部分预应力框架设计指导书
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目录
目录 ........................................................................................................................................................ 2 1 有粘结部分预应力混凝土框架设计 ................................................................................................. 4
1.1. 设计原则 ................................................................................................................................. 4 1.2设计步骤 ................................................................................................................................... 4 1.3 总述.......................................................................................................................................... 5 2 基本概念........................................................................................................................................... 8
2.1 预应力混凝土的等级与分类 .................................................................................................. 8
2.1.1 国外对加筋混凝土的分类 ........................................................................................... 8 2.1.2 我国对加筋混凝土的分类 ......................................................................................... 8 2.2 预应力度 ................................................................................................................................ 9
2.2.1 受弯构件预应力度的表达式 ....................................................................................... 9 2.2.2 预应力度按强度比的表达式 ....................................................................................... 9 ２.3 跨高比 .................................................................................................................................. 10 3 材料 ................................................................................................................................................ 11
3.1 非预应力筋 .......................................................................................................................... 11
3.1.1 非预应力筋的配置原则 ............................................................................................. 11 3.1.2 最小配筋率 ................................................................................................................. 11 3.1.3 最大配筋率 ................................................................................................................. 11 3.2 灌浆材料及封锚 .................................................................................................................... 12 3.3 预应力筋的布置 .................................................................................................................. 12
3.3.1 布置原则 ..................................................................................................................... 12 3.3.2 线形布置及束形几何关系 ................................................................................... 13 3.3.4 预应力筋的用量估算 ............................................................................................... 19
4 预应力损失计算 ............................................................................................................................. 22
4.1 初始张拉应力与张拉控制应力 ....................................................................................... 22 4.2 预应力损失计算 ................................................................................................................ 22
4.2.1 锚具变形和预应力钢筋内缩引起的预应力损失σl1 ............................................... 23
4.2.2 预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦引起的预应力损失?l2 ................................... 26 4.2.3 预应力钢筋与张拉台座之间温差引起的预应力损失?l3 ................................... 27 4.2.4 预应力钢筋的应力松弛引起的预应力损失?l4 ................................................... 27 4.2.5 混凝土收缩和徐变引起的预应力损失?l5 ............................................................. 28
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4.2.6 环向预应力引起的预应力损失?l6 ......................................................................... 30
4.2.7 预应力损失的组合和下限值 ................................................................................... 31
5 超静定结构的次内力 ..................................................................................................................... 32
5.1 主次弯矩 ................................................................................................................................ 32 5.2 等效荷载法 .......................................................................................................................... 32
5.2.1 等效荷载 ..................................................................................................................... 32 5.2.2 等效荷载下的内力分析 ............................................................................................. 34 5.3 预应力连续梁的弹性分析 .................................................................................................. 37
5.3.1 预加应力的作用 ....................................................................................................... 37 5.3.2 次弯矩的计算 ......................................................................................................... 37
6 承载力计算....................................................................................................................................... 40
6.1 正截面承载力计算 ................................................................................................................ 40
6.1.1预应力混凝土构件计算特点 ...................................................................................... 40 6.1.2矩形截面或翼缘位于受拉边的倒T形截面预应力混凝土受弯构件正截面受弯承载力计算................................................................................................................................... 42 6.2 斜截面承载力计算 ................................................................................................................ 43 7 正常使用阶段验算 ........................................................................................................................... 46
7.1 正截面抗裂度验算 ............................................................................................................ 46 7.2 裂缝宽度验算 ...................................................................................................................... 48 7.3 挠度计算 .............................................................................................................................. 51
7.3.1 外荷载作用下的挠度 ................................................................................................. 51 7.3.2 使用荷载作用下的长期挠度 ..................................................................................... 53 7.3.3预应力的反拱挠度 ...................................................................................................... 53 7.3.4 预应力凝土挠度计算方法 ........................................................................................ 54
8 施工阶段验算 ................................................................................................................................. 56
8.1 承载力计算 ............................................................................................................................ 56 8.2 局部承压验算 ........................................................................................................................ 56
8.2.1 端部应力分析 ............................................................................................................. 56 8.2.2 端部受压区截面尺寸限制条件 ................................................................................. 57 8.2.3 配置间接钢筋时的局部受压承载力计算 ................................................................. 58 8.3 张拉伸长值 .......................................................................................................................... 60
8.3.1 张拉伸长值计算 ......................................................................................................... 60 8.3.2 张拉伸长值的校核 ..................................................................................................... 61
9 设计实例 .......................................................................................................................................... 64
9.1 例1......................................................................................................................................... 64 9.2 例 2 预应力框架梁的设计与计算 .................................................................................... 71
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1 有粘结部分预应力混凝土框架设计
1.1. 设计原则
在设计预应力混凝土框架时，除了应遵循普通钢筋混凝土框架的结构设计原则，尚应注意以下几点：
(1) 设计现浇后张预应力混凝土框架结构，对框架大梁和预应力柱均可采用混合配筋的部分预应力混凝土进行结构设计；对建于地震区的预应力框架，由于部分预应力混凝土具有良好的抗震性能，更应按此原则进行结构设计。
(2)框架结构在外荷载作用下的内力分析，应取主要受力方向(如横向框架)进行计算；对有抗震设防要求的框架，则应对结构的两个主轴方向进行内力分析。
(3预应力作用下产生的次弯矩建议用约束内力法求解，使用荷载下的内力分析可按弹性计算进行，应考虑由预应力、徐变、收缩、温度变化、轴向变形、连续结构杆件的约束和基础下沉等因素产生的内力。柱的计算长度按《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)，中的规定取用，框架梁的计算跨度一般取柱中心线之间的距离。
(4)在进行框架的内力和位移计算时，现浇楼面可以作为框架T形梁的有效翼缘，取值可按规范对钢筋混凝土梁的规定进行。当有试验依据时，可取用比规范规定值大的有效翼缘宽度。
(5)后张预应力作用于超静定框架结构，除产生主弯矩外，还产生次弯矩，在预应力框架各极限状态计算中，均应包括次弯矩的影响。
在垂直荷载的作用下，预应力框架结构可以考虑塑性内力重分配，但调幅程度比钢筋混凝土框架结构的小，梁端负弯矩的调幅不大于10％。设计中，将调幅后的弯矩与水平荷载下的弯矩进行组合，并验算截面承载力，使其满足设计要求。
1.2设计步骤
后张预应力混凝土框架的设计内容，主要包括梁、柱的截面形状、尺寸和配筋设计。一般说来，梁跨、柱高、材料、荷载、支承条件、施工方法等条件是已知的，设计的任务就是针对上述条件选择合适的截面形状、尺寸和配筋，进行截面校核，如不满足，通过试算法得到经济合理的截面。大致步骤如下：
（1）框架的几何特征及外荷载作用下的内力计算
框架结构杆件中的梁一般采用T形截面，截面高度h可选用(1／18～1／12)L，当荷载或跨度较大，正截面裂缝控制等级要求较高时，h取值可以适当加大。梁的截面宽度b =(1／5～l／3)h ，当截面中配置一束预应力筋时，b=250～300mm；当在同一截面高度处配置两束预应力筋时，b=300～400mm。悬臂梁的截面高度h可取至0.1L。
柱一般采用矩形截面，可按轴压比小于0.9，即?c?0.9fc确定截面尺寸。此外，柱宽尚应满足梁的预应力筋与柱的纵筋的布置要求。
对双跨和多跨预应力框架，如需对内支座处的梁端加腋，加腋高度可取(0．2～0．3) h，长度取(0.1～0.15)/L。加腋对内力分析的影响通常可以忽略。
计算截面几何特征的时候，除对精确性有特殊要求外，一般可取用毛截面特征值。上文中提到的T形梁有效翼缘宽度问题，根据弹性理论分析、编者近年来的工程实测以及国内许多资料来看，有效翼缘若按规范取值过于保守。编者建议取有效翼缘宽度为
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16h'f，较能体现现阶段的各方面因素，既有突破，又给施工和推广留有足够的安全储备。
（2）结构在外荷载及地震作用下的内力计算
用弹性理论计算结构在各种外荷载作用下的内力，包括预应力引起的内力，进行内力组合，得出内力的设计值。
(3) 与预应力有关的估计和计算
1)预应力筋的布置形式。包括预应力束的张拉锚固体系及吨位；预应力筋的线型及布置；预应力张拉控制应力值及张拉方式等；
2)预应力筋用量的估算，可以按正截面承载力、裂缝控制要求或者荷载平衡法进行；
3)预应力损失的计算，短期和长期的预应力损失均应当考虑；
4)预应力引起的内力，包括预应力引起的等效荷载计算，综合弯矩计算，以及次内力计算。
(4)承载能力极限状态计算
框架梁的受弯承载力计算应当符合规范的要求。分别计算梁在支座处和跨中处的受弯承载力，均应满足Mu?M，其中M是弯矩设计值，Mu是梁在相应位置的受弯承载力。如果所配的预应力筋数量不满足承载力要求，可以考虑配一定数量的非预应力筋；当按计算得出的非预应力筋数量小于构造要求时，按构造配筋。
柱的设计也需要考虑次内力的影响。、
各项设计的极限内力应考虑抗震要求，让地震作用的内力参加组合，并根据抗震要求视地震烈度作适当修正。
（5）正常使用极限状态和施工阶段的验算
1）构件变形验算，包括短期和长期的反拱和挠度验算。框架梁反拱的计算可以按结构力学的方法进行，截面刚度可取混凝土弹性模量Es与梁的毛截面惯性矩I的乘积。梁的挠度计算按规范方法进行。
2）正截面抗裂验算和裂缝宽度验算。
3）施工阶段的验算。对框架梁进行施工阶段的应力验算时，应考虑荷载的不利情况，即在施加预应力时可能的最小自重荷载，分别对在预应力和施工荷载下控制截面上、下边缘的法向应力进行验算。施工阶段锚固区的局部承压与配筋设计按照现行规范方法计算。
验算过程中发现某些要求不满足，则调整预应力筋和非预应力筋的数量，或者重新选择截面几何尺寸，或在张拉施工时采取工程措施。
(6)抗剪、抗扭计算和配筋设计
1)抗剪与抗扭，确定箍筋的面积。预应力框架梁斜截面承载力计算时，应考虑剪力的影响。应用相应公式计算并配制横向钢筋；
1.3 总述
基于上述分析，预应力混凝土连续梁设计的一般步骤如下： 1．结构选型与结构布置
通常根据建筑物的使用功能、生产工艺以及结构体系等多方面的要求，进行合理的结构选型与结构布置。
2．材料及构件截面的选择
预应力混凝土连续梁宜选用较高强度等级的混凝土，通常不低于C35；预应力钢材
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