预应力筋布置对框架结构设计的影响分析_邱剑

为了分析锚固位置对柱子设计内力的影响 ， 除对
j 次梁 1000 × 3200 中跨施加 2 × 15 15． 2 预应力钢筋 j 外， 对主梁 1500 × 2000 的中跨施加 6 × 15 15． 2 预应
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建
筑
结
构
2012 年
250 ， 150 ， 250 ） 。分别建立预 力钢筋 ， 线形均为 （ C4 ， PKPM / PＲEC 模 应力筋有直线段和无直线段的模型 ， MIDAS / Gen 模型是把预 型在张拉信息中输入直线段 ， 应力钢束按实际位置和长度输入到模型 ， 计算结果如 表 2 所示 。
2 2 2 活载为 5kN / m ； 轨道面恒载为 28kN / m 、 载为 3kN / m 、 2 活载为 20kN / m 。分别用 PKPM / PＲEC 和 MIDAS / gen
。 预应力钢筋配置不当时 ， 不
［3 ］
仅造成浪费 ， 而且可能对结构产生不利影响 ， 降低结 构承载能力甚至导致损伤 。 高顺 分析了框架柱及 水平连梁对预应力梁的有效预压力的影响 ， 指出框架 柱抗侧刚度较大时会导致梁的有效预压力降低 。 熊 学玉
建立 模 型 ， 对 次 梁 1000 × 3200 的 中 跨 施 加 2 × 15 j 15． 2 预应力钢筋 （ f py = 1860N / mm2 ） 进行计算分
2 析。张拉控制应力为 σ con = 1300N / mm ， 线形为四段
250 ， 150 ， 250 ， 0． 15 ， 0． 5 ， 0． 15 ） ， 抛物线 （ C4 ， 见图 2 。
作者简 介： 邱 剑， 男， 教 授 级 高 级 工 程 师， 一 级 注 册 结 构 工 程 师， Email： 21244113@ qq． com。
第 42 卷 增刊
邱
剑， 等． 预应力筋布置对框架结构设计的影响分析
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为便于比较 ， 计算模型里不考虑风荷载 、 地震及温度 作用， 对比计算结果见表 1 。
图1
计算分析模型 图3 MIDAS 计算的次弯矩图 / kN·m
图2
次梁预应力筋线形
次梁对主梁预应力弯矩和扭矩的影响比较 / kN·m 表 1
对比内容 次梁支座弯矩 次梁跨中弯矩 x 向主梁支座弯矩 x 向主梁跨中弯矩 x 向主梁支座扭矩 PＲEC 无预应力 18281 17958 64777 19760 573 有预应力 17252 18336 64777 19760 573 MIDAS 无预应力 20968 17344 63336 14705 519 有预应力 20885 18861 63620 14725 530
图4
MIDAS 计算的次剪力图 / kN
2
梁预应力筋锚固位置的影响
后张法预应力混凝土结构常用的预应力筋张拉 PKPM / PＲEC 软件算出的同一次梁 由表 1 可知， 在不加预应力和施加预应力两种情况下 ， 次梁的设计 内力有变化 ， 而主梁设计弯矩 、 扭矩相同 。 也就是说 其未考 虑 次 梁 施 加 预 应 力 对 主 梁 内 力 的 影 响 。 而 MIDAS / Gen 算出的结果是主 、 次梁内力均有变化 ， 也 就是说其考虑了次梁施加预应力对主梁及其余各构 件内力的影响 。 MIDAS / Gen 计算的次弯矩及次剪力 4。 分别见图 3 、 由两个软件的计算结果可看出 ， 施加预应力后 ， 次梁的跨中设计弯矩有所增大 ， 这是因为对于超静定 结构， 预应力作用效应的次弯矩 、 次剪力及次轴力应 参与组合计算 。 由 MIDAS 的计算结果可以看出 ， 次 梁施加预应力会使主梁设计内力增大 ， 如果不考虑次 梁预应力对主梁的影响 ， 偏于不安全。只是当预应力 筋配筋量不大时 ， 这种影响基本上可以忽略 。 因此 ， 对于一般结构 ， 采用 PKPM / PＲEC 进行设计基本上是 安全的 ， 但是对于复杂的 、 预应力钢筋配筋量较大时 ， 最好用其他软件进行复核 。 使用 MIDAS / Gen 时要注 意， 也需要自定义含预应力作用次效应的荷载组合 。
Analysis on influence of prestressed steel layout on complicated prestressed frame Qiu Jian，Wang Dongfeng ，Ye Zhixiong ，Liu Chang
（ CITIC General Institute of Architectural Design and Ｒesearch Co．，Ltd．，Wuhan 430014 ，China） Abstract： There are some strong and weak points in the design software of PKPM / PＲEC and MIDAS / Gen． This paper will refer to Guiyang North Ｒailway Station to do some research from the following respects． At firstly，influenced girder internal force and moment and torque by prestressed steel in secondary beam． At the same time，influenced internal force on beam end because of the position of prestress anchoraging． Secondly，influenced internal force on column because of the position of prestress anchoraging． Influenced prestress efficiency because of the shear wall on beam end． There will be some safety problems when layout prestressed steel in frame structure if we don not think about this respects． So we should use two more softwares to calculate and doublecheck when design complicated prestressed frame． Keywords： prestressed concrete； frame structure； prestressed steel layout； internal force influence
第 42 卷 增刊 2012 年 11 月
建 筑 结 构 Building Structure
Vol． 42 S2 Nov． 2012
预应力筋布置对框架结构设计的影响分析
邱 剑， 王东峰， 叶志雄， 刘 昶
（ 中信建筑设计研究总院有限公司，武汉 430014 ）
［ 从 摘要］ 预应力混凝土设计软件 PKPM / PＲEC 和 MIDAS / Gen 在计算中各有优点和不足 。 结合贵阳北站工程， 次梁预应力筋对主梁设计内力的影响 、 梁预应力筋锚固位置对梁端设计内力的影响 、 梁预应力筋锚固位置对柱子 设计内力的影响、 梁端有剪力墙时对梁预应力筋效率的影响等几个方面进行研究分析 。 发现在布置预应力钢筋 时如果不考虑这些因素可能会导致安全问题 。所以在计算复杂的预应力框架结构时应采用多个软件进行复核 。 ［ 关键词］ 预应力混凝土； 框架结构； 预应力筋布置； 内力影响 中图分类号： TU378． 2 文献标识码： A 848X（ 2012 ） S2038404 文章编号： 1002-
锚固点对弯矩和扭矩的影响计算 / kN·m
对比内容 次梁支座弯矩 次梁跨中弯矩 x 向主梁支座弯矩 x 向主梁跨中弯矩 x 向主梁跨中扭矩 y 向主梁支座弯矩 y 向主梁跨中弯矩 柱顶弯矩 柱底弯矩 PＲEC 柱中锚固 17362 18233 64777 19762 573 24309 21019 3872 1798 梁中锚固 17362 18233 64777 19762 573 24309 21019 3872 1798 MIDAS 柱中锚固 18353 16456 62004 14606 1122 24598 18188 4643 1770 梁中锚固 19704 14887 61729 14804 281 26026 17577 2519 814
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引言
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次梁预应力筋对主梁内力的影响
随着社会的发展 ， 一些商业建筑和公共建筑对空 间和层高提出了更高的要求 。为了兼顾经济性 、 安全 性和舒适性等多方面需求 ， 越来越多的预应力结构被 应用到实际工程中
［1 ， 2 ］
在框架结构体系中 ， 次梁在竖向荷载作用下发生 挠曲变形 ， 同时在次梁梁端发生转动 ， 主梁在次梁节 点处产生协调转动 ， 这个转动产生的力矩就是主梁的 扭矩 。当次梁施加预应力时 ， 次梁挠度会减小 ， 次梁 梁端的转角也会变小 ， 意味着主梁与次梁相交节点处 的转角会变小 ， 从而对主梁产生有利影响 。以上仅是 从位移角度分析 ， 具体是否有利 ， 本文通过实例计算 来分析 。为了说明问题 ， 选择贵阳北站站台层的一部 y 向 主 梁 截 面 为 1500 × 分进行分 析 。 如 图 1 所 示， 2000 ， 次梁截面为 1000 × 3200， 跨度为（ 18 + 24 + 18 ） m； x 向 主 梁 跨 中 截 面 为 2000 × 2500 ， 端 部 为 3000 × 2500 ， 跨度为 21m； 柱子截面为 1700 × 2200 。站台面恒
图5 柱边锚固示意 图6 梁中锚固示意
端锚固型式有 ： 柱边凸出式张拉端 、 凹入式张拉端 、 梁 侧凸出式张拉端 、 梁两侧凹入式张拉端 、 板下梁侧凸 出式张拉端 、 梁面留槽张拉端等 。 其中 ， 柱边张拉端 有时为了便于施工 ， 常在预应力筋末端设有一定长度 的直线段 ， 将张拉锚固位置移到梁端箍筋加 密 区 之 外。显然 ， 不同的锚固位置对梁 、 柱的内力有着不同 的影响 。为了分析梁预应力筋锚固位置的影响 ， 进行 两种典型锚固形式的计算对比 ： 1 ） 柱边锚固 ， 如图 5 所示 ； 2 ） 梁中锚固 ， 带 3 m 长的直线段 ， 如图 6 所示。
增大 。从普通钢筋配筋量来看 ， 虽然梁设计弯矩增大 了， 但考虑预应力筋直线段的作用 ， 普通钢筋配筋量 不一定会增加 。分析计算过程可看出 ， 普通受拉钢筋 量主要由预应力度控制 ； 受压钢筋量主要由受压区高 度限值控制 。若考虑预应力筋直线段作用之后 ， 预应 力度和受压区高度改变较大 ， 可能导致普通钢筋配筋 量的大幅增加 。 因此 ， 对预应力筋锚固端留有直线段的结构 ， 计 算时需要考虑预应力筋直线段对梁支座负弯矩的不 利影响 ， 并 校 核 普 通 钢 筋 的 配 筋 计 算， 以确保结构 安全 。 3 梁端竖向构件刚度的影响 所谓梁端竖向构件刚度的影响是指预应力混凝 土结构中的柱 、 剪力墙 、 筒体等抗侧刚度的影响 。 梁 端竖向构件约束了梁的轴向变形 ， 竖向构件的抗侧刚 度越大 ， 这种约束作用越强 ， 梁上施加预应力时 ， 竖向 构件会分担更多由预应力筋产生的内力 ， 使得传递到 梁上的预压力减小 ， 从而可能导致预应力筋的效率发 生改变 。为了分析这种影响 ， 采用 MIDAS / Gen 进行 了以下三种情况的对比计算 ， 计算结果如表 4 所示。 1 ） 情况 1 ： 柱子截面为 1000 × 2200 ， 没有剪力墙 ； 2 ） 情 况 2 ： 柱子截面为 2000 × 2200 ， 没有剪力墙 ； 3 ） 情况 3 ： 柱子截面为 1000 × 2200 ， 柱间垂直预应力梁方向有 600mm 厚剪力墙 ， 见图 7 。
［4 ］
通过对某综合体育馆主梁预应力进行研究 ， 指
出按空间框架计算的主梁次弯矩值与按平面框架结 构计算的结果存在较大差异 ， 主要是因为次梁约束的 影响。可见， 对框架结构预应力筋布置的影响和计算 分析需要进行深入研究 。 贵阳北站站房结构的站台层和高架层采用预应力 混凝土框架结构。分别用 PKPM / PＲEC 和 MIDAS / Gen 软件， 从次梁预应力筋对主梁内力及配筋的影响 、 梁 预应力筋锚固位置的影响 、 竖向构件刚度对梁预应力 筋效率的影响等几个方面进行了对比分析 。 总结给 出了框架梁预应力筋布置的影响 ， 并指出了两种软件 各自的特点和结构设计时需要注意的问题 。