力论文; 《基层建设》2015年20期供稿论文;