部分预制装配预应力型钢混凝土梁受力性能与设计方法研究

Based on the research of partially precast steel reinforced concrete beams (PPSRC), the prestressed partially precast steel reinforced concrete beam (PPPSRC) is proposed here to solve the problem of construction complexity of prestressed steel reinforced concrete beams by means of prestressing the precast part of PPPSRC beams in prefabricated factory. With the aim to solve the critical scientific issues regarding the control method of accurate prestressing, calculation method of the deformation and bearing capacity during the construction stage and the service stage, on the basis of experimental research and numerical analysis, the effects of section shape, arrangement of prestressed tendons and degree of applied prestress on the mechanical performance of PPPSRC beams will be investigated to establish the effective control method of applied prestress in different prestressing measures and then to propose the calculation methods of flexural stress, shear stress and deformation in prestressed tendons, steel shape and concrete during the three different stages of precast, construction and service. Then the further test to explore the failure patterns of PPPSRC beams during service stage will be conduct to put forward the calculation theory of flexural and shear bearing capacity. Finally, a set of mature and reliable construction procedures and design methods will be proposed to promote further practical applications of PPPSRC structures.

在部分预制装配型钢混凝土梁研究基础上，进一步创新提出部分预制装配预应力型钢混凝土梁（简称PPPSRC梁），实现型钢混凝土梁的预制装配和预应力筋预张拉，有效解决预应力型钢混凝土梁施工复杂的关键难题。针对预制阶段预应力张拉控制方法、施工阶段截面应力验算控制和使用阶段承载能力、变形计算等关键科学问题，结合试验研究和数值模拟等方法，对不同截面形式、不同预应力筋布束形式、不同预应力度的PPPSRC梁受力性能进行全面研究。建立预制阶段预应力筋不同布束方式的张拉控制方法，提出“预制、施工、使用”三阶段下梁中预应力筋、型钢、混凝土的弹性正应力及剪应力计算理论和考虑“预制、施工、使用”三阶段受力的变形计算方法。进一步深入分析使用阶段的破坏形态和失效机理，并建立部分PPPSRC梁受弯、受剪塑性承载能力验算方法，最终形成PPPSRC梁成套施工工艺和设计方法，为PPPSRC结构的设计与工程应用提供理论依据。

为了解决传统型钢混凝土结构施工困难的问题，推进型钢混凝土结构向着大跨、重载、高效施工的方向发展，项目组在部分预制装配型钢混凝土（PPSRC）梁研究的基础上，将预应力技术与装配式技术集成应用于型钢混凝土结构中，提出了两种截面类型（I形和矩形）的部分预制预应力型钢混凝土（PPPSRC）梁。所有试件均采用“预制+叠合”的思想，首先在工厂预制内含型钢的高强/超高性能混凝土外壳，待预制混凝土达到设计强度后对其施加预应力，然后将预制部分运至施工现场进行安装并浇筑楼板及梁核心部分混凝土，以此达到提高施工速率及施工质量、增加整体性的效果。通过17根梁试件的受弯性能试验及18根梁试件的受剪性能试验，研究了剪跨比、预应力度、预应力施加顺序、预应力筋布束形式、预制混凝土种类等参数下PPPSRC梁的受力性能。对比分析了PPPSRC梁的受弯及受剪破坏形态、裂缝产生及发展规律、受弯及受剪承载力、抗弯刚度等。研究结果表明：预应力施加于梁预制部分或施加于整个梁对PPPSRC 梁受力性能影响较小；预应力度和预制部分混凝土种类对 PPPSRC 梁的抗裂性能影响显著；结合PPPSRC梁实际施工过程，分析了制作阶段、施工阶段、使用阶段的构件截面应力应变，提出各阶段的抗裂验算方法；探讨了不同设计参数下PPPSRC梁的裂缝分布及其发展，结合已有计算方法，考虑了预制部分采用超高性能混凝土的抗拉贡献，对受拉钢筋等效应力的计算进行了推导，提出了PPPSRC梁裂缝宽度计算方法；此外通过对试验结果进行对比分析，分别建立了PPPSRC梁的正截面受弯承载力、斜截面受剪承载力、开裂弯矩、刚度及变形的计算方法，并提出了受弯及受剪承载力的实用计算方法。