35米跨預應力鋼與混凝土組合箱梁的結構設計

圖一　國際會議廳樓面結構布置圖

外荷載所產生的彎矩與撓度起抵消作用，從而進一步提高了組合梁承受外荷載的能力，并減少了組合梁在外荷載作用下的撓度，使預應力組合梁的強度、剛度與經濟性等均較一般組合梁有較大提高。
　　(二)設計計算
　　預應力組合梁的設計計算既有與普通鋼梁相類似的強度、剛度與穩定問題，還有與組合梁相類似的剪力連接件設計等問題；又有同預應力混凝土梁相類似的預應力索設置、張拉和錨固等問題，此外，它還與施工方法密切相關，因此其設計計算是比較復雜的。
　　本工程預應力組合箱梁兩端支座按簡支設計，考慮承載能力和正常使用兩個極限狀態，對組合梁的截面應力和撓度均按彈性理論進行分析［5］。其施工過程大致可分為以下四個階段：
　　①制作階段：為便于運輸，本鋼梁分三段制作，然后進行現場整體拼裝；
　?、趶埨A段：為便于施工，考慮在地面張拉完預應力并灌漿后，再進行鋼梁的吊裝。
　?、凼┕るA段：鋼梁吊裝就位后，支模澆灌梁頂的鋼筋混凝土翼板；
　?、苁褂秒A段：鋼筋混凝土翼板達到設計強度后，與鋼梁形成組合作用共同承擔其使用階段的全部荷載。
　　為此，本工程單跨預應力組合箱梁的設計計算，可分以下幾步進行(由于受本文篇幅所限，不具體列出有關計算公式)：
　　1、初選鋼梁截面
　　由于梁跨度及所受荷載均較大，為確保鋼梁的整體穩定性，鋼梁截面選用閉口箱形截面。同時，經多次試算分析，并結合鋼梁施工制作上的一些構造要求，設計選用鋼梁截面尺寸如圖二所示：

圖二　鋼梁截面示意圖　　　圖三　鋼梁組合截面示意圖

　　2、預應力階段(或稱張拉階段)驗算
　　(1)預應力鋼束的估算及其布置
　　經多次試算分析，并結合構造設計，鋼梁的預應力索布置見圖二，其中下排兩束為直線索，上排兩束為折線索。
　　(2)預應力損失計算
　　在張拉階段，鋼梁預應力損失主要有張拉端錨具變形和預應力筋內縮損失，摩擦損失及預應力筋分批張拉損失［7］，前兩種損失可按《混凝土結構設計規范》(GBJ10-89)有關規定進行計算。后一種可根據構件變形協調條件求得。
　　(3)確定張拉控制應力
　　考慮到使用階段預應力鋼索存在應力增量，可取張拉控制應力為：0.65fptk
　　(4)鋼梁截面驗算
　　由于預應力階段單跨簡支鋼梁屬靜定結構，故可將施加的預應力視為外加荷載，按無粘結預應力鋼結構分析。這樣，在預應力作用下，鋼梁為偏心受壓構件，應按普通鋼結構壓彎構件的要求進行其強度、剛度和穩定性的驗算。張拉階段預張力分項系數可取1.1，具體計算可參考《鋼結構設計規范》(GBJ17-88)。
　　3、施工階段驗算
　　(1)求預應力鋼索的內力增量
　　此時，已被施加預應力的鋼梁和預應力索共同承擔施工階段的荷載：鋼梁及鋼索自重、次梁及鋼箱混凝土翼板和睚重、施工活載等。鋼梁屬于一次超靜定結構，贅余力為該階段預應力索的內力增量X1(直線束)和X2(折線束)，它們可以根據切口處相對位移等于零的位移條件，通過列出力法典型方程組求得。
　　(2)鋼梁強度和穩定驗算
　　此時鋼梁在初始預應力、應力增量及施工階段荷載作用下，應進行強度和穩定驗算。
　　(3)預應力索強度驗算
　　預應力索在施工階段的總 應力 應小于其設計強度。預應力索分項系數可取1.1。
　　(4)撓度驗算
　　撓度計算屬正常使用極限狀態，采用荷載標準值按彈性方法計算。
　　4、使用階段驗算
　　(1)組合截面幾何特征計算
　　此時，預應力鋼梁已與鋼筋混凝土翼板形成組合作用，組合截面如圖三所示；
　　(2)預應力損失計算
　　在使用階段，鋼梁預應力損失主要為預應力鋼絞線的應力松馳損失，由于沒有對混凝土施加預應力，因此可不考慮混凝土的收縮和徐變損失。前者可按《混凝土結構設計規范》(GBJ10-89)有關規定進行計算。
　　(3)求預應力鋼索的內力增量
　　(4)鋼梁強度和穩定驗算
　　(5)預應力索強度驗算
　　(6)組合梁撓度驗算
　　以上(3)～(6)計算過程與施工階段類似。
　　(7)組合梁連接件 設計：其具體計算可參考文獻［4］或［5］。
　　5、節點及連接設計
　　除完成以上基本設計計算外，還應進行鋼箱梁節點及連接等其它設計與計算，如拼接驗算、主次梁連接計算、支撐加勁肋計算、預應力索錨固端節點驗算等。
　　(三)鋼梁幾種不同受力方式的比較
　　筆者曾根據鋼梁幾種不同的受力方式，對鋼梁跨中撓度及其上下翼緣應力進行比較分析(如下表1)。其中，鋼梁采用圖二截面尺寸，組合梁不設板托，鋼筋混凝土翼板厚120mm，鋼梁的預應力索布置見圖二，其中下排兩束2X5?j15為直線索，上排兩束2X5?j15為拋物線索。

表1：鋼梁不同受力方式的比較

照片一　模型梁加載裝置

照片二　模型梁鋼筋混凝土翼板被壓碎的情形

　　試驗結果表明，鋼-混凝土組合梁施加預應力后形成的預應力組合梁具有更好的剛度，以及更好的彈性變形恢復能力；預應力組合梁的鋼筋混凝土翼板大大提高了組合梁的豎向與側向抗彎鋼度；端部錨固區沒有發生由于應力集中產生的明顯變形，可滿足設計要求；模型梁的破壞表現為加載點間純彎曲區域上翼緣鋼板的屈服流動，造成鋼筋混凝土翼板剝離上翼緣鋼板，在鋼筋混凝土翼板被壓碎的瞬間，同時也發生模型梁縱向屈服破壞，見照片二。
　　試驗表明模型梁可以再進行一些改進或完善：如采用16Mn鋼，提高鋼材強度；提高鋼筋混凝土翼板強度，適當加強橫向加勁肋等。這些寶貴的試驗資料，為本工程35米跨預應力組合箱梁的設計提供了直接的和有益的幫助。
　　五、結語
　　通過本工程實踐，可得到如下結論：
　　1、預應力組合梁較普通組合梁具有更好的強度、剛度和經濟性能；有關資料表明，梁跨度越大、所受荷載越大，施加預應力產生的效果就越顯著，經濟性越好；
　　2、預應力鋼箱梁整體穩定性較好，可以在地面張拉完預應力后再進行鋼梁的吊裝，因此可以極大地方便于施工；
　　3、對單跨、兩端簡支的大跨度預應力組合梁，采用直線和折線雙重布索，結構構造簡單，受力合理；
　　4、由于預應力組合箱梁穩定和承載能力大、剛度好、自重輕，因此，當梁的跨度及荷載較大時，以及對剛度要求較高或需高空作業的結構，采用預應力組合箱梁具有更大的優越性；
　　5、預應力組合梁多采用預應力高強鋼索，其反腐性能直接影響到梁的使用壽命，應予以高度重視。對預應力高強鋼索及其錨固端的耐久性問題要采取可靠措施，才能保證結構的長久安全；
　　6、本工程由于時間等原因，無法對鋼梁的整體外形尺寸和多種布索方案進行優化分析，否則，經濟效益將更佳。
　　總之，由于預應力組合梁較普通鋼筋混凝土梁自重輕，施工周期短；較普通組合梁承載力大，剛度高；因此，預應力組合梁的優越性是不容置疑的，是建筑工程中的一項高新技術，尤其是對大跨度建筑工程，有著廣闊的應用前景。
　　在本工程預應力組合箱梁的設計過程中，福州大學房貞政教授、西南交通大學宗周紅博士給筆者提供了有益的幫助和啟發，在此特表感謝!

參考文獻

　　1、預應力鋼-混凝土組合梁靜動載試驗研究專題報告，西南交通大學橋梁及結構工程系，199.4
　　2、Prestressed Steel Briges Theory and Design M.S.Troitsky,D.Sc Professor of Engineering Concordia University Montreal
　　3、蘇贛平、呂志濤，“預應力組合梁的分析和設計計算”工業建筑　1996 VoL26 No.5. P21-26。
　　4、朱聘儒編著，“鋼-混凝土組合梁設計原理”，中國建筑工業出版社，1989，11。
　　5、嚴正庭、嚴立編著，鋼與混凝土組合結構計算構造手冊，1996.5
　　6、福建會堂預應力鋼-混凝土組合模型梁試驗報告，福州大學結構工程研究所，1997，12
　　7、鐘善桐著，“預應力鋼結構”，哈爾濱工業大學出版社，1986