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云计算-预应力钢—混凝土组合梁挠度变形分析和计算理论研究.pdf
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第1章绪论
1.1概述
随着我国国民经济的迅速发展,传统的四大结构形式已不能满足建筑结构发
展的需求,从而出现了很多新的结构形式,其中钢与混凝土组合结构具有一系列
突出优点,因此已被广泛应用于高层及超高层建筑、桥梁结构、高耸结构与构筑
物中,钢与混凝土结构已逐渐形成一个独立的结构体系而成为除钢结构、木结构、
混凝土结构、砌体结构之外的第五大结构体系,其研究工作在世界范围内也得到
广泛的开展。
预应力钢一混凝土组合结构是应用预加应力的基本原理对钢一混凝土组合
结构进行应力调整,使其在载荷作用下的应力分布更合理,从而达到改善结构的
使用性能,节约材料而出现的一种新的结构形式。它能充分利用各组成部分的材
料特性,钢结构便于制造安装:混凝土板可以提高结构的刚度,改善桥梁的动力
性能,而且噪音比钢梁小,近年来在铁路桥梁中广泛采用;特别是预应力技术的
使用,可以增大桥梁的跨度,减少中间深水桥墩,缩短建桥时间,有利于通航和
排洪。在今后的桥梁建设中,预应力钢一混凝土组合结构是值得重视发展的一种
结构体系。
预应力钢一混凝土组合桥梁是一种新型的桥梁结构型式。这里,对钢一混凝
土组合结构旌加预应力是指单独或者是同时对其组成材料,即钢或者是混凝土施
加预应力。其中,对钢结构施加预应力的概念与对混凝土施加预应力是不一样的。
通常对混凝土结构施加预应力是为了改善材料的脆性特征,控制结构的拉应力或
者裂缝,从而达到改善结构的使用性能,充分利用高强材料,扩展其使用范围的
目的。而对钢结构施加预应力则主要是为了扩大材料的弹性范围,充分利用高强
材料的性能。
归纳起来说,对钢梁施加预应力的方法有如下四种。
1、预弯法,也称为预弯复合梁技术,这种方法通常在低高度梁和劲性混凝
土中应用。它是将一根屈服强度较高的工字型钢梁按要求的拱曲线做成预弯钢
梁,然后将钢梁的两端放置在支座上,并在离梁两端四分之一的跨度上作用一对
大小相等的集中力(预弯力),此时,在钢梁的下翼缘处浇筑高标号混凝土(称
为一期混凝土),待混凝土强度达到90%以上时,卸去预弯力,此时,钢梁反弹,
在一期混凝土中产生预压应力。最后,在钢梁与一期混凝土共同组成的预弯的上
翼缘和腹板两侧浇筑二期混凝土,从而构成预弯复合梁。该梁具有刚度大,抗裂
性能好,整体性强等方面的优点,目前,在欧洲、拉美和非洲等地区有比较成功
的应用。
2、用高强度钢板施加预应力,该种方法施加的预应力可通过两种途径得到,
一种是类似于预应力混凝土先张梁的方法,即先将一高强度的钢板施加某一特定
的拉力,在保持拉力的状态下,将该高强度钢板焊接在r型钢梁的下翼缘中,焊
接完成后放松钢板,从而完成了对钢梁施加预应力的过程。另一种途径是先预弯
钢梁,在钢梁反拱状态下将高强度钢板分别焊接在上下翼缘上,然后解除约束,
钢梁反弹,由于贴焊的高强度钢板将阻碍钢梁的反弹,从而在钢梁中建立起一定
的预应力。然后,再现浇组合混凝土桥面板。
3、用高强度钢索施加预应力,该种方法即体外预应力技术。在给力筋施加
预应力的过程中,要分别利用千斤顶、钢索、锚具和鞍座。力筋形状主要有直线
型和折线型两种,特殊情况下也可以采用抛物线等。一般先给钢梁施加预应力,
使其上下翼缘分别受拉和受压。然后在上翼缘浇筑混凝土,从而形成预应力钢一
混凝土组合梁。目前,这种体外预应力技术在新桥建设和旧桥加固中已获得曰益
广泛的应用。
4、弯矩调整法
对于超静定结构,可以通过调整支座位置,从而调整梁内弯矩和应力分布。
本研究课题所涉及的预应力钢一混凝土组合梁组合梁即为通过高强预应力
钢索对组合梁下部的钢梁旌加预应力的简支组合梁,从而达到扩大钢材的弹性工
作范围,充分利用高强材料的目的。以后若没有特殊说明,出现“预应力钢~混
凝土组合梁”的地方均是指这种组合结构形式。
1.2预应力钢一混凝土组合梁的发展
预应力钢一混凝土组合梁是由普通钢一混凝土组合梁和体外预应力钢束组
成的结构形式,其理论研究和技术应用工作也是在对两者研究工作充分开展的基
础上发展起来的,而且现在对上述二者研究成果的借鉴促进了预应力钢一混凝土
组合梁研究、应用工作广泛、深入的开展。因此,在探讨预应力钢一混凝土组合
梁发展过程和研究现状}讥有必要先了解普通钢一混凝土组合梁和体外预应力技
术在研究和应用方面的发展过程和现状。
1.2.1钢一混凝土组合梁的发展过程
2
组合结构早在19世纪末已经存在,尽管当时并没有意识到要利用两种材料
组合以后新增的强度和刚度,单纯的想要减轻钢管内部的锈蚀而灌入混凝土,为
了改善钢结构的耐火性能而在其外围包裹混凝土,就这样开创了组合结构的实际
应用历史。
组合梁由于能充分发挥钢与混凝土两种材料的力学性能,在国内外获得广泛
的发展与应用。20世纪初,在加拿大和英国进行了最早的研究Gnespie,P.等
人在加拿大的Daminion
Bridge
Company,于1922年进行了组合梁的试验研究工
作,1923年发表了试验研究成果。1925年scott,W.B.发表了组合梁强度的试
验研究成果。至1930年组合梁结构体系得到了一些试验成功,并建立了组合梁
按弹性理论的设计方法,1944年美国州际公路协会(爿鼹HD)制定的《公路桥
涵设计规范》,把组合梁的有关规定,列入其中一些章节。1946年美国《房屋钢
结构设计、制造安装规范》也列入组合梁的内容,德国在1945年以后,急需重
建战争中毁坏的大量房屋和桥梁,由于钢材短缺,迫使当时工程师们采取最经济
的设计,大量采用组合梁结构。在实践基础上,德国于1955年制定了《桥梁组
合梁》(D,Ⅳ1078),1956年制定了《房屋建筑组合梁》(DJw4239)标准。1965
年英国制定了《钢与混凝土组合结构·房屋建筑中的简支梁》(cpll7:pt.1)
及1967年制定了《钢与混凝土组合结构·桥梁》(cpll7:pt.2)设计标准。几
乎同时(1966年)印度标准协会制定了《组合结构设计规范》(IS:3955--1966)。
至70年代,日本于1975年制定了《组合梁结构设计施工指南及说明》。1979年
英国标准协会制定了《钢、混凝土与组合梁桥》(嬲5400),其中第五部分为组合
梁桥设计标准。组合梁截面分析方法,开始采用弹性理论,至1965年英国制定
了《钢与混凝土组合结构·房屋建筑中的简支梁》(cpll7:pt.1),其中附录A
规定组合梁截面按塑性理论的分析方法。
我国从50年代初期开始研究组合梁结构,之后在公路、铁路桥梁方面得到
应用,还编制了公路及铁路组合梁桥的标准图。1974年我国交通部颁发的《公
路桥涵设计规范》及1986年颁发的《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》(‘,珊25
--86),对组合梁的构造与计算作了有关规定。在房屋建筑方面,早在50年代,
北京钢铁设计研究总院对组合梁结构进行了探讨和研究。例如,60年代浙江省
某钢铁厂的电炉车间平台结构为组合梁结构。70年代初改造峨嵋铁合金厂四车
间回转窑的窑头平台结构时,也采用了组合梁结构。
此后我国冶金、机械、电力、煤炭、建材等部门,有大量钢梁上现浇和安装
预制混凝土板的平台结构,有的已采用组合平台梁结构,有的还正在考虑使用组
合平台梁结构,在高层钢结构建筑楼层也采用了组合梁结构。我国已将组合梁结
构,列入现行《钢结构设计规范》(GB50017.2003),促进了组合梁结构在我国
广泛应用。从80年代开始,郑州工学院、山西省电力勘测设计院、清华大学、
同济大学等单位对钢一混凝土组合梁进行了深入的试验研究和理论分析,包括抗
弯承载力、刚度、滑移效应、纵向抗剪和栓钉连接件的实际抗剪承载力、混凝土
的纵向抗剪计算方法等,提出了考虑滑移效应的钢一混凝土组合梁的的简化实用
计算公式,改进了施工程序,加快了施工速度。
1.2.2体外预应力技术的发展
体外预应力是后张预应力体系的重要分支之一。国际预应力协会㈣于
1996年将体外预应力定义为预应力筋布置于构件截面之外的预应力。其力学原
理与无粘结预应力是基本相同的,两者的区别主要在于体外预应力钢筋与结构一
般不直接接触而是通过锚具和转向块作用于结构上,因此一般的布筋形式为折线
型或直线型。
1、体外预应力的发展阶段
体外预应力技术的发展经历了几个阶段。体外预应力的概念早在20世纪20
年代末己逐步形成并应用于工程实践。体外预应力的应用始于法国,1928年德
国设计建造了主跨68m的体外力筋预应力混凝土桥,在到1950年的这段时间内,
欧洲各国虽然建造了为数不少的体外力筋预应力混凝土桥,但由于存在耐腐蚀性
能、转向块等节点构造设计困难的缺陷,使其在工程中的应用受到限制。20世
纪60年代末期,无粘结预应力和斜拉桥施工两项技术的产生和应用,解决了耐
久性和构造设计的有关问题,使设计理论得到进一步完善,为体外预应力的发展
创造了条件。而70年代法国的大量桥梁加固工程则为体外预应力的发展提供了
契机。在这些采用体外预应力加固桥梁的工程中积累了丰富的工程经验,为在建
设新桥梁时重新考虑使用体外预应力技术提供了依据。
2、体外预应力结构的理论研究
E1Habr通过有限元法推出了一种推测由预制元件组成的体外预应力桥梁的
弯矩一挠度关系的非线性分析运算法则。研究目的是确定几种重要的极限状态,
即混凝土的开裂、节段间节点的开裂、无粘结预应力筋的屈服和极限承载力状态。
研究中考虑了两种非线性的影响,即材料受力性能的非线性和预制节段分界处节
点的开缝。Muller和Gauthier提出了一种分析预制节段箱形桁架三维构件有限元
4
的方法,研究中考虑了材料的线弹性特性,但是同时也考虑了拼装梁的节点是开
节点。Alkhairi和Naaman提出了一种基于弯曲曲率关系的分析程序,运用于无
粘结体内预应力梁或体外预应力梁。研究中考虑了偏心距变化和材料非线性的影
响,但是没有考虑转向块摩擦的影响。P·Srinivasa
Rao和George
Mathew提出
了一种全面分析方法,预测体外预应力混凝土梁在加载到极限荷载的全过程中的
反应。方法考虑了材料的非线性,体外索的偏心距的变化,转向块和体外索的摩
擦等因素。Kiang—日,卯和Chee--Khoon
Ng做了三根z形截面的体外预应力混
凝土梁。研究目的是进一步研究转向块和体外索的布置(包括面积、有效张拉应
力、偏心距)对体外预应力混凝土梁受力性能的影响,进一步论证Naaman提出
的有粘结折减系数方法的可行性。牛斌通过十根体外预应力混凝土简支梁的试
验,建立了体外预应力混凝土梁受弯条件下基于弯曲曲率关系的全过程非线性分
析的计算方法和计算机程序。李晨光对四十多根体外预应力梁线性回归得到含有
预应力配筋指标和非预应力配筋指标的体外索应力增量的计算公式。王彤等针对
现行规范中关于外荷载形式的特点,提出了利用能量变分原理求解在均布荷载和
集中荷载作用下体外索应力增量的较为全面的计算方法。通过对具有任意配筋形
式的体外预应力混凝土简支梁的截面变形参数沿梁长变化的分析,确定了截面变
形及其沿梁长方向的变化规律,从而较准确得出锚固点和转向块处的位移,提出
体外索的应力,推导出控制截面的内力平衡方程及其求解方法。
1.2.3预应力组合梁的发展和理论研究
体外预应力钢一混凝土组合梁作为普通钢一混凝土组合梁和体外预应力组
成的组合结构,其实际应用和理论研究都是以对钢一混凝土组合梁和体外预应力
技术为基础发展起来的。
对组合梁施加预应力法最早由德国学者Dischinger提出的。此后,国外学者
通过模型试验,运用虚功原理,能量法,有限元法等对预应力组合梁的弹性和塑
性特性进行了分析研究。Szilard对配置高强抛物线钢丝束的预应力简支组合梁进
行研究后,利用虚功方法推导了计算应力的公式。Hoadley采用弹性应变能力方
法计算了预应力组合梁在使用荷载下钢梁和混凝土板的应力,并在钢梁屈服或混
凝土压碎的假定下,估算了预应力组合梁的承载能力。
在20世纪70年代前,由于受体外预应力技术和预应力钢束防腐技术发展的
限制,无论是在理论研究还是在实际应用方面,预应力钢一混凝土组合梁的发展
都相对较缓慢,70年代以后,特别是在国外,各个方面都有了较大的发展。
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