专利名称：大跨度空间结构中预应力拉杆基础设计方法
技术领域：
本发明涉及土木工程设计领域，尤其涉及大跨度空间结构中预应力拉杆基础设计方法。
背景技术：
目前在大跨度空间结构工程中，仍然普遍采用把上部结构、基础和地基隔离开来考虑的设计方法。事实上任何一栋建筑物都是由这三部分组成，作为一个整体，这三部分是共同工作、相互联系、相互影响的。把三者隔离开来设计和计算与实际工况不同，必然会造成较大误差。上部结构与地基基础共同作用，是把上部结构、基础和地基(有桩基础包括桩)三者看成一个整体，在满足静力平衡条件的同时还要满足地基、基础与上部结构三者在接触 部位的变形协调条件。利用共同作用来分析这三者的内力和变形的方法就称为共同作用分析方法。在建筑结构共同作用的研究成果中，考虑土与基础相互作用的各种基础形式中，桩与土的相互作用也是共同作用分析中的一大难题。而人们研究网架结构又仅限在网架屋盖结构的受力分析，仅有少数文献研究了网架与下部支承体系的相互作用。网架结构的特殊之处在于其网架屋盖刚度除了在平面内可以视为无穷大外，其平面外的刚度也相当大，而下部支承结构的刚度相对来说却显得比较柔弱，因此整个上部结构的刚度变化很大。设计时，同样是将网架屋盖结构和下部支承分离开来单独设计，当考虑共同作用后，除基础、地基的刚度对上部结构有影响之外，上部结构自身的刚度差异也会引起各自的内力发生变化，于是网架结构共同作用的研究就显得尤为重要，而计算机技术的迅速发展也对网架结构共同作用的研究提供了有力的工具。上部结构与地基基础的共同作用研究最早是从研究土与基础的协同工作开始的，这一研究可以追溯到1936年,Reissner通过Lamb解积分对竖向荷载作用下刚性圆形基础板的振动特性进行了研究，为土一结构动力相互作用问题的研究奠定了理论基础。1947年，Meyeth博士提出了上部结构与地基基础共同作用这一基本概念，并于1953年提出了框架等效刚度的估算公式。Lysme等于1966年通过对基础的竖向谐振分析提出了解决土与结构动力共同作用的集中参数法，由于其在实际工程中的适用性，该法一直沿用至今。Parmelee等于1969年首次将地基和结构视为相互偶联的体系而提出了一种较合理的适用于土一结构动力相互作用的计算模型。随后，这一问题引起了更多学者的广泛关注。于是在J. S. Przeemieeniecki于1968年提出子结构分析法的基础上choPr和Perumalswami于1969年分析大坝与基础在地震作用下的共同作用时提出了动力子结构法和M. J. Haddadi于1971年也利用子结构法分析了地基基础与上部结构在静力下的共同作用，这都为有限元分析结构共同作用打下了很好的基础。之后，在土与结构动力共同作用方面的研究成果越来越多，同时土的边界问题、土的动力阻抗问题也得到了初步的发展。1977年，第一次“土与结构物共同作用”国际会议在印度的召开就首次集中体现了当时土与结构相互作用发展的水平，1978年第九届、1981年第十届国际土力学与基础工程会议等也都进行了详尽阐述了土与结构物共同作用的发展前景，1987年在巴黎又召开了 “土与结构物共同作用的国际会议”。上世纪80年代后期至今，在计算机技术发展的推动下，各种精确的数值计算方法又得到了很快的发展，相继出现了有限元法、边界元法及混合法等研究土与结构动力共同作用的方法，有限单元法也从二维分析过度到三维分析，理论分析过渡到试验模型、实际工程观测。J. Guln和P. K. Banerjeels于1998年利用混合有限元——边界元法，对上部结构运用频域内的动力子结构法，对自由场地基采用等效线性方法，该法对整体式桩筏基础、分离式桥墩基础的动力反应均可运用，显示了边界元法在这一领域的广阔前景。Flores和Whitman等人将基于Winkler简化动力模型较早的应用于桩——土分析中，其最大的贡献是明确提出了桩——土——结构共同作用两步骤分析模式，即体系反应量由无质量刚性承台假定下的刚性相互作用与惯性相互作用结果相迭加。在国内，从60年代初就对土体——结构共同作用略有研究，70年代高层建筑的逐渐兴起促使这一研究领域得到应有的发展，我国《高层建筑箱形基础设计与施工规程》(JGJ6-80)的编制就离不开这一时期对高层建筑——基础——地基共同作用的研究工作。从80年代到90年代十余年召开的第一届、第二届、第三届岩土力学解析与数值方法会议和第四、五、六届土力学即基础工程学术会议对共同作用专题均有讨论研究。中上世纪80年代是我国研究共同作用问题最辉煌的时期，各种地基基础规范几乎都是在这一时期出炉。俞载道等(1984年)就用改进的Novak桩基阻抗函数分析出上部结构和基础的相对刚度是影响结构体系动力特性的最重要因素；王开顺、王有为等(1986年)通过对采用桩箱基础或刚性较好的筏基结构的地震反应总结出了地震烈度、基础埋深及结构高细比等因素对地基阻抗的影响规律；董建国等(1985)首次将共同作用原理应用到了高层建筑地基基础中。赵锡宏等着《上海高层建筑桩筏与桩箱基础设计理论》一书集中反映了 80年代该课题的理论研究及实践成果。范敏等(1985)通过对实际工程的有限元分析，将土的非线性效应及线性分析进行了对比。在这一时期，大部分研究成果都集中体现在混凝土结构方面，对钢结构的研究还很少。上世纪90年代至今，曹志远、吴梓玮(1995)利用超级有限元法对复杂的杆系空间结构进行简化，使简化后的计算自由度与结构内部复杂程度及单元数无关。张保良、赵锡宏、姜洪伟(1997年)提出一种改进的能满足筏基自由边界条件的位移模式来分析上部结构——桩——筏——地基共同作用。刘晶波、吕彦东(1998)提出一种能较好的模拟半无限地基辐射阻尼、也能模拟远场地球介质弹性恢复性能的直接有限元法。陈波等通过振动台模拟试验验证了三维有限元分析方法的合理性。李永梅等(2002)通过对改进后的桩——土——杆系结构动力相互作用模型的研究，编制了简便实用的桩——土——杆系结构动力相互作用分析通用软件DIPSFSA。综上所述大跨空间结构、基础与地基是一个统一的有机整体，三者相互联系、相互影响，在其设计与分析中，三者之间的相互作用是不容忽视的。但是目前大跨度空间结构的上部结构一基础间共同作用的设计方法尚处于研究阶段，考虑三者共同作用的设计思路是除了满足静力平衡条件外还应以变形控制为设计原则。如何以较简便且精度较好的计算方法加以分析和设计是十分重要的问题。、
另外，上部结构一基础间共同作用的设计方法涉及到合理的理论计算模型和方法。结构构件及整体系统适应地基变形能力的评价、重新建立建筑物允许变形的标准等等一系列涉及面甚广的问题，而这些问题的解决又直接关系到完整的上部结构一基础相互作用模型进入工程实际应用的可行性，因而在研究时应注重与工程实际相结合，只有考虑清楚所有的这些相互作用，才可以更好的指导预应力混凝土基础拉梁在大跨度空间结构中的设计。在目前的大跨度空间结构中，上部结构支承部分往往作为与上部结构简支的结构构件进行承载能力状态设计，实际工程中未考虑上部结构——基础之间的相互作用。设计中没有充分考虑大跨度空间结构在建造、正常使用、承载能力各阶段上部结构与基础之间的相互机理，也没有详细区分不同阶段的结构分析模型及计算方法。在设计中，上部结构、基础和施加的预应力三者之间力学关系没有相互协调，缺乏不同结构在不同施工阶段及使用阶段的控制指标
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种大跨度空间结构中预应力拉杆基础设计方法，解决现在的设计方法由于没有充分考虑大跨度空间结构在建造、正常使用、承载能力各阶段上部结构与基础之间的相互机理，也没有详细区分不同阶段的结构分析模型及计算方法，造成实际预应力拉杆基础的正常使用与极限承载能力无法满足结构要求，而给工程带来安全隐患的缺陷。技术方案一种大跨度空间结构中预应力拉杆基础设计方法，其特征是包括如下步骤(I)根据预应力混凝土拉梁基础不同的设计使用年限及相应的极限状态下和不同的环境类别及其作用等级进行耐久性设计；(2)根据使用要求和拟订的整体方案和结构形式，参照已有设计和相关数据，初步确定预应力混凝土基础梁截面形式和截面尺寸；(3)根据大跨度空间结构的结构体系和荷载特征，采用内力分析模型，计算荷载效应组合及控制截面的最大设计拉力；(4)根据控制截面在承载能力极限状态和正常使用极限状态下的设计内力和初步拟订的截面尺寸，估算预应力筋的数量，并进行合理布置；如果预应力筋无法合理布置，则应返回第(2)步,修改截面尺寸；其中，预应力钢筋截面面积
A N~fyAAP=~7^
J vy ·张拉预应力筋时，预应力筋的拉应力为σ _，预应力筋的总预拉力为
- Ν·t7Con - -γ-
P -
9(5)计算截面几何特性；(6)确定预应力筋的张拉控制应力，计算预应力损失及各阶段相应的有效应力，在预应力损失的计算过程中考虑上下部结构共同作用进行有效应力的分配；
(7)验算施工阶段、运送和安装阶段及使用阶段的截面应力，在截面应力的计算过程中考虑上下部结构共同作用采用刚度分配原则预应力混凝土基础梁施工阶段，在预加力、自重及施工荷载作用下，其截面边缘的
混凝土法相应力应符合下列要求σ。。彡O. 8f' ck ；
_ M0当预应力混凝土基础梁 架空施工= σ^ι + ψ-
9当预应力混凝土基础梁地面施工σ。。= σ pcI ；对于后张法的预应力混凝土基础拉梁同样在刚度分配原则下按不考虑损失值计
算 0 Pd :
_ ^con^-p当预应力混凝土基础拉梁架空施工~4(1| kl )
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σσοοηΑΡ~Ι当预应力混凝土基础拉梁地面施工 1 ~ Λ η, kl
ΕΛ .式中σ。。为相应施工阶段计算截面边缘纤维的混凝土拉应力、压应力；/&为张拉完毕时混凝土的轴心抗压强度标准值Wtl为基础梁自重在计算截面产生的弯矩值；(8)验算截面抗裂度或裂缝宽度，如果达不到要求，则返回第(2)步修改截面尺寸或返回第(4)步修改预应力筋的数量并重新布置，验算方法根据土体开挖的具体施工过程而定，其中预压应力的计算需考虑上下部结构的共同作用；(9)验算施工阶段、使用阶段基础的水平承载力和水平位移，并与结构的各项控制指标进行对比，指导施工、引导制定上部结构分级落架方案，如果达不到要求，则返回第(2)步修改截面尺寸或返回第(4)步修改预应力筋的数量并重新布置；(10)验算锚固部位局部承压；(11)根据上述计算结果，进行相关的构造设计。有益效果本发明的设计方法改变目前大跨度空间结构基础、上部分别设计的现状，建立考虑上部结构——基础间相互作用的大跨度空间结构预应力混凝土基础拉梁的简化设计方法，填补了大跨度空间结构基础设计方面的空白，发展大跨度空间结构基础——上部结构共同作用分析方法。在此基础上，设计的结构将因为充分考虑大跨度空间结构在建造、正常使用、承载能力各阶段上部结构与基础之间的相互机理，也详细区分不同阶段的结构分析模型及计算方法，更符合实际的结构的要求，安全性能更出众。
图I为本发明大跨度空间结构中预应力拉杆基础设计方法的流程图。
具体实施例方式
下面结合具体实施例和附图，进一步阐述本发明。大跨度空间结构的整体结构由上部结构、基础及拉梁三部分子结构组成。其中上部结构又由杆单元和梁单元组成，在计算中分别用到杆元、梁元的弹性刚度矩阵。在整个施工阶段和使用阶段，上部结构的工作处于弹性阶段，拉梁在底部与上部结构和基础紧密接触。整体结构全阶段基本方程为[Ki] {UJ = {PJ ；式中[Ki]—第i阶段总刚度矩阵；{UJ——第i阶段位移向量；{PJ—第i阶段荷载向量。
大跨度空间结构的受力是多阶段的，包括初始加载阶段、预应力阶段、续加荷载阶段、最不利荷载阶段，各阶段结构的受力情况是不同的。(I)初始载入阶段(i = I):部分上部结构由支架支撑，承受施加预应力前初始所加荷载，主要为部分未支撑的上部结构的自重。整体结构刚度矩阵[K1]由上部结构的刚度矩阵及基础的刚度矩阵迭加而成。荷载向量{PJ为上部结构已有的初始荷载。(2)预应力阶段(i = 2):上部结构卸除前承受由张拉预应力而引起的端部力，不考虑外荷载的作用。整体结构刚度矩阵[K2]由上部结构的刚度矩阵、拉梁的刚度矩阵及基础的刚度矩阵迭加而成。荷载向量{Ρ2}包括上部结构已有的初始荷载和张拉预应力而引起的预拉力向量，不考虑外荷载的作用。(3)续加荷载阶段(i = 3):在上部结构卸除过程中，预应力拉梁和上部结构中的杆件及基础共同承受续加荷载。整体结构刚度矩阵[K3]由上部结构的刚度矩阵、拉梁的刚度矩阵及基础的刚度矩阵迭加而成；荷载向量{Ρ3}包括上部结构卸除过程中的续加荷载及预拉力。(4)最不利荷载阶段(i = 4):上部结构卸除后，因自然、人为等原因导致荷载及其荷载组合增大，预应力拉梁和上部结构中的杆件及基础共同承受最不利荷载。整体结构刚度矩阵[K4]由上部结构的刚度矩阵、拉梁的刚度矩阵及基础的刚度矩阵迭加而成；荷载向量{PJ包括所有最不利荷载及其荷载组合。对各阶段的基本方程分别求解，可以得出相应阶段各子结构的内力和位移，再通过迭加就可得出整体结构的总位移和各部分的总内力。验算每一阶段及最终的内力和位移，与施工阶段及使用阶段的控制指标做对比，指导结构的设计与施工。运用验算结果设计上部结构的卸除方案，使大跨度空间结构的受力处于预应力阶段和续加荷载阶段的交替中，保证预应力张拉和上部结构卸除过程合理、安全、高效。其中，上部结构的总刚度由所有杆元刚度矩阵及梁元刚度矩阵迭加而成
Ki ^12 …kln
「ο 左21 k22 · · · k2n λ =. ..
k , k。 · · · k
n\ nznn _ ·
5式中ku—施工阶段随施工过程变化或使用阶段的各杆单元及梁单元的刚度矩阵。全阶段内力及位移控制
内力控制
权利要求
1.一种大跨度空间结构中预应カ拉杆基础设计方法，其特征是包括如下步骤 (1)根据预应力混凝土拉梁基础不同的设计使用年限及相应的极限状态下和不同的环境类别及其作用等级进行耐久性设计； (2)根据使用要求和拟订的整体方案和结构形式，參照已有设计和相关数据，初步确定预应カ混凝土基础梁截面形式和截面尺寸； (3)根据大跨度空间结构的结构体系和荷载特征，采用内力分析模型，计算荷载效应组合及控制截面的最大设计拉力； (4)根据控制截面在承载能力极限状态和正常使用极限状态下的设计内力和初步拟订的截面尺寸，估算预应力筋的数量，并进行合理布置；如果预应力筋无法合理布置，则应返回第(2)步，修改截面尺寸； 其中，预应カ钢筋截面面积
2.如权利要求I所述的大跨度空间结构中预应カ拉杆基础设计方法，其特征在于，在上述步骤(2)中有关预应力混凝土基础梁的截面宽度、高度及非预应カ钢筋配筋的选取如下 a、上部结构跨度较小，承台距离较近，基础梁可作为连梁； ①预应力混凝土基础梁梁顶面宜与承台位于同一标高，梁的宽度不应小于250_，梁的高度可取承台中心距的1/10 1/15 ； ②预应力混凝土基础梁的主筋应按计算要求确定，上下纵向钢筋直径不应小于12mm且不应小于2根，并应按受拉要求锚入承台； b、预应カ混凝土基础梁中一侧纵向受カ钢筋的最小配筋率为0.2%和45ft/fy中的较大值。
3.如权利要求I或2所述的大跨度空间结构中预应カ拉杆基础设计方法，其特征在于在上述步骤(3)中的内力分析模型，按照实际エ况及荷载规范要求，将上部结构承受的竖向荷载传递下来的轴向拉力分为承受永久荷载标准值的拉力Na及可变荷载标准值的拉カNgk ;则荷载效应组合及控制截面的最大设计拉力 N= Y0(YGNGk+yQ￥cNQk) 其中，Ytl为结构重要性系数，对于结构重要性系数取I. 0或者I. I ； Yg为永久荷载的分项系数，对由可变荷载效应控制的组合，应取I. 2 ;对由永久荷载效应控制的组合，应取I. 35 ； Yq为可变荷载的分项系数，应取I. 4 ； 为可变荷载的组合值系数，对由可变荷载效应控制的组合，应取1.0 ;对由永久荷载效应控制的组合，应取0.7。
4.如权利要求I或2所述的大跨度空间结构中预应カ拉杆基础设计方法，其特征在于在上述步骤出)中，预应カ混凝土基础梁两端在张拉过程中未安装压カ传感器测试有效预压カ，则需要通过公式计算预应カ损失值，从而确定有效预应カ ①锚具变形和预应カ钢筋内缩引起的预应カ损失On ； 预应カ混凝土基础梁埋置于地下仅承受轴向拉力，所以通常情况下只需在孔道内配置直线预应力筋，此时直线预应力筋O n的计算公式为 式中a为张拉端锚具变形和钢筋内缩值(mm) ；1为张拉端至锚固端之间的距离(mm)； ②预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦引起的预应カ损失O12 ； 在预应カ混凝土基础梁孔道内配置直线预应カ筋时，主要因张拉时可能会与孔道壁接触、摩擦而引起摩擦损失，计算公式为0 12 = 0 con (トe X); 当Kx彡0. 2时，O 12可按下式近似计算O 12 = K X O con ； 式中X为从张拉端至计算截面的孔道长度，亦可近似取该段孔道在纵轴上的投影长度(m) ；k为考虑孔道姆米长度局部偏差的摩擦系数； 第一批预应カ损失 0 II — 0 11+ 0 12 ③预应力钢筋的应カ松弛引起的预应カ损失o14; 预应カ混凝土基础拉梁作为大跨度空间结构等大型建筑结构的基础部分，为了保证最后实际有效预应力，通常采用低松弛预应カ钢筋，且张拉控制应カー般满足0. 7fptk<O con ^ 0. Sfptk的要求，则此项预应カ损失计算公式为
5.如权利要求I或2所述的大跨度空间结构中预应カ拉杆基础设计方法，其特征在于在上述步骤出)中，预应カ混凝土基础梁两端在张拉过程中安装了压カ传感器测试有效预压力，此时可以通过实测的有效预压力，反算出各阶段的预应カ损失 ①张拉预应カ钢筋，张拉端和固定端压カ传感器读数，分别为PpPa,则预应カ钢筋与孔道壁之间的摩擦引起的预应カ损失O 12为
6.如权利要求I或2所述的大跨度空间结构中预应カ拉杆基础设计方法，其特征在于在上述步骤(8)中，预应カ混凝土基础梁应根据所处环境类别确定相应的裂缝控制等级及最大裂缝宽度限值并按下列规定进行受拉边缘应カ或正截面裂缝宽度验算 ①ー级——严格要求不出现裂缝的构件 在荷载效应的标准组合下应符合下列规定0。,- 0 p。< 0 ; ②ニ级I类——一般要求不出现裂缝的构件 在荷载效应的标准组合下应符合下列规定0。,_ 0 p。< ftk ； 在荷载效应的准永久组合下宜符合下列规定0。5- 0 p。彡0 ; 式中^。ぃC。,分别为荷载效应的标准组合、准永久组合下抗裂验算边缘的混凝土法向应カ；0 p。为扣除全部预应カ损失后在抗裂验算边缘混凝土的预压应力；ftk为混凝土轴心抗拉强度标准值； fflax为按荷载效应的标准组合并考虑长期作用影响计算的最大裂缝宽度； 其中，预压应カ计算
7.如权利要求I或2所述的大跨度空间结构中预应カ拉杆基础设计方法，其特征在于在上述步骤(9)中，在验算施工阶段、使用阶段基础的水平承载カ和水平位移时与结构的各项控制指标进行对比 ①利用使用阶段分析模型，计算构件内力，验算基础的水平承载カ和水平位移
全文摘要
本发明涉及大跨度空间结构中预应力拉杆基础的设计，属于土木工程领域。本发明大跨度空间结构中预应力拉杆基础设计方法改变目前大跨度空间结构基础、上部分别设计的现状，建立考虑上部结构——基础间相互作用的大跨度空间结构预应力混凝土基础拉梁的简化设计方法，填补了大跨度空间结构基础设计方面的空白，发展了大跨度空间结构基础——上部结构共同作用分析方法。在此基础上，设计的结构将因为充分考虑大跨度空间结构在建造、正常使用、承载能力各阶段上部结构与基础之间的相互机理，也详细区分不同阶段的结构分析模型及计算方法，更符合实际的结构的要求，安全性能更出众。
文档编号G06F17/50GK102651042SQ201110446879
公开日2012年8月29日 申请日期2011年12月28日 优先权日2011年12月28日
发明者储春建, 李明, 李殿忠, 杨伟, 熊学玉, 熊斌, 王亦, 王源容 申请人:上海同吉建筑工程设计有限公司, 同济大学