预应力混凝土
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南京市娄子巷小区四期(高层住宅 D7 − 07 、D7 − 08 )工程,地下 1 层, 南京市娄子巷小区四期( 工程, 裙楼,裙楼为现浇混凝土芯筒框架结构, 地上 28 层,有 5 层裙楼,裙楼为现浇混凝土芯筒框架结构,6 层以上的 2 幢塔楼 为小开间的现浇剪力墙结构。 的预应力混凝土转换板, 为小开间的现浇剪力墙结构。 层楼板为厚 2m 的预应力混凝土转换板, 6 每块板为 22. 27. C40, 22.4m× 27.4m,混凝土强度等级 C40,沿板顶和板底配置双向双层有粘结预应力
1700 1500
2000
16φ32 500 500
板底第1批张拉 板顶第1批张拉 未注明为第2批张拉
420 3600 1200 3000 3000 2400 3600 2000 1200
预应力混凝土厚板转换层
预应力钢桁架结构
北京西客站主站房( 北京西客站主站房(图)跨度45m,承载5000t的钢桁架采用预应 跨度45m 承载5000t 45 5000 力技术,在该桁架上设计配置了三种预应力筋( 力技术,在该桁架上设计配置了三种预应力筋(1-下弦直线预应 力筋、 折线预应力筋和3 上弦端部预应力筋) 力筋、2-折线预应力筋和3-上弦端部预应力筋)
二、预应力混凝土结构的特点(与非预应力混凝土结构相比) 预应力混凝土结构的特点(与非预应力混凝土结构相比) 改善使用阶段的性能( 改善使用阶段的性能(图) 延缓受拉和受弯构件中出现裂缝并降低裂缝宽度; (延缓受拉和受弯构件中出现裂缝并降低裂缝宽度;降低甚至消除使用 荷载下的挠度) 荷载下的挠度) 提高受剪承载力 纵向预应力可延缓混凝土构件中斜裂缝的形成,提高其受剪承载力; (纵向预应力可延缓混凝土构件中斜裂缝的形成,提高其受剪承载力; 曲线预应力筋承受剪力) 曲线预应力筋承受剪力) 改善卸载后的恢复能力 卸载后,预应力会使裂缝闭合,提高其弹性恢复力) (卸载后,预应力会使裂缝闭合,提高其弹性恢复力) 提高耐疲劳强度 预应力作用降低钢筋中应力循环幅度) (预应力作用降低钢筋中应力循环幅度) 充分利用高强度钢材, 充分利用高强度钢材,减轻结构自重 可调整结构的内力 利用预应力筋对混凝土结构的作用平衡全部或部分外荷载) (利用预应力筋对混凝土结构的作用平衡全部或部分外荷载) 具有良好的经济性 比普通混凝土结构节约混凝土20% 30%、钢材30% 60%; 20%~ 30%~ (比普通混凝土结构节约混凝土20%~30%、钢材30%~60%;比钢结构节省 一半以上的造价) 一半以上的造价) 预应力结构所用材料单价较高,相应设计、施工等比较复杂,且预应力 预应力结构所用材料单价较高,相应设计、施工等比较复杂, 结构的研究工作也有待进一步深入研究
预应力混凝土门架结构(梁柱合一) P2、 预应力混凝土门架结构(梁柱合一) (P2、图1-1) 珠海玻纤厂主厂房(连续四跨预应力门架,跨度31.5m+33m+31.5m+14m) 珠海玻纤厂主厂房(连续四跨预应力门架,跨度31.5m+33m+31.5m+14m) 31.5m+33m+31.5m+14m
北 京 西 客 站 主 站 房 45米 跨 预 应 力 钢 桁 架 结 构 示 意 图
北京西客站主站房是 国门”的象征,在其正中设有一大“门洞” 北京西客站主站房是“国门”的象征,在其正中设有一大“门洞”, 52.3m 跨度45 45m 进深28.8 28.8m 连体结构由4榀高8 “洞”高52.3m,跨度45m,进深28.8m。连体结构由4榀高8m的预应 力钢桁架和30榀高8 的次桁架组成。整个钢结构重达50000kN以上, 力钢桁架和30榀高8m的次桁架组成。整个钢结构重达50000kN以上, 30榀高 50000kN以上 为巨型的大跨度钢结构工程。 为巨型的大跨度钢结构工程。
第一章 绪 论
唐 兴 荣 工学博士、 工学博士、教 授 苏州科技学院土木工程学院 二O一二年一月 一二年一月
一、预应力混凝土结构发展 1866年 美国工程师杰克逊(P.H.Jackson) 1866年,美国工程师杰克逊(P.H.Jackson)首次提出预应力技术应用于混凝土 结构(但由于低强预应力筋中的有效预应力损失几乎殆尽,使最初尝试不成功) 结构(但由于低强预应力筋中的有效预应力损失几乎殆尽,使最初尝试不成功) 预应力混凝土的现代发展归功于法国工程师弗莱西奈特 E.Freyssinet), 归功于法国工程师弗莱西奈特( ),1928 预应力混凝土的现代发展归功于法国工程师弗莱西奈特(E.Freyssinet),1928 E.Freyssinet提出 预应力混凝土必须采用高强度钢材和高强度混凝土。 提出: 年E.Freyssinet提出:预应力混凝土必须采用高强度钢材和高强度混凝土。 1938年德国的霍友(E.Hoyer)研制成功依靠高强钢丝与混凝土间的粘结力传递 1938年德国的霍友(E.Hoyer) 年德国的霍友 预应力 先张法 1939年弗莱西奈特研制成功弗氏锥形锚具; 年弗莱西奈特研制成功弗氏锥形锚具 1939年弗莱西奈特研制成功弗氏锥形锚具; 1940年比利时的麦尼尔 G.Magnel)研制成功了麦式锲形锚具 年比利时的麦尼尔( 1940年比利时的麦尼尔(G.Magnel)研制成功了麦式锲形锚具 后张法 第二次世界大战后,预应力结构在世界范围内得到蓬勃发展和广泛应用。 第二次世界大战后,预应力结构在世界范围内得到蓬勃发展和广泛应用。 1950年 月成立了国际预应力协会 中国土木工程学会于1980 国际预应力协会( 1980年参加国际预应力 1950年8月成立了国际预应力协会(中国土木工程学会于1980年参加国际预应力 协会, )(F d ration contrainte, 协会,成为会员组织 )(Fédération Internationale de la Précontrainte, contrainte FIP )。 我国预应力结构是在20世纪50年代,1954年铁道部科学研究院首次进行了预应力 20世纪50年代 我国预应力结构是在20世纪50年代,1954年铁道部科学研究院首次进行了预应力 混凝土的试制。 混凝土的试制。 主要应用:工业建筑、桥梁和轨枕、电杆、水池等结构、 主要应用:工业建筑、桥梁和轨枕、电杆、水池等结构、构件 现代预应力结构采用高效预应力混凝土(高强钢材和高强度混凝土) 现代预应力结构采用高效预应力混凝土(高强钢材和高强度混凝土) 近二三十年) (近二三十年)已渗透到土木工程的各个领域 逐步扩大到居住建筑、大跨度和大空间公共建筑、高层建筑、高耸结构、 逐步扩大到居住建筑、大跨度和大空间公共建筑、高层建筑、高耸结构、地下结 海洋结构、压力容器、 构、海洋结构、压力容器、大吨位囤船结构及跑道路面结构等领域
剪力墙 1 翼缘穿孔 剪力墙
箍筋 直束道 弯束道 1-1 焊接工字钢 普通变形钢
1 8000
预应力钢骨混凝土转换梁
预应力混凝土转换桁架设计
逐步增加的外荷载
N荷 载 N 预应力 △N 水平推力 自平衡
N荷 载 N 预应力 △N
预应力混凝土转换桁架设计
裕年国际商务大厦预应力混凝土巨型转换桁架 跨度24.6m、高度7.8m 7.8m——国内跨度最大的转换桁架 跨度24.6m、高度7.8m 24.6m 国内跨度最大的转换桁架 承受集中荷载1700多吨——承受荷载巨大 承受集中荷载1700多吨 1700多吨 承受荷载巨大
N
75.0
M2
源自文库11
M2
650.0
487.5
预应钢筋 2-Uφ s12.5
八字筋2φ 6
9
487.5
75.0
Np1
Np1
加载装置图
加载示意图
487.5
Np2
Np2
487.5
7
P
P
N
上海裕年国际商务大厦效果图
上海裕年国际商务大厦1 25振动台试验模型 上海裕年国际商务大厦1:25振动台试验模型
预应力混凝土厚板转换层
15 ,全部为直线束,采用一端张拉, 全部为直线束,采用一端张拉 一端张拉, 张拉端交错布置( 。对板施加的预应力度为 张拉端交错布置(图) 对板施加的预应力度为1.0 Mpa 。 。
32φ32 400 460 260 460 500 φ25@150 1200 650 18φ32 650 650 650
12无粘结预应力筋( 187.7kN=9948.1kN 9948.1kN) 下弦配置 12-7Uφs15.2 无粘结预应力筋(总张拉力 53×187.7kN=9948.1kN) 无粘结预应力筋( 24×187.7kN=4504.8kN 4504.8kN) 中弦配置 4-6Uφs15.2 无粘结预应力筋(总张拉力 24×187.7kN=4504.8kN)
3200 1800 500 4000 7200 3000 3000 2000 7200 420
钢绞线, 钢绞线,其中短边方向 40 束,每束为 4φ
j
2800 1500 2800
上部4φj15 2000
200 60
下部4φj15
800 2500 2300
100 22φ32 420 1280 1820
(a)
σ ct
Np Np
(拉)
(b)
σc
q
(压)
σc
(压)
(c)
q
σ (压或拉)
σ ct
(拉)
Np
Np
σ ct -σ c
(拉)
;(b)外荷载作用下;( ;(c) (a)预压力作用下 ;( )外荷载作用下;( )预压力与外荷载共同作用下 )
三、预应力结构基本形式 1、房屋建筑 预应力混凝土框架结构 我国最早现浇预应力混凝土框架结构:上海色织四厂六层双跨框架结构( 我国最早现浇预应力混凝土框架结构:上海色织四厂六层双跨框架结构(跨 20m 梁高1.64 1.64m 度20m,梁高1.64m) 珠海拱北海关大楼:双向预应力混凝土框架结构( 珠海拱北海关大楼:双向预应力混凝土框架结构(纵、横向均为18m,纵向7 横向均为18m 纵向7 18 横向5 跨,横向5跨) 深圳车港工程为我国柱网尺寸最大的预应力框架结构,标准柱网16m 25m, 深圳车港工程为我国柱网尺寸最大的预应力框架结构,标准柱网16m × 25m, 为我国柱网尺寸最大的预应力框架结构 16 标准层平面尺寸159 159m 103.5m,横向框架梁截面1200 1200mm 1200mm, 标准层平面尺寸159m × 103.5m,横向框架梁截面1200mm × 1200mm,纵向 框架梁及次梁截面1000mm×1000mm) 1000mm 框架梁及次梁截面1000mm×1000mm) 预应力混凝土平板结构(无粘结预应力筋) 预应力混凝土平板结构(无粘结预应力筋) 广州国际大厦主楼(筒中筒结构,63层 广州国际大厦主楼(筒中筒结构,63层,从7层~63层均为无粘结预应力混 63层均为无粘结预应力混 凝土平板结构,板厚200mm,内、外筒间跨度7.0m~9.4m) 凝土平板结构,板厚200mm, 外筒间跨度7.0m 9.4m) 200mm 7.0 上海福源商厦( 上海福源商厦(7层,剪力墙-平板结构,所有楼层采用无粘结预应力混凝土 剪力墙-平板结构, 平板,横向跨度10.0m+9.32m+6.78m+5.9m+7.2m,纵向跨度11 × 8m,板厚 平板,横向跨度10.0m+9.32m+6.78m+5.9m+7.2m,纵向跨度11 10.0m+9.32m+6.78m+5.9m+7.2m 230mm mm) 230mm)
上海闵行影剧院工程PC交叉梁板结构 上海闵行影剧院工程PC交叉梁板结构 PC
预应力转换层结构( Structure) 预应力转换层结构(Transfer Story Structure) 高层建筑转换层结构设计与施工》(唐兴荣编著) 》(唐兴荣编著 《高层建筑转换层结构设计与施工》(唐兴荣编著)中第十四章 特殊与复杂高层建筑结构设计》 唐兴荣编著) 《特殊与复杂高层建筑结构设计》 (唐兴荣编著)中第十九章 预应力混凝土转换梁、 预应力混凝土梁式转换层 (预应力混凝土转换梁、预应力钢骨混 凝土转换梁 、预应力混凝土曲线转换梁 )
M2
1
M1
M1
M2
10
10
8 7
7
1 5 5
8
6 2
6
7
5
5
M3
M3
2
8 7
8
7
9
4
3
预应钢筋 2-Uφ s12.5
M4
4 3
M4
11
512.5
512.5
512.5 3075
512.5
512.5
512.5
1:8静力试验模型
75.0 75.0 512.5 512.5 512.5 3075 512.5 512.5 512.5 650.0
1700 1500
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板底第1批张拉 板顶第1批张拉 未注明为第2批张拉
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预应力混凝土厚板转换层
预应力钢桁架结构
北京西客站主站房( 北京西客站主站房(图)跨度45m,承载5000t的钢桁架采用预应 跨度45m 承载5000t 45 5000 力技术,在该桁架上设计配置了三种预应力筋( 力技术,在该桁架上设计配置了三种预应力筋(1-下弦直线预应 力筋、 折线预应力筋和3 上弦端部预应力筋) 力筋、2-折线预应力筋和3-上弦端部预应力筋)
二、预应力混凝土结构的特点(与非预应力混凝土结构相比) 预应力混凝土结构的特点(与非预应力混凝土结构相比) 改善使用阶段的性能( 改善使用阶段的性能(图) 延缓受拉和受弯构件中出现裂缝并降低裂缝宽度; (延缓受拉和受弯构件中出现裂缝并降低裂缝宽度;降低甚至消除使用 荷载下的挠度) 荷载下的挠度) 提高受剪承载力 纵向预应力可延缓混凝土构件中斜裂缝的形成,提高其受剪承载力; (纵向预应力可延缓混凝土构件中斜裂缝的形成,提高其受剪承载力; 曲线预应力筋承受剪力) 曲线预应力筋承受剪力) 改善卸载后的恢复能力 卸载后,预应力会使裂缝闭合,提高其弹性恢复力) (卸载后,预应力会使裂缝闭合,提高其弹性恢复力) 提高耐疲劳强度 预应力作用降低钢筋中应力循环幅度) (预应力作用降低钢筋中应力循环幅度) 充分利用高强度钢材, 充分利用高强度钢材,减轻结构自重 可调整结构的内力 利用预应力筋对混凝土结构的作用平衡全部或部分外荷载) (利用预应力筋对混凝土结构的作用平衡全部或部分外荷载) 具有良好的经济性 比普通混凝土结构节约混凝土20% 30%、钢材30% 60%; 20%~ 30%~ (比普通混凝土结构节约混凝土20%~30%、钢材30%~60%;比钢结构节省 一半以上的造价) 一半以上的造价) 预应力结构所用材料单价较高,相应设计、施工等比较复杂,且预应力 预应力结构所用材料单价较高,相应设计、施工等比较复杂, 结构的研究工作也有待进一步深入研究
预应力混凝土门架结构(梁柱合一) P2、 预应力混凝土门架结构(梁柱合一) (P2、图1-1) 珠海玻纤厂主厂房(连续四跨预应力门架,跨度31.5m+33m+31.5m+14m) 珠海玻纤厂主厂房(连续四跨预应力门架,跨度31.5m+33m+31.5m+14m) 31.5m+33m+31.5m+14m
北 京 西 客 站 主 站 房 45米 跨 预 应 力 钢 桁 架 结 构 示 意 图
北京西客站主站房是 国门”的象征,在其正中设有一大“门洞” 北京西客站主站房是“国门”的象征,在其正中设有一大“门洞”, 52.3m 跨度45 45m 进深28.8 28.8m 连体结构由4榀高8 “洞”高52.3m,跨度45m,进深28.8m。连体结构由4榀高8m的预应 力钢桁架和30榀高8 的次桁架组成。整个钢结构重达50000kN以上, 力钢桁架和30榀高8m的次桁架组成。整个钢结构重达50000kN以上, 30榀高 50000kN以上 为巨型的大跨度钢结构工程。 为巨型的大跨度钢结构工程。
第一章 绪 论
唐 兴 荣 工学博士、 工学博士、教 授 苏州科技学院土木工程学院 二O一二年一月 一二年一月
一、预应力混凝土结构发展 1866年 美国工程师杰克逊(P.H.Jackson) 1866年,美国工程师杰克逊(P.H.Jackson)首次提出预应力技术应用于混凝土 结构(但由于低强预应力筋中的有效预应力损失几乎殆尽,使最初尝试不成功) 结构(但由于低强预应力筋中的有效预应力损失几乎殆尽,使最初尝试不成功) 预应力混凝土的现代发展归功于法国工程师弗莱西奈特 E.Freyssinet), 归功于法国工程师弗莱西奈特( ),1928 预应力混凝土的现代发展归功于法国工程师弗莱西奈特(E.Freyssinet),1928 E.Freyssinet提出 预应力混凝土必须采用高强度钢材和高强度混凝土。 提出: 年E.Freyssinet提出:预应力混凝土必须采用高强度钢材和高强度混凝土。 1938年德国的霍友(E.Hoyer)研制成功依靠高强钢丝与混凝土间的粘结力传递 1938年德国的霍友(E.Hoyer) 年德国的霍友 预应力 先张法 1939年弗莱西奈特研制成功弗氏锥形锚具; 年弗莱西奈特研制成功弗氏锥形锚具 1939年弗莱西奈特研制成功弗氏锥形锚具; 1940年比利时的麦尼尔 G.Magnel)研制成功了麦式锲形锚具 年比利时的麦尼尔( 1940年比利时的麦尼尔(G.Magnel)研制成功了麦式锲形锚具 后张法 第二次世界大战后,预应力结构在世界范围内得到蓬勃发展和广泛应用。 第二次世界大战后,预应力结构在世界范围内得到蓬勃发展和广泛应用。 1950年 月成立了国际预应力协会 中国土木工程学会于1980 国际预应力协会( 1980年参加国际预应力 1950年8月成立了国际预应力协会(中国土木工程学会于1980年参加国际预应力 协会, )(F d ration contrainte, 协会,成为会员组织 )(Fédération Internationale de la Précontrainte, contrainte FIP )。 我国预应力结构是在20世纪50年代,1954年铁道部科学研究院首次进行了预应力 20世纪50年代 我国预应力结构是在20世纪50年代,1954年铁道部科学研究院首次进行了预应力 混凝土的试制。 混凝土的试制。 主要应用:工业建筑、桥梁和轨枕、电杆、水池等结构、 主要应用:工业建筑、桥梁和轨枕、电杆、水池等结构、构件 现代预应力结构采用高效预应力混凝土(高强钢材和高强度混凝土) 现代预应力结构采用高效预应力混凝土(高强钢材和高强度混凝土) 近二三十年) (近二三十年)已渗透到土木工程的各个领域 逐步扩大到居住建筑、大跨度和大空间公共建筑、高层建筑、高耸结构、 逐步扩大到居住建筑、大跨度和大空间公共建筑、高层建筑、高耸结构、地下结 海洋结构、压力容器、 构、海洋结构、压力容器、大吨位囤船结构及跑道路面结构等领域
剪力墙 1 翼缘穿孔 剪力墙
箍筋 直束道 弯束道 1-1 焊接工字钢 普通变形钢
1 8000
预应力钢骨混凝土转换梁
预应力混凝土转换桁架设计
逐步增加的外荷载
N荷 载 N 预应力 △N 水平推力 自平衡
N荷 载 N 预应力 △N
预应力混凝土转换桁架设计
裕年国际商务大厦预应力混凝土巨型转换桁架 跨度24.6m、高度7.8m 7.8m——国内跨度最大的转换桁架 跨度24.6m、高度7.8m 24.6m 国内跨度最大的转换桁架 承受集中荷载1700多吨——承受荷载巨大 承受集中荷载1700多吨 1700多吨 承受荷载巨大
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源自文库11
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预应钢筋 2-Uφ s12.5
八字筋2φ 6
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加载装置图
加载示意图
487.5
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上海裕年国际商务大厦效果图
上海裕年国际商务大厦1 25振动台试验模型 上海裕年国际商务大厦1:25振动台试验模型
预应力混凝土厚板转换层
15 ,全部为直线束,采用一端张拉, 全部为直线束,采用一端张拉 一端张拉, 张拉端交错布置( 。对板施加的预应力度为 张拉端交错布置(图) 对板施加的预应力度为1.0 Mpa 。 。
32φ32 400 460 260 460 500 φ25@150 1200 650 18φ32 650 650 650
12无粘结预应力筋( 187.7kN=9948.1kN 9948.1kN) 下弦配置 12-7Uφs15.2 无粘结预应力筋(总张拉力 53×187.7kN=9948.1kN) 无粘结预应力筋( 24×187.7kN=4504.8kN 4504.8kN) 中弦配置 4-6Uφs15.2 无粘结预应力筋(总张拉力 24×187.7kN=4504.8kN)
3200 1800 500 4000 7200 3000 3000 2000 7200 420
钢绞线, 钢绞线,其中短边方向 40 束,每束为 4φ
j
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(a)
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(b)
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σc
(压)
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σ (压或拉)
σ ct
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Np
Np
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(拉)
;(b)外荷载作用下;( ;(c) (a)预压力作用下 ;( )外荷载作用下;( )预压力与外荷载共同作用下 )
三、预应力结构基本形式 1、房屋建筑 预应力混凝土框架结构 我国最早现浇预应力混凝土框架结构:上海色织四厂六层双跨框架结构( 我国最早现浇预应力混凝土框架结构:上海色织四厂六层双跨框架结构(跨 20m 梁高1.64 1.64m 度20m,梁高1.64m) 珠海拱北海关大楼:双向预应力混凝土框架结构( 珠海拱北海关大楼:双向预应力混凝土框架结构(纵、横向均为18m,纵向7 横向均为18m 纵向7 18 横向5 跨,横向5跨) 深圳车港工程为我国柱网尺寸最大的预应力框架结构,标准柱网16m 25m, 深圳车港工程为我国柱网尺寸最大的预应力框架结构,标准柱网16m × 25m, 为我国柱网尺寸最大的预应力框架结构 16 标准层平面尺寸159 159m 103.5m,横向框架梁截面1200 1200mm 1200mm, 标准层平面尺寸159m × 103.5m,横向框架梁截面1200mm × 1200mm,纵向 框架梁及次梁截面1000mm×1000mm) 1000mm 框架梁及次梁截面1000mm×1000mm) 预应力混凝土平板结构(无粘结预应力筋) 预应力混凝土平板结构(无粘结预应力筋) 广州国际大厦主楼(筒中筒结构,63层 广州国际大厦主楼(筒中筒结构,63层,从7层~63层均为无粘结预应力混 63层均为无粘结预应力混 凝土平板结构,板厚200mm,内、外筒间跨度7.0m~9.4m) 凝土平板结构,板厚200mm, 外筒间跨度7.0m 9.4m) 200mm 7.0 上海福源商厦( 上海福源商厦(7层,剪力墙-平板结构,所有楼层采用无粘结预应力混凝土 剪力墙-平板结构, 平板,横向跨度10.0m+9.32m+6.78m+5.9m+7.2m,纵向跨度11 × 8m,板厚 平板,横向跨度10.0m+9.32m+6.78m+5.9m+7.2m,纵向跨度11 10.0m+9.32m+6.78m+5.9m+7.2m 230mm mm) 230mm)
上海闵行影剧院工程PC交叉梁板结构 上海闵行影剧院工程PC交叉梁板结构 PC
预应力转换层结构( Structure) 预应力转换层结构(Transfer Story Structure) 高层建筑转换层结构设计与施工》(唐兴荣编著) 》(唐兴荣编著 《高层建筑转换层结构设计与施工》(唐兴荣编著)中第十四章 特殊与复杂高层建筑结构设计》 唐兴荣编著) 《特殊与复杂高层建筑结构设计》 (唐兴荣编著)中第十九章 预应力混凝土转换梁、 预应力混凝土梁式转换层 (预应力混凝土转换梁、预应力钢骨混 凝土转换梁 、预应力混凝土曲线转换梁 )
M2
1
M1
M1
M2
10
10
8 7
7
1 5 5
8
6 2
6
7
5
5
M3
M3
2
8 7
8
7
9
4
3
预应钢筋 2-Uφ s12.5
M4
4 3
M4
11
512.5
512.5
512.5 3075
512.5
512.5
512.5
1:8静力试验模型
75.0 75.0 512.5 512.5 512.5 3075 512.5 512.5 512.5 650.0