2018火灾中预应力型钢混凝土梁正截面抗弯承载力计算方法

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　　摘要:预应力型钢混凝土组合结构特别适用于大跨度、重载和超高层的转换层结构，因此其抗火性能非常重要。在合理假定的基础上，采用二台阶模型对火灾中预应力型钢混凝土梁截面进行合理简化。基于等效截面的方法，建立了火灾中预应力型钢混凝土梁正截面受弯承载力实用计算公式。
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　　关键词:预应力型钢混凝土；火灾；等效截面；极限承载力
　　中图分类号： TU378文献标识码：A 文章编号：
　　Abstract: Prestressed steel reinforced concrete structure is especially suitable for the big span, overlap and super-tall conversion layer structure, so the fire resistance performance is very important. On the basis of reasonable to assume that by using two steps model of prestressed steel reinforced concrete to fire beam section on the reasonable simplified. Based on the method of equivalent section we have established prestressed steel reinforced concrete section flexural capacity by practical formulas.
　　Key Words: prestressed steel reinforced concrete; fire; equivalent section; limit bearing capacity
　　1引言
　　 工程中对大跨度、承受重荷载的结构要求日益强烈，预应力型钢混凝土结构为这一需求创造了有利条件。为保证这些重要构件的安全性以及增强其抵御灾害的能力对提高整个建筑结构的可靠性来说是至关重要的。工程人员最关心的问题是结构的承载性能，本文对预应力型钢混凝土结构在火灾下的承载性能进行了研究，并提出了相对精确、简便的计算方法[1]。
　　2 抗弯承载力计算前的前期准备
　　2.1高温下混凝土等效截面的确定
　　 混凝土的高温抗压强度随温度变化的经验公式有多种，本文采用欧洲规范[2]提供的一种近似的简化方法，该方法比较粗糙，但计算偏于安全，它将高温下混凝土构件的截面转换成一个常温下的等效截面，然后再利用现行规范中常温的公式和方法进行计算。
　　
　　 图1二台阶模型示意图 图2二台阶模型三面受火等效截面示意图
　　 本文在对高温下混凝土进行面积等效时，采用二台阶模型(如图1)的方法进行等效截面的转换。根据高温下混凝土强度折减规律，采用300℃和800℃等温线作为二台阶模型的分界线，首先应确定300℃和800℃等温线。等效截面保留T≤300℃的全部面积, 对300℃＜T＜800℃范围取为原截面宽度的一半，对截面温度T＞800℃时面积忽略不计，300℃和800℃等温线的位置与耐火极限有关[3]。
　　 当耐火极限t=60min时，300℃和800℃等温线的位置为：
　　 ；() （1）
　　 当耐火极限t=90min时，300℃和800℃等温线的位置为：
　　 ； () （2）
　　 当耐火极限t=120min时，300℃和800℃等温线的位置为：
　　 ； ()（3）
　　 当耐火极限t=180min时，300℃和800℃等温线的位置为：
　　 ； ()（4）式中：―300℃等温线的宽度，单位是mm；―300℃等温线的高度，单位是mm；
　　 ―800℃等温线的宽度，单位是mm；―800℃等温线的高度，单位是mm。
　　2.2高温下型钢等效截面的确定
　　 高温下型钢的名义屈服强度公式[4]：
　　 (5)
　　2.3高温下普通钢筋和预应力钢绞线的高温强度简化模型
　　 过镇海、时旭东等[1]依据实验结果概括出两个简化的回归计算式：
　　 (I－IV级钢筋)(6)
　　 (v级钢筋) (7)
　　 高温作用下高强预应力钢丝的计算模型[5]：
　　 (8)
　　式中：
　　3 高温下预应力型钢混凝土梁正截面承载力计算
　　3.1基本假设
　　 常温构件的计算原则和方法适用于高温构件，只是材料的强度和变形指标较常温相比有所降低， 需依据截面温度分布作出相应的修正。考虑高温作用对材料力学性能劣化的影响，做出如下基本假定：
　　 1.梁截面的温度场己知；
　　 2.平截面假定。即假定截面应变线性分布，符合平面变形条件；
　　 3.在计算时忽略型钢、普通钢筋和混凝土之间的滑移；
　　 4.不考虑混凝土的抗拉能力；
　　 5.受压区混凝土的应力图形采用等效矩形应力图假设；
　　3.2 界限受压区高度
　　 高温中预应力型钢混凝土梁在外荷载和预应力等效荷载作用下，其截面的界限受压区高度可根据以下原则确定[5]。
　　 （9）
　　3.3 当受拉区位于高温作用时的极限承载力计算公式
　　 预应力型钢混凝土梁高温下正截面受弯承载力，对于受拉区位于高温区的矩形截面受弯构件，其正截面受弯承载能力极限状态的计算公式如下所示：
　　
　　图4高温下预应力型钢混凝土梁正截面受弯承载力计算示意图（）
　　 1.当受压区高度时，如图4所示，对换算截面形心轴取矩和力的平衡得：
　　
　　图5高温下预应力型钢混凝土梁正截面受弯承载力计算示意图（）
　　 2.当受压区高度时，如图5所示，对换算截面形心轴取矩和力的平衡得：
　　
　　 式中，为温度T下预应力型钢混凝土梁抗弯承载力；
　　 为截面形心轴至梁受压边缘距离；
　　 为截面形心轴至梁受拉边缘距离；
　　 为钢筋的温度为T时的抗压强度设计值；
　　 为型钢的温度为T时的抗拉强度设计值；
　　 为型钢的温度为T时的抗压强度设计值；
　　 为型钢腹板的温度为T时的的受弯承载力；
　　 为型钢腹板的温度为T时的的轴向承载力；
　　结论
　　 预应力型钢混凝土构件火灾下的力学性能可以通过有限元分析进行，并且精确度比较高，但难于被广大工程人员接受。火灾中材料的力学性能已有比较成熟的研究成果。本文在这些成果的基础上，应用常温下预应力型钢混凝土抗弯承载力的计算理论，列出火灾下预应力型钢混凝土的计算公式，该公式力学意义明确，计算简便。并能满足工程准确度的一种简单计算方法。
　　参考文献
　　 [1] 过镇海，时旭东.钢筋混凝土的高温性能及其计算.清华大学出版社，2003
　　 [2]Eurocode No. 2 Design of Concrete Structure Part10: StructuralFire Design[S].
　　 [3]熊学玉等.火灾下预应力混凝土结构极限承载力计算方法[D],自然灾害学报，2005,14（2）
　　 [4]李国强等著.钢结构及钢-混凝土组合结构抗火设计[M].中国建筑工业出版,2006;
　　 [5]傅传国，娄宇著.预应力型钢混凝土结构试验研究及工程应用.北京：科学出版社，2007
　　注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。