预应力外包U型钢与混凝土组合梁正截面受弯承载力计算

摘要：预应力外包U型钢混凝土组合梁是一种新型的结构形式。本文根据钢结构设计规范中对钢与混凝土组合梁的规定以及混凝土结构设计规范中对承载能力极限状态的计算的有关规定，推导了预应力组合梁在正弯矩作用下的抗弯承载力的计算公式。

关键词：预应力，外包钢，组合梁，抗弯承载力

中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：

引言

预应力外包U型钢混凝土组合梁结构体系是通过薄钢板直接冷弯或用冷弯薄壁型钢焊接成U型截面，然后截面内部填充混凝土作为T行梁的肋部，翼缘为现浇混凝土板，使用后张法施工在受拉区施加预应力，使构件起拱以满足控制裂缝宽度和满足更大跨度的要求。外包钢与内部混凝土变形协调，共同受力。这种结构克服了钢筋混凝土抗拉强度低的弱点，提高了钢材的屈曲承载力，改善了结构的延性，使其整体稳定性优于钢结构和型钢混凝土组合结构；另外U型钢部件可以作为组合梁的永久性模板，施工方便。目前，针对预应力外包钢混凝土组合梁的研究已经得到国内外工程界的广泛关注，本文在此情形下建立了预应力外包U型钢混凝土组合梁正截面受弯承载力的计算公式，具有现实意义。

计算的基本假定

根据《钢结构设计规范》和《混凝土结构设计规范》的有关规定，现对预应力外包U型钢混凝土组合梁正截面抗弯承载力计算假定如下：

（一）、平截面假定。弯曲过程中梁的截面仍保持为平面并且与变形后的梁轴垂直。横向剪应变为0，横向纤维无挤压，梁轴无水平方向伸缩。

（二）、计算中的混凝土压应力取等效矩形应力，并且不考虑混凝土抗拉强度。

（三）、在混凝土翼缘板的有效宽度范围内，外包U型钢与混凝土之间有可靠的抗滑移措施，在这一宽度内，认为混凝土与外包钢可以形成组合截面共同工作。

（四）、组合梁在弯矩作用下由于外包钢内填充了混凝土而不易发生钢梁的局部破坏和侧向屈曲。

三、极限抗弯承载力的计算

基于以上假定，根据构件截面中和轴位置的不同，讨论组合梁正截面受弯承载力。

（一）、塑性中和轴在混凝土翼缘板内

图1 弯矩作用下组合梁正截面应力形式（1）

此时满足条件：

其中：——受压钢筋屈服强度

——预应力钢筋抗拉强度设计值

——分别为翼缘与腹板钢材的屈服强度，底版钢材的屈服强度

——混凝土轴心抗压强度

——混凝土等效矩形应力系数。当混凝土强度等级不超过C50时，分别取1.0和0.8。

——受压钢筋面积

——预应力钢筋面积

——分别为外包钢腹板、底板、翼缘板的面积

由力的平衡条件：

此时，混凝土受压区高度为：

对中和轴取矩得到预应力组合梁的极限受弯承载力：

其中：——组合梁极限受弯承载力

——外包U型钢底板厚度

（二）、塑性中和轴在外包U型钢腹板内

图2 弯矩作用下组合梁正截面应力形式（2）

此时满足条件：

由力的平衡条件：

此时，混凝土受压区高度为：

对中和轴取矩得到预应力组合梁的极限受弯承载力：

其中：——受拉区预应力钢筋至受拉边缘的距离

结论

根据以往对梁的实验和理论分析来看，梁的破坏形态有三种：正截面受弯破坏；斜截面受剪破坏；组合梁混凝土翼缘板与钢腹板交界处纵向滑移破坏。在满足抗剪滑移的前提下，本文根据钢结构设计规范和混凝土结构设计规范的要求推导出的公式是合理的。

参考文献

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GB20017-2002 钢结构设计规范【S】.北京：中国建筑工业出版社，2003

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