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無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土平板結(jié)構(gòu)設(shè)計研究論文
摘 要:無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土平板結(jié)構(gòu)適用于中等地震烈度區(qū)的雙向柱網(wǎng)，其設(shè)計一般采用荷載平衡法來進(jìn)行設(shè)計，對預(yù)應(yīng)力混凝土平板的設(shè)計中的截面尺寸的選擇、預(yù)應(yīng)力筋的估算、次內(nèi)力與荷載效應(yīng)組合這三個方面進(jìn)行了探討。
關(guān)鍵詞:預(yù)應(yīng)力;混凝土;平板設(shè)計
1 引言
無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)是在一個方向或兩個方向配置主要受力無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋的結(jié)構(gòu)體系。施工時，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋同非預(yù)應(yīng)力筋一樣，按設(shè)計要求鋪放在模板上，然后澆筑混凝土，待混凝土達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后，再張拉錨固。此時，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋與混凝土不直接接觸，呈無粘結(jié)狀態(tài)。在外荷載作用下，預(yù)應(yīng)力在縱向可以相對周圍混凝土發(fā)生縱向滑動，但在總變形上存在者變形協(xié)調(diào)關(guān)系，該結(jié)構(gòu)一般也需要配置普通鋼筋以改善結(jié)構(gòu)的受力性能，避免結(jié)構(gòu)在極限狀態(tài)下出現(xiàn)集中裂縫而發(fā)生脆性破壞。其優(yōu)點是:
(1)結(jié)構(gòu)自重輕，提供滿足大空間的功能要求，符合較高的使用功能的要求。
(2)施工簡便、速度快。無次梁，有利于采用定型摸板，節(jié)約模板。
(3)抗腐蝕性能強(qiáng)。預(yù)應(yīng)力筋外包涂有防腐油脂塑料套管。
(4)使用性能好。在使用荷載作用下，抗裂和撓度要求易于控制。
(5)抗震性能較好。在地震作用下，當(dāng)產(chǎn)生大幅度的反復(fù)位移時，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋始終處于受拉狀態(tài)，不像有粘結(jié)可能由受拉轉(zhuǎn)為受壓。應(yīng)力幅度變化較小，局部變形也以均勻分散到全長上。
2 截面尺寸選擇
在初步設(shè)計階段，為控制撓度通�？砂纯绺弑鹊贸霭宓淖钚『穸�，一般由跨高比的正常取值范圍，求得的板厚可滿足結(jié)構(gòu)性能要求，所建成的后張樓板也是經(jīng)濟(jì)的。但在平板結(jié)構(gòu)中，由于柱支撐著雙向板，柱邊存在著很高的剪應(yīng)力，可能產(chǎn)生沖切或沖剪破壞。此時，圍繞柱出現(xiàn)斜裂縫，破壞面從柱邊處的板底斜向伸展至板頂，成圓錐面或凌錐面的“沖切破壞錐”。斜裂縫與水平線的傾角取決于板的配筋和預(yù)應(yīng)力的大小，一般在20°—45°之間。因此，在設(shè)計中應(yīng)驗算所選板厚是否有足夠的抗沖切能力。
依據(jù)國內(nèi)關(guān)于無附加鋼筋的單柱預(yù)應(yīng)力平柱的試驗結(jié)果，通常假定板的沖切破壞錐體與板底面成45°角，在沖切承載力計算中取沖切破壞錐體斜面的上下邊長的平均值，即距荷載邊k/2處的周長作為計算周長。我國《無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 92-93)中給出了平板節(jié)點抗沖切承載力的計算公式如下:
F1≤(0.6f1+0.15σpe)μm猦0(1)
式中:F1為集中反力設(shè)計值，即柱所承受的軸向力設(shè)計值減去柱頂沖切破壞錐體范圍內(nèi)的荷載設(shè)計值;f1為混凝土抗拉設(shè)計強(qiáng)度;σpe為由預(yù)應(yīng)力筋的有效預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的混凝土平均預(yù)壓應(yīng)力，當(dāng)兩個方向預(yù)壓應(yīng)力值不同時，取其加權(quán)平均值;μm為沖切計算周長，一般取距集中反力作用面積周邊h0/2處的周長;h0為平板的截面有效高度。
從式(1)可求出滿足抗沖切承載能力需求的最小板厚。
需要指出的是，上述公式未考慮傳遞節(jié)點不平衡彎矩，若考慮傳遞節(jié)點不平衡彎矩，則平板節(jié)點的抗沖切承載力計算較為復(fù)雜，在初步設(shè)計階段可采用將豎向荷載剪力乘以適當(dāng)?shù)姆糯笙禂?shù)來近似考慮傳遞不平衡彎矩的影響，對中柱該放大系數(shù)可取1.2，邊柱取1.5，角柱取2.0。
3 預(yù)應(yīng)力筋估算
3.1 預(yù)應(yīng)力筋的線型
(1)計算預(yù)應(yīng)力筋線型。
按照荷載平衡法原理，結(jié)構(gòu)中預(yù)應(yīng)力的作用可用等效荷載代替，等效荷載的分布形式可設(shè)計為與外荷載的分布形式相同、方向相反、數(shù)值相當(dāng)。若外荷載為均布荷載，則預(yù)應(yīng)力束的計算線形可取拋物線形，當(dāng)外荷載為集中荷載時，則預(yù)應(yīng)力束的計算線形可取折線形，若外荷載在同一跨內(nèi)既有均布荷載，又有集中荷載作用，則該跨預(yù)應(yīng)力束的計算線形可取拋物線與折線的結(jié)合。
(2)實際預(yù)應(yīng)力筋線型。
在預(yù)應(yīng)力混凝土平板結(jié)構(gòu)中，采用荷載平衡法設(shè)計得到的預(yù)應(yīng)力筋線形在中間支座處有尖角，而在實際的布筋中，預(yù)應(yīng)力筋是由一系列正反拋物線組成，在最大偏心處，相鄰兩段拋物線相切，且斜率為零，因此其連接是光滑的。根據(jù)這個幾何關(guān)系條件可確定出實際的預(yù)應(yīng)力筋線形。
3.2 預(yù)應(yīng)力筋的估計
對預(yù)應(yīng)力筋的估計，通常都采用避開次內(nèi)力計算的荷載平衡法來進(jìn)行設(shè)計，荷載平衡法由林同炎教授于1963年提出，該法大大簡化了超靜定預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算，其基本原理如下:結(jié)構(gòu)上預(yù)應(yīng)力的作用可用等效荷載代替，等效荷載的分布形式可設(shè)計為與外荷載的分布形式相同、方向相反、數(shù)值相當(dāng)。
應(yīng)用荷載平衡法設(shè)計時，一個關(guān)鍵問題是怎樣合理地選擇平衡荷載，亦即預(yù)應(yīng)力應(yīng)該平衡掉多大的荷載。預(yù)應(yīng)力平板結(jié)構(gòu)的配筋設(shè)計同樣必須滿足規(guī)范規(guī)定的承載能力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)的要求，即需驗算承載力、變形、裂縫控制要求以及施工階段的應(yīng)力。在實際設(shè)計中變形主要由結(jié)構(gòu)的跨高比控制，裂縫控制則主要由預(yù)應(yīng)力筋的數(shù)量控制。當(dāng)按裂縫控制要求配置的預(yù)應(yīng)力筋量不滿足承載力要求時，可通過增配非預(yù)應(yīng)力鋼筋予以滿足。既然預(yù)應(yīng)力筋的數(shù)量實際上是由裂縫控制要求確定的，所以平衡荷載應(yīng)按結(jié)構(gòu)的裂縫控制等級合理選取。其基本原則是:對一、二級裂縫控制等級的結(jié)構(gòu)，當(dāng)準(zhǔn)永久荷載系數(shù)較大時，一般可取永久荷載(即恒載)和準(zhǔn)永久荷載的一部分(30%—70%)作為平衡荷載�？勺兒奢d比例較大時，可取較大值;可變荷載比例不大時，可取較小值。對于三級裂縫控制等級的結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力筋的配置可有正截面承載力計算確定，其中預(yù)應(yīng)力筋所承擔(dān)的承載力一般不大于總承載力的75%。
4 次內(nèi)力與荷載效應(yīng)組合
4.1 次內(nèi)力
在預(yù)應(yīng)力超靜定結(jié)構(gòu)中，預(yù)加應(yīng)力使構(gòu)件產(chǎn)生的變形將受到多余約束的限制，從而產(chǎn)生附加內(nèi)力，超靜定結(jié)構(gòu)中由于施加預(yù)應(yīng)力引起的附加內(nèi)力，我們稱之為預(yù)應(yīng)力次內(nèi)力，預(yù)應(yīng)力次內(nèi)力包括預(yù)應(yīng)力次剪力、預(yù)應(yīng)力次彎力和預(yù)應(yīng)力次軸力等，一般對結(jié)構(gòu)兩類極限狀態(tài)有重要影響的是預(yù)應(yīng)力次彎矩，所以在預(yù)應(yīng)力平板結(jié)構(gòu)設(shè)計中我們只考慮預(yù)應(yīng)力次彎矩。預(yù)加應(yīng)力在超靜定結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生的總內(nèi)力為主內(nèi)力與次內(nèi)力之和，稱之為綜合彎矩，由此預(yù)應(yīng)力次彎矩可由下式求得:
M2=Np-M1(2)
M1=Mpep(3)
式中，Mp為預(yù)應(yīng)力彎矩;M1為預(yù)彎力主彎矩;M2為預(yù)應(yīng)力次彎矩;Np為預(yù)應(yīng)力鋼筋及非預(yù)應(yīng)力鋼筋的合力;ep為凈截面重心至預(yù)應(yīng)力及非預(yù)應(yīng)力鋼筋合力點的距離。
4.2 荷載效應(yīng)組合
預(yù)應(yīng)力平板結(jié)構(gòu)與其它超靜定預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)一樣，荷載組合的關(guān)鍵是在結(jié)構(gòu)兩類極限狀態(tài)設(shè)計中如何考慮預(yù)應(yīng)力次彎矩的問題。國內(nèi)外許多規(guī)范都有具體的規(guī)定，如美國《鋼筋混凝土房屋建筑規(guī)范》(ACI 1992年公制修訂版)規(guī)定:在使用荷載條件下，預(yù)應(yīng)力超靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力按彈性方法確定，結(jié)構(gòu)內(nèi)力中應(yīng)包括預(yù)應(yīng)力次彎矩，在承載力計算時仍應(yīng)考慮預(yù)應(yīng)力次變彎矩，此時預(yù)應(yīng)力次彎矩須考慮內(nèi)力重分布的影響。我國《預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T92-93)中規(guī)定，預(yù)應(yīng)力次彎矩一直存在并保持不變，因此在承載能力極限狀態(tài)設(shè)計中以及在正常使用極限狀態(tài)時均應(yīng)考慮預(yù)應(yīng)力次彎矩的影響。
參考文獻(xiàn)
[1]@薛偉辰.現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2003.
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