关于组合结构正常使用极限状态的探讨

摘 要：组合结构是一种新型的建筑结构。组合结构在正常荷载作用下产生过大的变形、侧移、振动或裂缝等，将会对结构的正常使用造成不利影响或使人产生不安全感。在正常使用极限状态中，组合结构应验算其应力、挠度和混凝土裂缝宽度。

关键词：组合结构；正常使用极限状态；应力；挠度；混凝土裂缝

1 概述

组合结构在土木工程中，指的是由两种或两种以上的结构材料组成，且材料之间能以某种有效的方式传递内力，以整体的形式产生抗力的结构形式。它不包括两种或两种以上的结构材料组成，但各种单独发挥作用、简单叠加、单独承受荷载作用的结构。钢—混凝土组合结构是土木工程中最常用的组合结构类型。

2 正常使用极限状态

正常使用极限状态中，应验算组合结构的应力、挠度和混凝土裂缝宽度，以满足规范的要求。其作用效应的计算，应采用整体弹性分析并考虑剪力滞后效应及混凝土收缩徐变的影响。

2.1 应力

组合结构在正常使用极限状态中的应力计算应采用作用效应的标准组合，即永久荷载与可变荷载的标准组合。本质上，应使结构在正常使用过程中处于弹性状态。

组合结构中钢的应力应不大于钢材屈服强度除系数γM，ser，见于规范《EN 1993-2》第7.3（1）。其中，系数γM，ser在该规范中取1.0。

《EN 1994-2》第7.2.2（2）规定，为满足耐久性，混凝土应力不大于系数k1乘混凝土轴心抗压强度标准值fck，。其中，《EN 1992-1-1》给出k1=0.6。另外，当应力大于0.45fck时，应考虑混凝土蠕变的影响。从《EN 1992-1-1》第3.1.4（2）中可知，随着应力的增大，混凝土弹性模量将逐渐减小，其蠕变呈现非线性变化的状态。

《EN 1994-2》第6.8.1（3）规定，考虑到抗疲劳破坏，每个剪力连接件的剪应力不大于系数ks乘其抗剪承载力设计值PRd，其中， ks=0.75。该条款在《EN 1994-2》中疲劳的一节，属于承载能力极限状态，但对正常使用极限状态下的总剪力值作了限制，而不是对循环荷载作用下的应力幅值作限制。然而，在承载能力极限状态下荷载的平均分项系数有可能接近1.35（《EN 1990》规定，承载能力极限状态中作用效应的分项系数γ，对混凝土自重和汽车荷载取1.35，对活载取1.2），因此，承载能力极限状态和正常使用极限状态的条件是可以作对比的。这意味着，已经“过载”10%的承载能力极限状态将难以优化，此时正常使用极限状态将起控制作用。

2.2 挠度

标准组合作用下，桥梁的挠度一般不会超过其净空限值。这应当得益于在方案设计阶段选用了适当的截面，使其具有足够的刚度抵抗作用效应下的挠度（挠度的大小相比桥梁尺寸而言可一般忽略不计）。《EN 1993-2》第7.8条对公路桥梁挠度性能标准提出了明确的规定。其中指出，桥梁结构挠度过大将会对结构的动力性能及桥面排水产生不利影响。从实际情况来看，一般公路桥梁的动力性能均能满足正常使用极限状态的要求。而适当的调整道路纵、横坡，将使桥面排水问题大大减少（例外的是，当路线的纵断面是水平时，应充分考虑桥面排水的设施）。

2.3 混凝土的裂缝

一般来说，混凝土板的配筋按承载能力极限状态的强度来确定的，以抵抗板上的整体荷载（使板在负弯矩区产生拉力）及局部荷载（使板在车辆荷载等集中力的作用下产生弯矩）。因此，在方案设计阶段，我们只关心混凝土板中的总配筋量，而不去关注实际的钢筋尺寸及间距。考虑到混凝土耐久性，板的配筋量按承载能力极限状态的验算后，还需校核正常使用极限状态下混凝土裂缝。混凝土板产生裂缝的原因主要有两个，一是板的变形（由混凝土的收缩及温度应力所产生）以及由直接作用产生的张拉应力。

2.3.1最小配筋率

《EN 1994-2》第7.4.2条规定，无论板的张拉应力是由直接作用引起，或是由间接作用引起（如收缩引起的一次和二次效应），均应满足板的最小配筋率。

通常情况下，该最小配筋率远小于控制直接荷载作用下产生的裂缝所需的配筋率，或是抵抗承载能力极限状态的作用效应所需的配筋率。由《EN 1994-2》表7.1可知，当钢筋尺寸越小，所需的最小配筋面积则越小，因其未开裂部位与开裂部位的横截面比值增大了，而且裂缝间的容许钢筋应力更高了。

2.3.2直接荷载作用产生的裂缝控制

板的拉应力是由混凝土板所受到的整体荷载（在负弯矩区产生拉力）及局部荷载（产生弯矩）引起的。然而，出于耐久性的因素所考虑的裂缝宽度的限制，仅仅与准永久荷载组合相关，并且该荷载组合在板内产生的弯曲应力一般都很小（当板跨不超过4米，且仅承受自重及其表面的荷载时）。

《EN 1994-2》第7.4.条提出的有关裂缝宽度的规定，可参考《EN 1992-2》第7.3.1.条（105），在准永久荷载组合的作用下，规定wmax=0.3mm。

负弯矩区的整体拉应力（包括收缩及温度应力引起）因 “受拉刚化”效应的影响而增强。该效应产生的原因是，与开裂的截面相比，裂缝之间的混凝土能够提供更大刚度的截面，并承担更多板上荷载。为了维持应力平衡以及应变协调，裂缝中的钢筋的应力应变将会增大，与此相对应的，未开裂部分混凝土中的钢筋的应力应变将减小。总体而言，负弯矩区的弯矩分布变化不大，其钢筋的应力只在裂缝处才有所增大。钢筋应力的增大取决于混凝土的抗拉强度和开裂部分与未开裂部分截面特性的相对关系，因此，对于直接荷载作用而言，它只是其中的一项简单的附加应力。

一旦已知总拉应力，可由规范《EN 1994-2》表7.2查得对应于裂缝宽度限值wmax的最大钢筋间距。另外，为了平衡总拉应力，规范对钢筋间距及尺寸作了限制。可见，确定钢筋间距后，钢筋尺寸与应力之间的关系与计算最小配筋量的情形相类似的，均取决于未开裂部位与开裂部位截面的比值。不同的是，准永久荷载作用下的钢筋应力一般不会达到其尺寸的上限值。

3 结语

随着社会的发展，将有越来越多的组合结构被应用在跨度大、结构复杂的桥梁工程中。结构在满足承载能力的同时，其在正常荷载作用下的变形、振动或耐久性等通常会对使用功能造成一定的影响。因此，按承载能力极限状态设计的结构构件，应再按正常使用极限状态进行校核。

参考文献

[1]EN 1993-2：2006， Steel bridges

[2]EN 1994-2：2005， General rules and rules for bridges

[3]EN 1992-1-1：2004， General rules and rules for buildings

[4]EN 1990：2002， Basis of structural design （incl. amendment A1：2005）

[5]EN 1992-2：2005， Concrete bridges. Design and detailing rules

[6]D.C.Iles. Composite highway bridge design. The Steel Construction Institute

[7]王晶峰.组合结构设计.化学工业出版社，2011.

[8]公路桥涵设计通用规范（JTG D60-2004）.人民交通出版社，2004

作者简介

陈志超（1988-），男，广东省惠州市，助理工程师，本科，研究方向：桥梁工程。