后张预应力装配式混凝土叠合梁钢筋结构及其设计方法与流程

本发明属于钢筋混凝土结构设计领域，特别是一种后张预应力装配式混凝土叠合梁钢筋结构及其设计方法。

背景技术：

混合连接的后张预应力装配式混凝土框架结构体系具有良好的自复位能力和优异的抗震性能，并已经被美国、新西兰和欧洲的标准所接受。但是从工程建造的角度讲，该体系构造仍较复杂、施工效率不高、造价相对于传统装配式体系偏高，这些因素都极大地影响了其推广和应用。

在混合连接预应力装配式混凝土框架结构体系的基础上，有一种框架梁柱的压接做法(发明专利：一种装配式预应力混凝土大跨度框架体系及其设计方法，公开号：cn108060746a)，其构造上去掉了通过梁柱节点的梁端下部钢筋，仍利用贯穿于预制柱和预制梁的预应力钢铰线将梁柱节点压接在一起，使得安装效率大幅提升。但是这种节点构造的主要创新点在于将梁端损伤模式集中于梁柱接合面，其损伤特点与传统现浇节点不同，需要一种叠合梁配筋构造与设计方法以适应其损伤模式。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种后张预应力装配式混凝土叠合梁钢筋结构及其设计方法，要解决传统的构造仍较复杂、施工效率不高、造价相对于传统装配式体系偏高以及抗震性能差的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

一种后张预应力装配式混凝土叠合梁钢筋结构，包括有梁下部钢筋、腰筋、梁上部钢筋、箍筋和预应力筋束；所述梁下部钢筋位于叠合梁的预制层的底部，且梁下部钢筋包括有梁下部构造钢筋；所述梁下部构造钢筋分布在预制层的横截面两侧，每侧分别布置至少两根；所述梁下部构造钢筋沿预制层纵向通长设置；所述腰筋有两组，分别布置在预制层的左右两侧；其中，每组腰筋沿竖向间隔设置；所述梁上部钢筋位于叠合梁的后浇叠合层顶部，包括有梁上部耗能钢筋和梁上部构造钢筋；所述梁上部构造钢筋有一组，平行间隔布置在后浇叠合层的跨中部位；并且每根梁上部构造钢筋关于后浇叠合层的短轴对称设置；所述梁上部耗能钢筋有两组，分别布置在后浇叠合层的两端，并且梁上部耗能钢筋的外端超出后浇叠合层的端部外，与预制柱内预埋的钢筋连接器连接，梁上部耗能钢筋的里端与梁上部构造钢筋之间相互搭接；所述预应力筋束设置在预制层的中轴下方，且呈直线型布置；所述预应力筋束的端部超出预制层对应一侧的端面，超出部分用于锚固在叠合梁两侧的预制柱中；其中，预应力筋束位于预制层跨中的部位为有粘接段，预应力筋束位于预制层两端的部位为无粘接段。

优选的，所述后浇叠合层的厚度为150～300mm，预制层的厚度为300～900mm。

优选的，所述梁上部构造钢筋的根数与箍筋的肢数相同且不少于两根；所述梁上部构造钢筋的面积不小于后浇叠合层两端的梁上部耗能钢筋中面积较大值的1/5；所述梁上部耗能钢筋位于后浇叠合层内的长度为叠合梁长度的1/3；梁上部耗能钢筋与梁上部构造钢筋的搭接长度为150～500mm。

优选的，所述预应力筋束与预制层的顶面之间的间距为150～500mm；预应力筋束的端部超出预制层端面的长度为不小于预制柱的厚度。

优选的，所述有粘接段的长度为2000mm～3500mm；无粘接段的长度为0m～10m。

优选的，所述梁下部构造钢筋的根数与箍筋的肢数相同，并且梁下部构造钢筋的面积不小于叠合梁跨中截面的梁下部钢筋总面积的1/5。

优选的，所述箍筋包括有内箍筋和外箍筋；其中，内箍筋箍设在梁下部钢筋和梁上部钢筋的外侧；外箍筋箍设在梁下部钢筋和腰筋的外侧或者外箍筋箍设在梁下部钢筋、腰筋和梁上部钢筋的外侧；其中，梁上部耗能钢筋的上边缘与内箍筋下边缘之间留有10mm～15mm的间距；所述箍筋在叠合梁的梁端0.5～1.5倍梁高的范围内加密设置，加密区的箍筋间距为不大于50mm。

优选的，在预制层的顶部两侧、靠近转角的位置处分别设置有腰筋；竖向相邻的腰筋之间的间距为不大于200mm，并且每根腰筋均沿预制层的纵向通长设置。

一种后张预应力装配式混凝土叠合框架梁结构的设计方法，包括步骤如下。

步骤一、根据跨度估算叠合梁的截面尺寸，并对预应力筋束的面积进行初步确定；在对预应力筋束的面积进行初步确定时，预应力筋束的设计有效预应力为0.45～0.75倍的极限强度标准值，并确保预应力筋束在梁端提供的摩擦力能抵抗叠合梁在持久荷载作用下的竖向剪力。

步骤二、通过计算得出叠合梁内各截面的内力值。

步骤三、进行叠合梁的梁端截面抗弯承载力和抗剪承载力的验算：在进行梁端截面抗弯承载力计算时，考虑预应力筋束的作用和梁柱接缝张开后钢筋和混凝土应变的不协调影响；在进行梁端截面抗剪承载力验算时，使梁上部耗能钢筋的抗震承载力标准值不小于恒载+活载标准组合作用下的梁端剪力。

步骤四、进行叠合梁的梁跨中截面抗弯承载力验算；在进行梁跨中截面抗弯承载力验算时，持久荷载作用下，梁跨中截面的设计弯矩取梁两端与预制柱的刚接模型，计算的弯矩包络值和按两端简支计算的梁恒载+活载标准组合下跨中弯矩值中的较大值。

步骤五、进行预制层吊装、运输过程的验算，检查梁跨中上部和下部的钢筋面积是否满足最小配筋面积的要求，至此完成配筋设计。

优选的，步骤四中在对叠合梁跨中截面抗弯承载力设计值的计算时，将有粘接段预应力筋作为受拉钢筋考虑，将楼板有效翼缘宽度内混凝土作为截面受压区考虑。

步骤五中，梁跨中上部最小配筋面积的要求为：梁跨中上部的梁上部构造钢筋面积不小于两端梁上部耗能钢筋面积的1/5；梁跨中下部最小配筋面积的要求为：梁跨中下部的梁下部构造钢筋面积不小于梁跨中下部全部钢筋面积的1/5。

与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果。

1、本发明主要用于高烈度区建造的后张预应力装配式混凝土框架抗侧力体系。

2、本发明提出的后张预应力装配式混凝土叠合框架梁结构配筋构造及其设计方法，充分利用材料性能，降低框架梁内钢筋用量，提高整个结构的经济效益。

3、本发明通过在框架梁跨中设置预应力筋有粘接段，可充分利用跨中预应力筋对抗弯承载力的作用，相同荷载作用下，减少了框架梁下部钢筋的用量；同时，框架梁下部钢筋在梁端分段截断，框架梁上部钢筋在跨中1/3左右位置分段搭接，在保证结构安全的前提下，节省了梁内钢筋总量，具有较好的经济效益。

4、本发明中梁上部耗能钢筋的上边缘与内箍筋下边缘之间留有10mm～15mm的间距，梁上部耗能钢筋和内箍筋间距的设置避免生产负公差后，上部耗能钢筋安装不上的问题，方便现场安装，解决了传统的构造仍较复杂、施工效率不高的技术问题；同时，本发明中箍筋在叠合梁的梁端0.5～1.5倍梁高的范围内加密设置，加密区的箍筋间距为不大于50mm，提高梁端部混凝土约束作用，使结构在罕遇地震作用下梁在混凝土损伤降低，提高整体结构的抗震性能。

5、本发明中在对梁上部构造钢筋进行布筋时，使梁上部构造钢筋的面积不小于后浇叠合层两端的梁上部耗能钢筋中面积较大值的1/5；这种布筋方式最大限度地降低了梁跨中受压区钢筋的用量，提高结构经济性。

6、本发明的方法中，在进行梁端截面抗弯承载力计算时，考虑预应力筋束的作用和梁柱接缝张开后钢筋和混凝土应变的不协调影响，可降低实际钢筋计算用量，同时又符合结构受力实际情况；在进行梁端截面抗剪承载力验算时，使梁上部耗能钢筋的抗震承载力标准值不小于恒载+活载标准组合作用下的梁端剪力，从而保证了梁柱交界面有足够的抗剪承载能力，为接缝抗剪承载力提供双重保险。

7、本发明的方法中，在进行梁跨中截面抗弯承载力验算时，持久荷载作用下，梁跨中截面的设计弯矩取梁两端刚接的整体模型计算的弯矩包络值和按两端简支计算的梁恒载+活载标准组合下跨中弯矩值中的较大值；这种设计可使结构在梁端成铰后仍具有承受竖向荷载的能力，提高结构的抗连续倒塌性能。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

图1是本发明中后浇叠合层浇筑前的叠合梁与预制柱构成的框架结构示意图。

图2是本发明中后浇叠合层浇筑前的叠合梁与预制柱构成连接节点结构示意图。

图3是本发明中后浇叠合层浇筑前的叠合梁与两侧预制柱连接结构图。

图4是本发明中预应力筋束、梁上部耗能钢筋与预制柱的连接节点结构示意图。

图5是本发明中外箍筋箍设在梁下部钢筋、腰筋和梁上部钢筋外侧时的钢筋结构的立体结构示意图。

图6是本发明中外箍筋箍设在梁下部钢筋、腰筋和梁上部钢筋外侧时的钢筋结构的侧面结构示意图。

图7是本发明中外箍筋箍设在梁下部钢筋、腰筋和梁上部钢筋外侧时的钢筋结构的平面结构示意图。

图8是本发明中外箍筋箍设在梁下部钢筋、腰筋和梁上部钢筋外侧时的钢筋结构的正面结构示意图。

图9是本发明中外箍筋箍设在梁下部钢筋和腰筋的外侧时的立体结构示意图。

图10是本发明中外箍筋箍设在梁下部钢筋和腰筋的外侧时的侧面结构示意图。

图11是本发明中中外箍筋箍设在梁下部钢筋和腰筋的外侧时的平面结构示意图。

图12是本发明中中外箍筋箍设在梁下部钢筋和腰筋的外侧时的正面结构示意图。

附图标记：1－预制柱、2－叠合梁、2.1－预制层、2.2－后浇叠合层、3a－梁下部构造钢筋、3b－梁下部受力钢筋、4a－梁上部耗能钢筋、4b－梁上部构造钢筋、5－腰筋、6－预应力筋束、6.1－有粘接段、6.2－无粘接段、7－箍筋、7.1－内箍筋、7.2－外箍筋、8－钢筋连接器。

具体实施方式

如图1-12所示，这种后张预应力装配式混凝土叠合梁钢筋结构，包括有梁下部钢筋、腰筋5、梁上部钢筋、箍筋7和预应力筋束6；所述梁下部钢筋位于叠合梁2的预制层2.1的底部，且梁下部钢筋包括有梁下部构造钢筋3a；所述梁下部构造钢筋3a分布在预制层2.1的横截面两侧，每侧分别布置至少两根；所述梁下部构造钢筋3a沿预制层2.1纵向通长设置；所述腰筋5有两组，分别布置在预制层2.1的左右两侧；其中，每组腰筋5沿竖向间隔设置；所述梁上部钢筋位于叠合梁2的后浇叠合层2.2顶部，包括有梁上部耗能钢筋4a和梁上部构造钢筋4b；所述梁上部构造钢筋4b有一组，平行间隔布置在后浇叠合层2.2的跨中部位；并且每根梁上部构造钢筋4b关于后浇叠合层2.2的短轴对称设置；所述梁上部耗能钢筋4a有两组，分别布置在后浇叠合层2.2的两端，并且梁上部耗能钢筋4a的外端超出后浇叠合层2.2的端部外，与预制柱1内预埋的钢筋连接器8连接，梁上部耗能钢筋4a的里端与梁上部构造钢筋4b之间相互搭接；所述预应力筋束6设置在预制层2.1的中轴下方，且贯穿各跨梁柱节点，呈直线型布置；所述预应力筋束6的端部超出预制层2.1对应一侧的端面，超出部分用于锚固在叠合梁2两侧的预制柱1中；其中，预应力筋束6位于预制层2.1跨中的部位为有粘接段6.1，预应力筋束6位于预制层2.1两端的部位为无粘接段6.2。

本实施例中，所述梁下部钢筋还包括有梁下部受力钢筋3b；所述梁下部受力钢筋3b有至少有两根，沿横向平行布置在预制层2.1的底部中间；梁下部受力钢筋3b的端部距离预制层2.1端部的距离为梁跨度的1/5～1/4。

本实施例中，所述后浇叠合层2.2的厚度为150～300mm，预制层2.1的厚度为300～900mm。

本实施例中，所述梁上部构造钢筋4b的根数与箍筋7的肢数相同且不少于两根；所述梁上部构造钢筋4b的面积不小于后浇叠合层2.2两端的梁上部耗能钢筋4a中面积较大值的1/5；所述梁上部耗能钢筋4a位于后浇叠合层2.2内的长度为叠合梁2长度的1/3；梁上部耗能钢筋4a与梁上部构造钢筋4b的搭接长度为150～500mm。

本实施例中，所述预应力筋束6与预制层2.1的顶面之间的间距为150～500mm；预应力筋束6的端部超出预制层2.1端面的长度为不小于预制柱1的厚度。

本实施例中，所述有粘接段6.1的长度为2000mm～3500mm；无粘接段6.2的长度为0m～10m。

本实施例中，所述梁下部构造钢筋3a的根数与箍筋7的肢数相同，并且梁下部构造钢筋3a的面积不小于叠合梁2跨中截面的梁下部钢筋总面积的1/5；梁下部受力钢筋3b的端部距离预制层2.1端部的距离为梁跨度的1/5～1/4。

本实施例中，所述箍筋7包括有内箍筋7.1和外箍筋7.2；其中，内箍筋7.1箍设在梁下部钢筋和梁上部钢筋的外侧；外箍筋7.2箍设在梁下部钢筋和腰筋5的外侧或者外箍筋7.2箍设在梁下部钢筋、腰筋5和梁上部钢筋的外侧；其中，梁上部耗能钢筋4a的上边缘与内箍筋7.1下边缘之间留有10mm～15mm的间距；所述箍筋7在叠合梁2的梁端0.5～1.5倍梁高的范围内加密设置，加密区的箍筋7间距为不大于50mm。

本实施例中，在预制层2.1的顶部两侧、靠近转角的位置处分别设置有腰筋5；竖向相邻的腰筋5之间的间距为不大于200mm，并且每根腰筋均沿预制层2.1的纵向通长设置。

本实施例中，所述梁下部钢筋位于叠合梁2的预制层2.1的底部，且不伸入预制柱1内；梁下部构造钢筋3a沿叠合梁2的预制层2.1通长布置，且根数与箍筋7的肢数相同，梁下部受力钢筋3b的根数依据正弯矩大小按正截面受弯承载力计算确定，梁下部受力钢筋3b的长度不沿预制层2.1通长设置，在按正截面受弯承载力计算，在不需要该梁下部受力钢筋3b的截面以外20倍的钢筋直径处截断。

本实施例中，所述梁上部构造钢筋4b的端部与叠合层2的端部之间留有距离，该距离一般为叠合层2长度的1/3减去梁上部构造钢筋4b与梁上部耗能钢筋4a的搭接长度；所述梁上部耗能钢筋4a伸入预制柱1内的端部与柱内钢筋相连，并在预制柱1距离外侧100～300mm范围内进行局部削弱处理。

本实施例中，梁上部耗能钢筋4a的上边缘比相应位置处箍筋7下边缘低10mm～15mm。

这种后张预应力装配式混凝土叠合框架梁结构的设计方法，包括步骤如下。

步骤一、根据跨度估算叠合梁2的截面尺寸，并对预应力筋束6的面积进行初步确定；预应力筋束6的设计有效预应力为0.45～0.75倍的极限强度标准值，并确保预应力筋束6在梁端提供的摩擦力能抵抗叠合梁2在持久荷载作用下的竖向剪力，即预应力筋束6的最小预应力应满足下式：

其中，μ为摩擦系数，取0.6；1.2vd+1.4vl为叠合梁2在持久荷载作用下的竖向剪力；fse为预应力筋束6考虑损失后的有效应力；ap为预应力筋束6有效面积。

步骤二、通过计算得出叠合梁2内各截面的内力值，包括梁端弯矩和剪力、跨中弯矩和剪力等。

步骤三、进行叠合梁2的梁端截面抗弯承载力和抗剪承载力的验算：在进行梁端截面抗弯承载力计算时，考虑预应力筋束6的作用和梁柱接缝张开后钢筋和混凝土应变的不协调影响，位于梁端的梁下部钢筋的应变为在无粘接段6.2长度范围内积分，预应力筋束6的应变为预应力筋束6在无粘接段6.2的长度范围内的积分，满足截面力的平衡条件，求得截面抗弯承载力；在进行梁端截面抗剪承载力验算时，使梁上部耗能钢筋4a的抗震承载力标准值不小于恒载+活载标准组合作用下的梁端剪力，即满足下式：

asfykv≥vd+vl

式中，as—梁上部耗能钢筋4a的面积；fykv—梁上部耗能钢筋4a的抗剪承载力标准值，取0.5fyk；vd+vl—标准组合(恒+活)下梁端剪力。

步骤四、进行叠合梁2的梁跨中截面抗弯承载力验算；在进行梁跨中截面抗弯承载力验算时，持久荷载作用下，梁跨中截面的设计弯矩取梁两端与预制柱1的刚接模型，计算的弯矩包络值和按两端简支计算的梁恒载+活载标准组合下跨中弯矩值中的较大值。

步骤五、进行预制层2.1吊装、运输过程的验算，检查梁跨中上部和下部的钢筋面积是否满足最小配筋面积的要求，至此完成配筋设计。

本实施例中，步骤四中在对叠合梁2跨中截面抗弯承载力设计值的计算时，将有粘接段6.1预应力筋作为受拉钢筋考虑，将楼板有效翼缘宽度内混凝土作为截面受压区考虑。

步骤五中，梁跨中上部最小配筋面积的要求为：梁跨中上部的梁上部构造钢筋4b面积不小于两端梁上部耗能钢筋4a面积的1/5；梁跨中下部最小配筋面积的要求为：梁跨中下部的梁下部构造钢筋3a面积不小于梁跨中下部全部钢筋面积的1/5。

本实施例中，在步骤四和步骤五之间还包括进行柱配筋的验算：根据梁钢筋面积大小进一步验算柱配筋的验算，柱配筋验算采用叠合梁2实际抗震受弯承载力乘以不小于1.2的增大系数后，确定柱端组合弯矩设计值，并用此设计值进行柱配筋设计。

上述实施例并非具体实施方式的穷举，还可有其它的实施例，上述实施例目的在于说明本发明，而非限制本发明的保护范围，所有由本发明简单变化而来的应用均落在本发明的保护范围内。