调节梁端和跨中截面的高效大跨预应力框架梁及设计方法与流程

1.本发明属于土木工程技术领域，具体涉及一种大跨度预应力混凝土框架梁及其设计方法。


背景技术：

2.预应力技术以其能有效增加结构构件的刚度，主动控制结构构件荷载作用下的变形，具有节约材料、改善结构性能等优点，在建筑工程大跨度框架结构中得到了较多应用。然而目前在大跨度预应力混凝土框架梁结构设计中，普遍存在设计不合理、不经济，而且难以保证大跨度预应力混凝土框架结构的抗震性能等问题，阻碍了预应力技术在大跨度混凝土框架梁结构中的推广应用。
3.目前的技术方案是：在确定预应力框架梁截面尺寸后，首先基于现行规范对预应力框架梁的挠度和裂缝控制要求，计算确定预应力筋的用量，使大跨度预应力框架梁满足正常使用性能的规范限值要求，然后对其支座及跨中等控制截面进行承载能力计算，计算框架梁支座梁端截面及跨中截面承载力所需的普通钢筋，即非预应力钢筋，使大跨度预应力框架梁满足承载能力要求。另外，为保证预应力框架梁具有良好的延性和抗震性能，现行国家标准《混凝土结构设计规范》gb50010和《建筑抗震设计规范》gb50011还对预应力框架梁支座梁端截面顶部和底部的配筋做了如下规定：
4.(一)预应力框架梁应采用预应力筋和普通钢筋混合配筋方式，梁端截面顶部配筋宜符合下列要求：
[0005][0006]
其中as为普通钢筋面积，fy为普通钢筋强度设计值；a
p
为预应力筋面积，f
py
为预应力筋强度设计值，h
p
为预应力筋有效截面高度，hs为普通钢筋有效截面高度。
[0007]
(二)预应力框架梁梁端截面顶部按普通钢筋抗拉强度设计值换算的全部纵向受拉钢筋配筋率不宜大于2.5％。
[0008]
(三)预应力框架梁梁端截面的底部纵向钢筋与顶部纵向受力钢筋面积比值，除按计算确定外，一级抗震等级≥0.5，二、三级抗震等级≥0.5。且计算顶部纵向受力钢筋截面面积时，应将预应力筋按抗拉强度设计值换算为普通钢筋截面面积。
[0009]
(四)预应力框架梁梁端截面受弯承载力计算中，计入纵向受压钢筋的混凝土受压区高度应满足：
[0010]
1)一级抗震等级：x≤0.25h0；
[0011]
2)二、三级抗震等级：x≤0.35h0；
[0012]
式中x—框架梁梁端截面混凝土受压区高度，h0—框架梁梁端截面有效高度。
[0013]
由于大跨度预应力框架梁内支座属于控制截面，内支座梁端截面内力比跨中截面大很多，因此大跨度预应力框架梁预应力配筋通常由内支座梁端截面裂缝限值确定，且内支座梁端截面计算所需的预应力配筋量将远大跨中截面。另外，为满足框架梁梁端截面的
延性和抗震性能规范要求，内支座梁端截面顶部配筋需按上述规定(一)要求配置，梁端截面以此构造要求确定的非预应力筋用量将远大于承载能力要求的普通钢筋用量，这一方面导致框架梁内支座梁端截面超强，违背了现行“强柱弱梁”的抗震设计原则；另一方面，还会导致框架梁梁端截面顶部按普通钢筋抗拉强度设计值换算的全部纵向受拉钢筋配筋率大于2.5％，配筋率超过上述规定(二)规范要求，为满足配筋率不超过2.5％限值要求，设计时通常采取加大框架梁宽度或增加框架梁高度等措施，这样就会导致大跨度预应力框架梁截面尺寸较大，与普通混凝土框架梁对比经济指标优势降低。此外，为使内支座梁端截面的底部纵向钢筋与顶部纵向受力钢筋面积比值满足上述规定(三)规范要求，框架梁内支座梁端截面底部将配置很多纵向构造配筋，该配筋值大多情况下将大于跨中截面承载能力要求的普通钢筋用量，出现框架梁内支座梁端截面底部构造配筋量大于跨中截面梁底承载力所需配筋量的不合理现象。因此，目前设计方法普遍存在框架梁内支座截面和跨中截面内力和配筋失衡，造成大跨度预应力混凝土框架梁设计不经济、不合理，且难以保证大跨度预应力混凝土框架梁抗震性能等突出问题。


技术实现要素：

[0014]
本发明提供了一种调节梁端和跨中截面的高效大跨预应力框架梁及设计方法，解决了目前大跨度预应力混凝土框架梁设计中存在的突出问题，为大跨度预应力混凝土框架梁提供一种经济合理、主动高效设计方法，能确保大跨度预应力混凝土框架结构的安全性、经济性和良好的抗震性能，促进预应力技术在大跨度预应力框架梁中的推广应用。
[0015]
本发明的技术方案为：一种调节梁端和跨中截面的高效大跨预应力框架梁，预应力框架梁的内支座竖向加腋；预应力框架梁的截面尺寸和竖向加腋的加腋尺寸同时满足以下三个条件；
[0016]
条件一：预应力框架梁的竖向荷载下的梁端截面边缘弹性拉应力和跨中截面边缘弹性拉应力相等。
[0017]
条件二：预应力框架梁的梁端截面顶部按普通钢筋抗拉强度设计值换算的全部纵向受拉钢筋配筋率≤2.5％。
[0018]
条件三：竖向加腋的内支座加腋底部斜向纵筋的配置满足抗震延性设计要求。
[0019]
一种调节梁端和跨中截面的高效大跨预应力框架梁的设计方法，包括：
[0020]
步骤1：通过改变竖向加腋的加腋高度和加腋长度来调整预应力框架梁的竖向荷载下的梁端截面边缘弹性拉应力和跨中截面边缘弹性拉应力相等，以此确定预应力框架梁的截面尺寸和竖向加腋的加腋尺寸。
[0021]
步骤2：进行预应力框架梁的预应力设计及普通钢筋设计。
[0022]
基于上述技术特征，步骤二中包括：
[0023]
步骤2.1：基于预应力框架梁的挠度和裂缝规范控制要求，计算确定预应力筋的用量，使预应力框架梁满足正常使用性能；
[0024]
步骤2.2：对预应力框架梁的内支座及跨中作为控制截面进行承载能力计算，计算控制截面的承载力所需的框架梁跨中底部纵筋的配筋量和内支座梁端截面顶部纵筋的第一顶部配筋量，使预应力框架梁满足安全性的要求；
[0025]
步骤2.3：基于预应力框架梁的延性和抗震性能要求，计算预应力框架梁的内支座
梁端截面顶部纵筋构造所需的第二顶部配筋量，并与第一顶部配筋量比对，取大值作为预应力框架梁的内支座梁端截面顶部纵筋的配筋量，满足安全性、延性和抗震性能的要求；
[0026]
步骤2.4：验算预应力框架梁的梁端截面顶部按普通钢筋抗拉强度设计值换算的全部纵向受拉钢筋的配筋率是否满足≤2.5％，若满足要求则进入下一步；否则，应加大预应力框架梁的宽度或增大加腋高度，从步骤1起重复计算直至满足要求；
[0027]
步骤2.5：基于预应力框架梁抗震等级和抗震性能要求，计算内支座加腋底部斜向纵筋，并与框架梁跨中底部纵筋的底部纵筋配筋量比对，按大值确定内支座加腋底部斜向纵筋；
[0028]
步骤2.6：依据预应力框架梁的抗震等级，验算预应力框架梁的内支座梁端截面计入内支座加腋底部斜向纵筋的混凝土受压区高度是否满足以下要求：
[0029]
1)一级抗震等级：x≤0.25h0；
[0030]
2)二、三级抗震等级：x≤0.35h0；
[0031]
式中x—预应力框架梁梁端截面混凝土受压区高度，h0—预应力框架梁梁端截面有效高度；
[0032]
如不满足，将框架梁跨中底部纵筋伸入柱内，形成内支座梁端截面底部纵筋验算时受压区钢筋按两排考虑，包括内支座梁端截面底部纵筋和内支座加腋底部斜向纵筋；如满足要求，则设计完成；如仍不满足，再通过调整内支座加腋底部斜向纵筋的配筋量使其满足。
[0033]
本发明的设计构思为：采取在预应力框架梁内支座竖向加腋，并通过改变预应力框架梁内支座梁端竖向加腋高度和长度来调整预应力框架梁内支座和跨中的内力，使预应力框架梁的竖向荷载下梁端截面边缘弹性拉应力和跨中截面边缘弹性拉应力相等，此条件下，预应力框架梁内支座梁端截面的顶面预应力筋和跨中截面的预应力筋配筋相等，以此确定大跨度预应力混凝土框架梁的截面尺寸和加腋尺寸，然后再进行大跨度框架梁的预应力设计，计算确定预应力筋的配筋量使大跨度预应力框架梁满足正常使用性能的规范限值要求；然后对内支座及跨中等控制截面进行承载能力计算，计算框架梁内支座梁端截面所需的内支座梁端截面顶部纵筋和跨中截面承载力所需框架梁跨中底部纵筋的普通钢筋，再按现行国家标准相关抗震性能要求计算大跨度预应力框架梁内支座梁端截面顶部纵筋和底部的内支座梁端截面底部纵筋和内支座加腋底部斜向纵筋纵向构造配筋，综合确定框架梁内支座梁端截面顶部纵筋、内支座梁端截面底部纵筋和内支座加腋底部斜向纵筋配筋量，并基于相应的抗震等级验算框架梁内支座梁端截面混凝土受压区高度，使大跨度预应力框架梁满足安全性和抗震性能的要求。按上述方法设计的大跨度预应力混凝土框架梁不仅安全、经济合理，而且还具有良好的延性和抗震性能。
[0034]
本发明提供调节梁端和跨中截面的高效大跨预应力框架梁及设计方法，用该方法设计的大跨度预应力混凝土框架梁不仅安全可靠、经济合理，而且能减少框架梁地震作用，并确保其具有良好的抗震性能，将促进预应力技术在大跨度框架梁中的推广应用，该发明具有显著的经济效益和社会效益。
附图说明
[0035]
图1为预应力框架梁立面图。
[0036]
图2为预应力框架梁配筋立面图。
[0037]
图3为预应力框架梁内支座处的配筋立面放大图。
[0038]
图中：1—预应力框架梁；2—边框架柱；3—中框架柱；4—竖向加腋；5—加腋长度；6—加腋高度；7—预应力筋；8—框架梁跨中底部纵筋；9—内支座梁端截面顶部纵筋；10—内支座梁端截面底部纵筋；11—内支座加腋底部斜向纵筋。
具体实施方式
[0039]
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。这些实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。
[0040]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0041]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0042]
此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0043]
如图1至图2所示：采取在大跨度的预应力框架梁1内支座梁端截面竖向加腋4，并通过改变预应力框架梁内支座梁端竖向加腋的加腋高度6和加腋长度5来调整预应力框架梁1内支座和跨中的内力，使预应力框架梁1的竖向荷载下的梁端截面边缘弹性拉应力和跨中截面边缘弹性拉应力相等，以此确定大跨度预应力混凝土框架梁的截面尺寸和加腋尺寸。图1为大跨度预应力框架梁立面图，包括预应力框架梁1，边框架柱2，中框架柱3，应力框架梁1内支座竖向加腋4。图2为大跨度预应力框架梁配筋立面图，包括预应力筋7，框架梁跨中底部纵筋8，内支座梁端截面顶部纵筋9，内支座梁端截面底部纵筋10，内支座加腋底部斜向纵筋11。
[0044]
参见图2和图3，一种调节梁端和跨中截面的高效大跨预应力框架梁的设计方法为：
[0045]
步骤1：通过改变竖向加腋4的加腋高度6和加腋长度5来调整预应力框架梁1的竖向荷载下的梁端截面边缘弹性拉应力和跨中截面边缘弹性拉应力相等，以此确定预应力框架梁1的截面尺寸和所述竖向加腋4的加腋尺寸；
[0046]
步骤2：进行预应力框架梁1的预应力设计及普通钢筋设计，具体包括以下步骤：
[0047]
步骤2.1：基于预应力框架梁的挠度和裂缝规范控制要求，计算确定预应力筋7的用量，使大跨度预应力框架梁满足正常使用性能的现行《混凝土结构设计规范》的规范限值要求。
[0048]
步骤2.2：对预应力框架梁1的内支座及跨中作为控制截面进行承载能力计算，计
算框架梁内支座梁端截面和跨中截面承载力所需普通钢筋的用量，即计算框架梁跨中底部纵筋8的底部纵筋配筋量和内支座梁端截面顶部纵筋9的第一顶部配筋量，使所述预应力框架梁1满足安全性的要求。
[0049]
步骤2.3：基于现行国家标准有关预应力框架梁的延性和抗震性能要求，计算预应力框架梁1的内支座梁端截面顶部纵筋9所需的构造配筋量，并与上述第一顶部配筋量比对，取大值作为内支座梁端截面顶部纵筋9的实际配筋量，使其满足安全性、延性和抗震性能的要求。
[0050]
步骤2.4：验算预应力框架梁1的梁端截面顶部按普通钢筋抗拉强度设计值换算的全部纵向受拉钢筋的配筋率是否满足≤2.5％，全部纵向受拉钢筋包括预应力筋7和内支座梁端截面顶部纵筋9；若满足要求则进入下一步；否则，应加大所述预应力框架梁1的宽度或增大加腋高度6，从步骤1起重复计算直至满足要求。
[0051]
步骤2.5：基于现行国家标准有关预应力框架梁抗震等级和抗震性能要求，计算内支座加腋底部斜向纵筋11，并与框架梁跨中底部纵筋8的底部纵筋配筋量比对，按大值确定内支座加腋底部斜向纵筋11的配筋量。
[0052]
步骤2.6：依据预应力框架梁1的抗震等级，验算预应力框架梁1的内支座梁端截面计入所述内支座加腋底部斜向纵筋11的混凝土受压区高度是否满足以下要求：
[0053]
1)一级抗震等级：x≤0.25h0；
[0054]
2)二、三级抗震等级：x≤0.35h0；
[0055]
式中x—预应力框架梁1梁端截面混凝土受压区高度，h0—预应力框架梁1梁端截面有效高度。
[0056]
如不满足，将框架梁跨中底部纵筋8伸入中框架柱3内，形成内支座梁端截面底部纵筋10(图2中的虚线所示)，验算时受压区钢筋按两排考虑，包括内支座梁端截面底部纵筋10和内支座加腋底部斜向纵筋11；如满足要求，则设计完成；如仍不满足，再通过调整内支座加腋底部斜向纵筋11的配筋量使其满足。
[0057]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。