浅谈预应力型钢混凝土组合结构

【摘要】所谓型钢混凝土组合结构是指在型钢周围布置钢筋，并浇筑混凝土的结构。型钢混凝土梁较普通钢筋混凝土梁具有刚度大、承载性能高、断面尺寸小及抗震性能好等优点，是今年来在组合结构领域的重要发展方向。但是随着跨度的增加，正常使用极限状态的限制条件往往会影响上述优越性的发挥，预应力技术可以实现对构件拉应力区的应力控制，从而显著改善构件在正常使用阶段的工作性能。

【关键词】预应力；大跨；极限状态；抗震性能

引言

近年来，随着我国经济的迅速发展，对建筑功能的要求越来越高，建筑设计正朝着体型复杂、功能多样的综合性方向发展，相应的结构形式也变得复杂多样，大跨度、重载结构不断涌现，对结构体系提出了新的更高的要求。因此，组合结构的应用就越来越广泛，但随着跨度和荷载的进一步增大，为了满足正常使用极限状态，普通组合结构的性能往往不能得到充分的发挥，而预应力技术可以显著的改善结构在正常使用阶段的工作性能，从而使结构得到更充分的利用，在安全的前提下更加经济，预应力型钢混凝土结构便是其中具有代表性应用形式。

1 预应力型钢混凝土组合结构介绍

预应力混凝土技术堪称是对混凝土结构的一次技术革命。当今的预应力混凝土是用高强度钢材和较高强度的混凝土经先进的生产工艺制作的、用现代设计概念和方法设计的高效预应力混凝土。预应力可以有效地改善结构的使用阶段性能（如控制裂缝开展和消除结构挠度等），提高受剪承载力和疲劳强度，改善卸载后的恢复力性能，充分地利用高强度的钢材，有效地调整结构的内力等。当今，预应力技术在传统应用领域的基础上，已迅速扩大到居住建筑、大跨与重载结构、大空间公共建筑、高层建筑、高耸结构、地下结构、海洋结构及道路桥梁结构等领域。预应力的概念和技术已成为新型结构体系创新的重要手段之一。型钢混凝土结构是在混凝土构件中配置型钢，同时也配有少量构造和受力钢筋的钢与混凝土组合结构。对于同截面而言，型钢混凝土结构比普通钢筋混凝土结构的承载能力和刚度显著提高，尤其适合应用于大跨、重载及高层、超高层建筑中。另外，型钢混凝土结构还具有十分良好的延性和耗能能力，因而特别适用于地震区。相比钢结构建筑而言，型钢混凝土结构可大量节省钢材，降低造价，弥补了钢结构建筑防腐、防锈、防火性能差和维护费用高的弱点。因而，在当前高层及超高层建筑及大跨、重载结构中采用型钢混凝土结构已成为工程结构研究与工程应用的热点领域。

但是，随着跨度的增加或荷载的加大（如重载结构），正常使用极限状态的限制（如裂缝控制条件）条件往往会影响型钢混凝土结构上述优越性的发挥，而预应力技术则可以实现对构件拉应力区的应力控制，从而显著改善构件在正常使用阶段的工作性能。为此，若将预应力和型钢混凝土技术结合起来，所形成的预应力型钢混凝土结构新体系将具有预应力结构和型钢混凝土结构的双重优点。这种组合结构可利用型钢混凝土技术提高结构的承载能力，利用预应力技术改善型钢混凝土结构在正常使用极限状态下的性能（如裂缝控制、变形控制等），进而形成一种预应力型钢混凝土组合结构新体系，从而可为组合结构技术的发展与应用以及结构体系的创新开辟更广阔的前景。

2 预应力型钢混凝土组合结构国内外研究现状

目前，国内外学者对预应力型钢混凝土这种新兴的结构形式的研究和应用仍处于起步阶段。试验及有限元数值模拟研究都较少，尤其缺少这种结构的抗震性能的试验研究和有限元分析，且没有形成完善的指导工程应用的设计方法及理论依据，更没有相应的规范规程可依照。

2.1 国外研究状况

在 20 世纪 60 年代，国外学者通过理论计算推导了预应力简支钢-砼组合梁的预应力增量计算公式，并分析了预应力型钢混凝土结构的受力性能。在 20 世纪 80 年代以后，Saadatmansh 对两根预应力组合梁进行正弯矩与负弯矩的加载试验，得到了荷载-挠度曲线以及荷载-应变曲线。

2.2 国内研究状况

80 年代以后，随着我国改革开放政策，经济迅速发展，该结构在我国兴起，最早应用主要是高层建筑的转换层结构。但总的来说，该结构在我国的应用相对有限，从而对预应力型钢混凝土组合结构研究和应用还处于起步阶段，仅有少量的试验研究，不过近年来，预应力组合结构成为了工程研究的热点问题。李峰等人进行了两根预应力型钢混凝土梁和两根普通型钢混凝土梁的实验研究，研究表明：施加预应力可以明显改善型钢混凝土梁的抗裂性能，从而增大了梁的刚度，对梁的承载力也起到了一定的作用：预应力型钢混凝土梁在荷载作用下的破坏机理与普通钢筋混凝土梁相似，最终受压区的混凝土被压碎而破坏。傅传国在托柱转换层结构的研究中，制作了两榀带转换大梁的框架缩尺试验模型，一榀为预应力型钢混凝土转换大梁的叠层空腹桁架模型，另一榀为普通钢筋混凝土等尺寸框架作为对比模型，研究了反复低周水平荷载作用下的结构的抗震性能。研究表明，带预应力型钢混凝土转换大梁的框架具有更好的受力及抗震性能。

3 预应力型钢混凝土组合结构研究的未来趋势

综上所述，对于预应力型钢混凝土结构的研究和应用已取得一定的成果，但缺乏对该结构构件系统的研究，在进一步深化科研和推广应用方面，尚有许多工作要做：

（1）基于试验研究，进行预应力型钢混凝土组合结构体系承载机理、力学性能的理论分析，进一步细化梁正截面、斜截面承载力和变形计算理论，进行裂缝控制研究。

（2）深化对梁抗震性能和抗震设计方法的研究，并开展疲劳性能和长期性能的研究；

（3）开展对与梁连接的梁柱节点的承载力、抗震性能以及相应设计方法的研究；

4 结语

随着城市化趋势进一步加速，其明显特征就是巨型建筑发展很快，出现不断向大跨度、超高层及高耸建筑发展的趋势，工程实践表明，传统的结构很难适应现代大跨结构、重荷载结构及高耸建筑的要求，预应力型钢混凝土梁正以其跨度大、自重轻、节省材料、截面尺寸小等突出优点，迎合着建筑结构的发展趋势。预应力型钢混凝土将伴随着组合结构成为我国 21 世纪土木工程实际应用的重要形式之一，有着广阔的前景。