预应力混凝土结构设计案例分析

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专项工艺更复杂,施工技术要求更高 单方土建造价较混凝土结构高10~20% 预应力混凝土构件的抗震延性较普通钢混构件略差
1.4 张拉控制应力及预应力损失
1.4.1 初始张拉应力(σ0) 初始张拉应力主要为达到预紧的目的,一般取10~15%的张拉控制应力 1.4.2 张拉控制应力(σcon) 设计要求预应力筋张拉需达到的应力,一般为抗拉强度标准值fptk的
1.6 等效荷载法
预应力束的作用可视为对结构施加反向荷载以抵抗使用荷载的手 段,这些反向荷载即为等效荷载。
等效荷载包括两部分:一是通过预应力筋的锚具作用于结构的集 中力和集中弯矩;另一部分是因预应力筋曲率引起的垂直于预应 力筋中心线的横向分布力。
预应力等效荷载在任何情况下都是一组自平衡力系,如下图所示
4.1 设计步骤及流程
结构选型和布置 确定张拉工艺、张拉控制应力 按照抗裂控制要求和弯矩图形状,初步确定预应力筋线形及
数量 结构整体内力计算 验算:裂缝、挠度、承载力、张拉施工阶段 调整初步设计(结构平面布置、预应力筋线形及数量、截面尺
寸等) 调整后重新进行结构整体内力计算 满足要求后绘制结构施工图
1.2 PRC结构的分类
1.2.1 按预应力施工方法分 先张法 后张法 1.2.2 按预应力筋粘结情况分 有粘结 无粘结 1.2.3 按预应力度大小分 全预应力 部分预应力 普通混凝土
1.3 PRC结构的优缺点
有效降低结构高度,适用于大跨、大悬挑、重载结构 主动加载控制,减小了结构构件的变形 提高了结构抗裂性能,结构耐久性能更佳 扩大了普通混凝土结构的应用范围
3.4 抗震设计要点---最大综合配筋率
“抗震规范”规定: 预应力混凝土框架梁端纵向受拉钢筋按非预
应力钢筋抗拉强度设计值换算的配筋率不应大于2.5%。这是根据
“强柱弱梁”的抗震原则提出的。
最大综合配筋率:
fPy AP f y As f ybh
max
实际上,预应力强度比和最大配筋率的规定基本上限定了预应力




专 题
预应力混凝土结构(PRC)
讲 座
设计要点及案例分析
2015-10
李 伟 兴
上海天华建筑设计有限公司
目录
一. PRC结构的基本知识 二. PRC结构的设计原则 三. PRC结构的抗震设计 四. 设计步骤及结构选型 五. 锚夹具种类及工程实例 六. PRC结构设计案例分析
1.1 预应力的基本概念
0.70~0.75 计算预应力损失的基点,需考虑超张拉2~3% 1.4.3 预应力损失 瞬时损失:摩擦损失、锚固损失、构件弹性压缩损失 长期损失:混凝土收缩徐变损失、钢筋松弛损失等 总损失:先张法约200~300MPa,后张法约150~250MPa
1.5 次内力
次内力的产生可表述为:预应力作用→结构变形趋势受约束→ 支承产生约束反力→结构产生次内力。
有条件的话可以将构件端部水平加腋或竖向加腋,这样可一定程 度补偿无粘结预应力筋造成的截面削弱。
3.3 抗震设计要点---预应力强度比
“抗震规范“规定:后张预应力混凝土框架梁中应采用预应力筋
和非预应力筋混合配筋方式,预应力强度比不宜大于0.75。
预应力强度比的定义:
AP fPy
AP fPy As f y
6.6 超长楼板中预应力筋布置
6.7 超长地下室外墙中预应力筋布置
平均预压应力2.5MPa 采用无粘结预应力筋 注意锚具的封锚保护
6.8 多跨预应力梁图纸表达方式(一)
6.8 预应力梁施工图表达方式(二)
6.9 预应力梁锚固端表达方式
6.10 PRC结构设计要点小结
5.4.1 工程实例---梁板预应力束埋设
5.4.2 工程实例---大吨位千斤顶张拉(一)
5.4.2 工程实例---大吨位千斤顶张拉(二)
5.4.3 工程实例---体外预应力加固(一)
5.4.3 工程实例---体外预应力加固(二)
5.4.4 工程实例---转换梁预应力束布置
5.4.4 工程实例---预应力转换梁张拉端
单束:≥300mm 双束:≥450mm 三束:≥650mm
4.4 常用设计软件及图集
设计软件 PKPM系列中的PREC模块,包括PREC1和PREC2。
4.4 常用设计软件及图集
标准图集 国家建筑标准设计图集《后张预应力混凝土结构施工图表示方法及构造
详图》 (06SG429),提供了施工图表示方法和构造大样图
张拉端:多孔群锚 固定端:多孔挤压锚 对应张拉设备:大吨位千斤顶
5.2.2 有粘结钢绞线束锚具
张拉端:扁形锚 固定端:挤压锚 适用于:预应力楼板、扁梁 对应张拉设备: 便携式小吨位千斤顶
5.3 有粘结钢丝束锚具
张拉端:镦头锚具 固定端:镦头锚杯
对应张拉设备: 轻型配套吨位千斤顶
2.1 主要设计原则
按抗震要求和施工条件确定施工工艺:有粘结或无粘结。 采用常规计算软件进行弹性内力分析,预应力的影响可采用等效荷载法
计算。 预应力筋的线形主要取决于竖向荷载作用下的弯矩图形状,锚固端部需
结合锚具尺寸及张拉操作条件予以确定。 PRC结构的抗裂控制标准:一般楼面结构0.2mm,屋面结构不开裂(当
混凝土构件的预应力度和预应力筋的配筋量。
两配式筋联量立。可将推工导程出中:常用AP 的 参mf数Paxy f代y bh入,上实式际,就得限到定了:预应力筋的最大
AP
0.75 2.5% 360 1320
bh=0.52%bh
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一. PRC结构的基本知识 二. PRC结构的设计原则 三. PRC结构的抗震设计 四. 设计步骤及结构选型 五. 锚夹具种类及工程实例 六. PRC结构设计案例分析
桶箍 —— 铁箍使木板预受压,在使用中受到水的侧压力,铁箍受拉
自行车轮 —— 幅条和钢圈,辐条细,易压屈,受拉钢圈截面较大,可受压。 旋紧辐条,使辐条预先受拉,在受力时不会产生压屈
凉衣绳 —— 松弛时刚度为0 ,张紧后具备一定刚度,可以承载
美国ACI对预应力混凝土定义: “预应力混凝土是根据需要人为地引人某一数值与分布的自平衡内应 力,用以部分或全部抵消外荷载应力的一种加筋混凝土。
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6.1 上海世博会主题馆
6.2 项目概况
2010年上海世博会永久保留场馆“一轴四馆”之一 地上建筑主要用作展厅,西展厅部分为单层,东展厅部分为二层
3.2 有粘结和无粘结的抗震设计应用
鉴于无粘结预应力混凝土结构的耗能能力不足、无粘结筋对节点 截面削弱较多、以及人们对多跨预应力筋“连续倒塌”效应的担 心,“抗规”和“砼规”均建议在框架抗震设计时宜采用有粘结 预应力筋。
在同时满足下列条件的情况下也可在框架构件中采用无粘结预应 力筋:(1)配有足够的非预应力筋来提供极限承载力和耗能能力 ;(2)单跨且跨度在20m以下(转换梁、悬挑梁除外);(3) 满足“抗震规范”预应力强度比的要求;(4)采用Ⅰ类锚具,且 锚固端必须采取可靠密封措施以保证结构的耐久性。
有可靠经验时可适当放松)。 预应力作用于超静定结构中时,除产生主内力外还将产生次内力,设计
中要考虑次弯矩的影响,尽量削减次轴力的不利影响。 预应力筋会约束构件截面转动能力,因此预应力框架的调幅系数一般比
钢筋混凝土框架小,为0.05~0.15。
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一. PRC结构的基本知识 二. PRC结构的设计原则 三. PRC结构的抗震设计 四. 设计步骤及结构选型 五. 锚夹具种类及工程实例 六. PRC结构设计案例分析
3.1 抗震性能的总体评价
由于预应力构件尺寸相对较小,结构的自振周期较长,从而使得 结构的位移反应偏大。
预应力混凝土结构的耗能能力要弱于钢筋混凝土结构,但配置了 足够的非预应力筋后,预应力混凝土结构的位移反应减小,耗能 能力也将得到明显改善。
预应力混凝土构件在初始弹性拉伸大变形之后具有较大的变形恢 复能力,强震后的残余变形比钢筋混凝土结构小得多;预应力混 凝土结构的刚度衰减较少;预压应力的存在也提高了节点区的抗 剪能力。
4.2 预应力构件适用跨度
框架梁:12~30m 悬挑梁:3~9m 单向板:≥ 7.5m 双向板:≥ 8m 交叉井式梁框架: 20~40m
4.3 PRC结构选型经验值
框架梁高跨比:1/12~1/18 次梁高跨比:1/20~1/25 悬臂梁高跨比:1/6~1/9 宽扁框架梁高跨比: 1/20~1/25 双向井式框架梁高跨比: 1/20~1/25 周边支承梁双向板高跨比: 1/45~1/50 单向板高跨比: 1/40~1/45 梁的宽度与预应力束数有关(见《砼规》10.3.7):
6.3 预应力技术的运用
地下室顶板柱网尺寸为18x18m, 且活荷载达20KN/m2,采用了双向有 粘结预应力预应力框架梁截面( 700x1600),边支座受力较大部位梁 底局部加腋,采用双向无粘结预应力井 字次梁(500x1100)
地下室部分单向总长达236米,一 层楼板中布置了无粘结预应力筋,施加 2.0MPa的平均预压应力以提高其抗裂 性能
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5.1 无粘结钢绞线锚具
张拉端:单孔夹片锚
固定端:挤压式锚
对应张拉设Βιβλιοθήκη Baidu: 便携式小吨位千斤顶
5.2.1 有粘结钢绞线束锚具
静定结构或超静定结构的静定基本结构在预应力作用下产生的 内力称为主内力,将预应力等效作用在整个结构中产生的结构 内力称为综合内力。综合内力 - 主内力 = 次内力。
预应力结构的非预应力构件没有主内力,其次内力即为综合内 力;静定结构的次内力为零,主内力即为综合内力。
次内力作为预应力效应的力学表现形式,反映了预应力超静定 结构的约束性能。次内力包括次弯矩、次轴力和次剪力,设计 中主要需要考虑次弯矩、次轴力的影响。
在超长地下室外墙中适当施加预应 力,预加的平均压应力控制在2.5MPa 左右
6.4 预应力框架梁布置
双向有粘结预应力预应力框 架梁截面尺寸700x1600
边支座受力较大部位梁底局 部加腋300x2500(hxb)
6.5 预应力次梁布置
预应力双向井字次梁截面尺 寸约500x1100
采用无粘结预应力结构
,总建筑面积12.9万平方米,建筑总高度23.5米 西侧展厅设计为180×126m无柱大空间,净高14m,故该部分
结构采用了单层126m大跨度张弦空间钢桁架结构 东侧展厅为两层,楼面结构采用单向空间钢桁架形式,框架柱为
箱形截面 楼板厚150mm,采用双向钢筋桁架模板现浇混凝土板。跨度
30m的次梁采用双向井字钢梁,其余次梁一般采用单向布置,考 虑钢梁与混凝土楼面的组合作用
1.7 名义拉应力法
混凝土构件按未开裂匀质截面计算名义拉应力,再依据试验数据 建立最大裂缝宽度和名义拉应力的近似对应关系。通过控制应力 值达到控制裂缝宽度的目的。
近似对应关系如下:
裂缝宽度 Wmax
(mm)
C30
0.10
3.2
0.15
3.5
0.20
3.8
0.25
4.1
C30
C40
C40
ρas≥1%
上述规定以及规范中对相对受压区高度进行限定的目的都是为了 保证预应力构件的抗震性能(延性、耗能和刚度退化等),在预 应力筋面积确定后,非预应力筋面积的即可由上式推算出。
对于预应力框架梁,若fp=1320N/mm2,fy=360N/mm2,在 设计计算确定AP后,由上式可推算出As = 1.21 AP,这个结果往 往是非预应力筋配筋面积的控制条件。
ρas≥1%
4.1
7.2
8.1
4.6
7.5
8.6
5.1
7.8
9.1
5.6
8.1
9.6
名义拉应力法是一种近似方法,计算便捷,尤其适合在初步设计 中估算预应力筋用量时采用。但准确计算裂缝宽度仍需采用规范 的裂缝公式。
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