預應力撐桿柱在鋼結構柱中的應用

1預應力撐桿柱的應用歷史在鋼結構中施加預提能力可以提高組件或結構的承載能力，減少變形，改善結構性能，節約木材和成本。預應力撐桿柱是預應力鋼結構的一種基本構件,根據其撐桿形式的不同,可以分為外撐式柱、內撐式柱,見圖1、圖2。除了具有預應力鋼結構的一般特點外,預應力撐桿柱還有其獨特的受力特點。一般情況下,高強度預應力鋼索借助錨具固定在柱的兩端,通過張拉高強鋼索或其它施工方法建立預應力,使鋼柱提前受壓,高強鋼索受拉,此為第一階段即施加預應力階段。第二階段為承受外加荷載階段,在外加荷載作用下,預應力高強鋼索的應力有所減小,而鋼柱繼續受壓。兩個階段的受壓應力相疊加,這似乎與一般預應力的“卸載”工作原理相違背。然而,由于在鋼柱外圍設置若干撐桿或內部設置橫隔板,那么只要構件在外荷載作用下,預應力高強鋼索始終保持繃緊而不松弛的狀態,就能通過撐桿或橫隔板給構件提供有效的側向彈性支承點,從而減小構件計算長度,可以大幅度提高構件的穩定承載力。實際上,高強鋼索的預應力無需太大,只要保證鋼索在各受力階段始終處于繃緊狀態而不松弛即可,由此獲得的穩定承載能力提高的“有利效應”遠大于張拉預應力引起的中部鋼柱壓應力增加的“不利效應”。這就是預應力撐桿柱的基本工作原理。需要指出的是,理想的軸心受壓柱(預應力撐桿柱)的失穩屬于第一類穩定問題(分支點失穩),其穩定承載能力為屈曲臨界力;而實際構件總是存在初彎曲、初偏心和殘余應力等因素的影響,構件的失穩屬于第二類穩定問題(極值點失穩),其穩定承載能力為極限承載力。本文主要針對第二類穩定問題。預應力撐桿柱在國內外已有應用。早期主要用于高聳塔桅結構,近20年來在大跨度鋼結構中也開始應用。英國在1952年興建的倫敦博覽會的會標運用了預應力撐桿柱的受力思想,因預應力鋼索的作用使77m高的塔頂側向位移減小到原來的1/4～1/5。1973年設計完成的悉尼電視塔亦是應用了這種預應力鋼索作為桅桿纜繩的方法,實現了設計總體高度244m。我國于1984年設計、1986年完工的華北電力調度塔,采用了在大樓屋頂上建預應力鋼索斜拉塔的結構方案,該塔高57.1m,塔身圓筒直徑2.3m,采用20對預應力鋼索斜交構成空間網狀結構,結構新穎,造型美觀。1992年為巴塞羅那奧運會建造的通訊塔主承重結構也是采用了三節間三邊外撐桿的預應力撐桿柱形式,塔高288m。另外,1958年布魯塞爾博覽會交通館的豎向主承重結構采用了15m高的2節間預應力撐桿柱,采用3根預應力鋼索。1983年建于英國的雷諾汽車公司服務中心采用統一的暴露結構設計單元作廠房,其豎向承重結構就是16m高的2節間預應力撐桿柱,采用4根預應力鋼索。2003年由東南大學和南京市建筑設計研究院聯合設計的南京圖書館新館,其前后兩個主立面共有7根細長鋼柱,高40m,中間無側向支承,柱長細比超出規范的要求,這些細長柱全部運用了內撐式預應力撐桿柱,建筑造型簡約、美觀。盡管外撐式和內撐式預應力撐桿柱的工作原理相同,但從結構的受力性能來說,由于外撐式預應力撐桿柱的撐桿和高強鋼索可以形成一個空間的結構形式,整體剛度好,預應力索對中部鋼柱的支撐約束效果好于內撐式撐桿柱,概念上也易于理解和接受。然而,建筑師從建筑美學觀點出發有時往往更看中內撐式撐桿柱。內撐式預應力撐桿柱由于高強鋼索內置,外形簡潔美觀,施工便利,有其獨特的優點?？紤]到預應力撐桿柱以承受軸心壓力為主,故中部鋼柱一般采用圓鋼管或方管,預應力高強鋼索一般選用單根或多根鋼棒、鋼絞線或高強鋼筋。相對于外撐式撐桿柱,內撐式撐桿柱施工精度要求高,構件的穩定承載力對鋼柱的初始缺陷敏感,目前國內系統的研究與應用很少。在預應力撐桿柱的計算理論中,國外的一些學者已經做了一些研究工作。Hafez等針對理想撐桿柱推導了初始張力和屈曲荷載的線性關系表達式,但沒有考慮初始缺陷的影響。Temple等采用了有限元方法來分析預應力撐桿柱的屈曲荷載,該方法適應于各種形式的預應力撐桿柱。在我國,哈爾濱工業大學鐘善銅教授根據彈性理論給出了外撐式預應力撐桿柱的解析算法。作者和香港理工大學陳紹禮教授合作采用一種帶有初始缺陷的單元來分析預應力撐桿柱,提出了預應力撐桿柱的簡化算法,適合于在工程計算中運用,計算精度高,通用性強。本文基于理想撐桿柱的計算理論,考慮內撐式預應力撐桿柱的受力和構造特點,結合南京圖書館新館工程,進行了10個模型試件的試驗研究,以期對國內今后內撐式預應力撐桿柱的研究和應用有參考和借鑒作用。2初始缺陷的表現內撐式預應力撐桿柱的分析計算分為兩個階段進行,即預應力階段和承受外加荷載的階段。在預應力階段,由于施加預應力不大,構件的側向位移很小,可將構件視為兩端鉸支、中部有多個側向彈性支撐的軸心受壓構件,見圖3a。在承受外加荷載階段,根據鋼柱側向約束剛度的不同,構件可能有單波失穩和多波失穩兩種模態,見圖3b。與外撐式預應力撐桿柱不同,內撐式預應力撐桿柱鋼索對中部鋼柱的轉角約束很小,可以僅考慮側向位移約束。考慮到初始缺陷的存在,預應力撐桿柱的整體失穩形式為極值點失穩形式,其鋼柱典型的荷載-位移曲線及其應力-應變曲線如圖4所示。在預應力階段,鋼柱承受預應力鋼索的初始預拉力P0,由于P0不大,鋼柱彎曲變形很小可以忽略不計,軸向壓縮位移為Δ0,見圖3a。這一階段對應于圖4a的荷載-位移曲線中的O→A段。在圖4b所示的鋼柱應力-應變曲線中,O→A→A′反映了這一階段的應力-應變關系,這一階段鋼柱處于彈性受壓狀態,并且由于張拉預應力的損失,應力從高點A點回落到低點A′點(應力為σe),與A′點相對應的鋼索應力為有效張拉應力fe。鋼柱從A′點開始進入承受外加荷載階段。在承受外加荷載階段,一般而言,外加荷載P都要比鋼索的初始預拉力P0大得多,隨著荷載慢慢增大,其彎曲變形亦越來越大。到達圖4a曲線的B點時,鋼柱外邊緣開始屈服,C點為承載力的極限點;隨后位移繼續變大,荷載減小,柱喪失繼續承受荷載的能力。需要指出的是,預應力撐桿柱在這一階段的受力中,由于產生越來越大的彎曲變形,由預應力鋼索通過撐桿(或隔材)提供的側向彈性支承的剛度也會越來越大,這樣勢必會引起預應力鋼索的張力亦越來越大。此張力又將與外加荷載同向地作用于鋼柱,如此反復,直到整個預應力撐桿柱喪失承載能力為止。預應力撐桿柱在這一階段的失穩一般為單波或者多波的形式,失穩形式如圖3b。理想的設計應在鋼柱達到極限承載力時,預應力鋼索的應力也同時達到其設計要求的最大應力。3內部支撐方案的適應性支撐柱的模型試驗研究3.1靜力模型試驗研究在對鋼預應力撐桿柱進行理論分析的基礎上,為檢驗其結果的正確性和可靠性,結合南京圖書館新館工程實際情況,按1∶6的縮尺比例對南京圖書館新館預應力撐桿柱進行了靜力模型試驗研究。試驗在東南大學教育部重點實驗室進行。試驗主要目的是研究不同長細比、不同截面形式、不同支座約束條件的預應力撐桿柱的穩定承載力。此外,還進行了方鋼管細長柱和方鋼管混凝土柱的對比試驗。共進行了10個模型的靜載試驗。3.1.1模型的材料力學性能試驗模型共分三類,其中2根為方鋼管柱模型,3根為方鋼管混凝土柱模型,5根為預應力撐桿柱模型(3根為方鋼管柱、2根為H型鋼柱),試驗模型所采用的幾何參數和支座邊界條件詳見表1。試驗模型所用板材均為Q345B,厚度有8mm和10mm兩種,鋼絞線強度等級為1860級,高強預應力鋼絲強度等級為1470級,混凝土強度等級為C25。材料力學性能如表2所示。為保證試驗所用材料性能的準確性,在實驗室分別對鋼板和混凝土進行了材性試驗,其中混凝土試塊與試驗模型同條件養護。試件的加工、制作由專業技術人員完成,采用低氫型小直徑電焊條,小電流施焊,焊縫飽滿,焊接殘余變形小。鋼管柱(KZ1,KZ2)為不采取任何措施的空方管柱;預應力撐桿柱CZ1、CZ2、CZ3為內撐式方鋼管柱,在鋼管柱內等距設置三道隔板,兩端與柱封口板用OVM夾片錨錨固,預應力鋼絞線初始張拉力為55kN(有效張拉力約為30kN);預應力撐桿柱CZ4、CZ5截面為H形,預應力鋼絲設置在弱軸方向的兩邊,共兩根,中間等距設置三道隔板,兩端與柱封口板用鐓頭錨錨固,每根鋼絲初始張拉力為30kN(有效張拉力約為20kN);方鋼管混凝土柱TZ1、TZ2、TZ3為在鋼管柱內灌注C25混凝土。所有模型柱支座條件均按照一定的構造實現,鉸支為可轉動的弧形板支承(圖6b),固支為厚平板支承(圖6c)。圖5列出內撐式預應力撐桿柱的兩種試驗模型的構造圖,預應力鋼索一類為j15.24鋼絞線(CZ1、CZ2、CZ3),一類為7鋼絲(CZ4、CZ5)。3.1.2數據采集和試驗裝置試驗中,柱模型水平擱置在鋼反梁上,端部頂住反梁兩端的牛腿,采用液壓千斤頂在柱一端加載。測點布置主要在柱鋼管壁(應變測點)和跨中(位移測點),試驗結果通過自動數據采集系統TDS303便攜式數據采集儀記錄。試驗裝置如圖6所示。測點的布置是由理論分析的結果并考慮現有測試條件決定的,重點布置在柱跨中以及預應力撐桿柱隔板附近,并適當考慮了對稱性。在柱鋼管壁上對稱貼4片應變片,在外露的預應力鋼絲上貼1片應變片。位移測點采用自動位移傳感器進行測量,圖7a;應變測點采用電阻應變片,圖7b。試驗開始前,對每一根試件進行了初始位移缺陷的測量,由于構件自重較輕,缺陷值較小,詳見表1。本試驗為穩定性破壞試驗,加載為分級完成,直到將模型柱壓到屈曲失穩為止。每一級均記錄應變測點和位移測點的讀數,并記錄最終的極限失穩荷載。3.2極限失穩破壞本模型試驗中,模型結構在試驗荷載的作用下最終為極限失穩破壞。下面主要從柱的撓度(位移)、截面測點最大應力、穩定承載力以及卸載后殘余應力幾個方面進行各類柱的比較,并重點對預應力撐桿柱進行分析。3.2.1預應力撐桿柱的彈性分析圖8、圖9分別為一端鉸支一端固定的模型柱和兩端鉸支的模型柱在各級荷載作用下荷載-跨中最大位移曲線和荷載-跨中最大應力曲線。可以看出,不采取任何措施的方鋼管柱的曲線發展單一,沒有經歷特殊變化的過程,當外加荷載達到一定值即出現屈曲失穩,且根據其最大應力大小,可知其為彈性失穩。對于預應力撐桿柱和鋼管混凝土柱,曲線的發展較為復雜,可以分為三個階段:彈性工作階段、強化階段和極限失穩階段。在彈性工作階段,曲線較為平緩,且基本為直線,這一階段柱的跨中位移和最大應力均較小;在強化階段,曲線變得陡峭,隨著荷載的增加,跨中位移和最大應力上升較快,慢慢達到最大值,荷載不能繼續上升,進入失穩階段。將三者比較起來看,由圖9b可看出,預應力撐桿柱的斜直線段最長,表明彈性工作階段最長,曲線在各個階段發展相對較有規律,無突變現象,這表明了預應力撐桿柱工作性能的可靠性。此外,從圖中可以看出KZ2和CZ1的曲線斜率較大,彈性工作階段較短,KZ2和CZ1是具有較大初始缺陷的柱,這表明對于此類長細比大的細長柱,對于初始缺陷的敏感性很強,從其穩定承載力也能夠看出這一點。3.2.2預應力撐桿柱與鋼管混凝土柱的穩定性表3為各類柱最終穩定承載力表。從中可以看出,穩定承載力最小者為鋼管柱的KZ2,該模型柱具有較大的初始缺陷;穩定承載力最大者為預應力撐桿柱的CZ5,其為兩端固定,27預應力鋼絲?？傮w來說,預應力撐桿柱和鋼管混凝土柱較鋼管柱穩定承載力大,且比鋼管柱有較大提高;預應力撐桿柱較鋼管混凝土柱稍高。對于鋼管混凝土柱,在鋼管截面尺寸、長度和內灌混凝土強度等級一定時,其穩定承載能力是基本確定的,也可以根據規范公式計算;但對于預應力撐桿柱,隨著加勁隔板數量的增加、預應力鋼絞線(鋼絲)與隔板間隙的減小和施加預應力值的優化,預應力撐桿柱的穩定承載能力還能夠繼續增加,理論上可以達到柱的強度極限值。從本試驗研究也可看出,預應力撐桿柱比相同尺寸的鋼管混凝土柱的穩定承載能力高。3.2.3預應力撐桿柱彈塑性破壞特征表4為各類柱在完全卸載后的殘余應力。從中可以看出,鋼管柱殘余應力基本沒有,預應力撐桿柱較大,鋼管混凝土柱次之。這表明,鋼管柱為彈性屈曲失穩;而預應力撐桿柱和鋼管混凝土柱均已進入彈塑性階段,失穩為彈塑性破壞。由于預應力鋼索參與構件的工作,使得鋼柱的材料強度和承載能力得到更充分的發揮,這也是預應力撐桿柱的優點之一。3.2.4支護結構的穩定性分析圖10為兩端固定的模型柱CZ5在最大荷載400kN作用下,各位移測點的位移值及真實試件變形情況。從中可以看出,CZ5在極限荷載作用下,由于預應力鋼絲和隔板的作用,形成了多波屈曲的失穩模態。因為焊接鋼柱本身存在的焊接殘余應力以及初彎曲缺陷,這些波形的波峰和波谷稍有不同,但最終出現了預應力撐桿柱的多波失穩形態。從計算分析結果也可知,預應力撐桿柱出現多波失穩時的極限承載力比單波失穩大。理想的設計準則是預應力撐桿柱出現單波失穩和多波失穩的極限承載力相等,可以最大限度地發揮撐桿柱穩定承載力。圖11為CZ5的1/4處(圖6a中測點2)和1/2處(圖6a中測點4)截面兩側最外邊緣在各級荷載作用下的應力,從中可以看出,在這兩處,截面相同側的應力符號相反,這表明CZ5發生了多向彎曲,即多波的變形形式,而最終也是以多波的形態失穩。這一點與上述各點位移分析相一致。兩者充分表明,預應力撐桿柱設計合理,是