现代预应力混凝土结构在工程中应用及相关问题探讨PPT

1、现代预应力混凝土结构在工程中应用及相关问题探讨1林同炎先生的一首诗 全世界是一个舞台， 而所有的工程技术只不过是一些演员， 他们都有下场的时候，也都有上场的时候。 结构控制如象其他工程技术一样，扮演着一个角色， 他的表演分为七个时期。最初是婴孩， 在发明人的怀抱里受简单的控制； 然后是好奇的学童，由富有想象力的工程师深情的创作出 来交给富裕的顾客； 造得很成功，只是费去许多材料。 他经过的道路很不平坦，某些人欢迎他， 2林同炎先生的一首诗 而另一些人，特别是营造界的官吏则回避他。 现在正在成为军人， 在全世界各处都在开始批量的生产， 很快还会同其他的防灾结构争胜，不仅安全性高，而且也很经济。

2、很快就会成为法官，编订出法规来要你遵循， 又编制出公式和图表来使你容易决定。那时就已不再是先驱者的游戏， 而是结构控制在扮演着他这个角色。第六个时期 转变到精益求精的研究和更加大胆的设计， 那是前辈们和象牙塔里的人们所梦想不到的。 最后是一场普遍应用并因而平淡无奇、湮没无闻， 它终结着结构控制作为一种防灾方法、 作为一种结构形式多事的历史， 如象预应力混凝土一样，如象木材一样，如象框架剪力墙结构一样， 如象任何别的东西一样。3提纲现代预应力技术概述预应力混凝土结构方案的选用与计算预应力与抗震超长无缝结构设计的一些措施预应力与侧向约束4一、现代预应力技术概述现代预应力混凝土结构的主要特征是由原来

3、较为简单的预应力简单受力结构构件（往往是简支构件）转变成预应力复杂受力结构（往往是超静定结构）。现代预应力混凝土结构能满足高耸、大跨度、大悬挑、重荷载及复杂结构（如预应力混凝土的电视塔、大型储罐、压力容器及核安全壳）等的受力要求。5现代预应力技术概述图1简支预应力混凝土构件671、大跨度结构，预应力技术 用于20米左右跨度的会议室，电影院，阶梯教室，能解决挠度裂缝问题，并由于高强钢筋的使用，减少总钢筋面积，使施工更加便捷，不易出现因钢筋密集造成的蜂窝狗洞。8厦大礼堂9施工中的厦大礼堂10福建省新博物馆，建筑面积3.5万平方米。 112、民用住宅：一位国际著名的建筑大师说过：“建筑行为是将建筑材

4、料加工组合后放到一个固定的场所。建筑的寿命有几十年，甚至几百年，其间社会生活将发生很多变化，如何使静态的建筑去适应变化的社会中的变化的需要，是一个引起广泛关注的问题。”1213143、高层建筑的使用1516宜发大厦174、超长框架结构18Jvc电子厂房 1920215、转换构件22236、特种结构：242526华北电力调度塔277、安装，锚固央视新大楼空中连廊安装（锚固，安装）288、顶层柱：2930319、大面积地下室顶板32333435363710、悬挑结构：383911、体外预应力应用，及加固40414212、混凝土空间结构体系4344454613、预应力钢结构474849国家体育馆50

5、羽毛球馆 5152现代预应力技术概述53乒乓球馆 5413、一种新型的预应力钢结构体系-张拉整体结构索穹顶(cable dome)结构是由拉索和压杆及膜组成的自应力空间结构体系,是最近十几年发展起来的一种新型的空间结构形式。 张拉整体结构是一种稳定的自平衡结构体系，它由离散的受压构件包含于一组连续的受拉构件内部构成。属创新结构体系，跨度结构中摈弃了传统受弯构件，全部由受张索系及膜面和受压撑杆组成。屋面结构极轻，设计构思新颖，是先进结构体系中的佼佼者。例如汉城奥运主赛馆、慕尼黑奥运体育建筑群等。由于此体系属国外专利，国内尚无工程实例。 55太阳海岸穹顶位于美国佛罗里达州的圣彼得堡市,是继汉城奥林

6、匹克体操馆和击剑馆后的又一个圆形顶的索穹顶结构建筑,直径达210 m.5657二、预应力结构的选用与经济分析预应力混凝土结构作为一种结构体系有许多优点，但也存在一些缺点。结构工程师要有效地、经济地使用预应力混凝土结构，必须充分了解预应力混凝土的优缺点。在预应力混凝土结构中，预应力度的选择与结构形式的选择一样，是设计中的重要问题，应以结构的功能和经济合理为基础。58预应力结构的选用与经济分析59预应力结构的选用与经济分析因而，对于房屋建筑工程，当其处于预应力混凝土的经济跨度范围内（如12m以上的框架，6m以上跨度的双向板，7.5m以上的单向板，20m30m的井式楼盖），采用预应力混凝土结构方案经

7、济性会更明显。60一个大跨车库的几种设计方案经济分析某公司开发的地下汽车库平面尺寸为174m92m，为选择一种比较优化的结构形式，下面对普通混凝土梁板结构、预应力混凝土梁板结构、普通混凝土平板结构以及预应力混凝土平板结构的四种方案从几方面作一比较和分析。61工程介绍626364652楼面荷载1（单位：kg/m2）： 板自重（根据实际板厚计算） 面层恒载（覆土0.5m）： 10.0 活载(消防车)： 20.0 楼面荷载2（单位：kg/m2）： 板自重（根据实际板厚计算） 面层恒载（覆土1.2m）： 24.0 活载： 7.0663三种结构方案钢筋及混凝土施工费用的经济比较（表2）67三、综合比较

8、1建筑使用功能（1）采用方案3或4可以增加净空。（2）采用预应力可以改善结构的受力性能。（3）采用预应力混凝土结构可以通过在楼盖内建立预压应力，来抵消收缩和温度应力，防止裂缝的出现。68 2经济比较 预应力混凝土无梁楼盖方案比普通混凝土的梁板结构和无梁楼盖方案有较大的优势，可节省造价约8。 3对施工进度的影响大量的工程实例表明，由于采用预应力可以简化模板施工，只要施工组织合理，采用预应力有利于加快施工进度。69 4建议方案 从以上比较可以看到，采用预应力混凝土无梁楼盖不仅可以减少楼盖的厚度，改善了结构的受力性能和建筑使用功能，而且能节约材料，降低工程造价，另外对超长结构还可以通过预压应力防止收

9、缩和温度裂缝的产生。70三、常用预应力混凝土结构的计算预应力设计中的几个基本概念 预应力度抗裂度平衡荷载计算过程71几个基本概念：预应力度预应力度的定义常见的有三种：1.根据混凝土的应力来定义，分为全预应力、部分预应力；2.纯力学概念的预应力度，如下式所示，表示预应力筋在总抵抗弯矩中所占的份额；3.根据荷载平衡，即Mp/Mk（Mp为预应力引起的弯矩,Mk为使用荷载弯矩）。 72几个基本概念：抗裂度由于结构中的预应力筋长期处于较高应力状态，其腐蚀比较敏感，因此，各国对抗裂都有严格的限定。目前我国规范对预应力构件的裂缝规定是： 结构构件的裂缝控制等级及最大裂缝宽度限值 73几个基本概念：抗裂度74

10、几个基本概念 ：抗裂度一般地，预应力大梁的高宽比较大，因此沿腹板高度的腰筋应与钢筋混凝土大梁有所区别，腰筋直径宜大一些，建议大于18mm，间距宜在200mm以内。近来，一些工程中，在大梁张拉前，由于收缩及支撑沉降等原因致使梁腹中的裂缝宽度较大，张拉预应力后也不能闭合。这也表明，应重视腰筋的设置。 75几个基本概念 ：荷载平衡法荷载平衡法：由于预应力的作用在超静定结构中会产生次弯矩,故预应力超静定结构的分析较烦,但若将预应力对混凝土的作用等效成一组荷载(这组荷载称为等效荷载),则能简化其分析过程。等效荷载一般由两部分组成:(1)在锚固处端部锚具对混凝土构件作用的压力和集中弯矩;(2)由预应力筋曲

11、率引起的垂直于束中心的横向分布力或由预应力筋转折引起的集中力。76几个基本概念 ：荷载平衡法荷载平衡法图77预应力梁简单计算过程拟以轻度侵蚀环境中工作的预应力混凝土结构构件为例，尝试性地提出如下预应力筋与非预应力筋选配的简单方法，步骤如下：1)通过裂缝控制方程计算确定预应力筋面积;78由表1可知，对于无侧限结构中的预应力混凝土受弯构件，满足荷载短期效应组合下裂缝控制方程所需的预应力筋用量为：79预应力梁简单计算过程预应力混凝土受弯构件，满足荷载长期效应组合下裂缝控制方程所需的预应力筋用量为：80预应力梁简单计算过程预应力混凝土结构构件中的预应力筋用量应取Ap1、Ap2中较大者，即：确定预应力筋

12、面积后，再根据承载能力要求按承载力要求确定非预应力筋，过程与普通配筋梁一样。此后再进行应力验算，裂缝及挠度验算。当裂缝满足控制要求时，预应力混凝土结构构件变形验算一般是容易通过的。81三、超长无缝结构设计的一些措施821、裂缝混凝土有裂缝是绝对的，无裂缝是相对的。混凝土中微裂缝的存在，对混凝土的弹塑性、徐变、强度、变形、泊松比、结构刚度、化学反应等性能有重要影响。混凝土开裂（裂缝）主要原因是变形作用引起的，变形作用包括温度、湿度及不均匀沉降等。 832、设计措施：超长结构设计应尽量减小竖向构件的刚度，主要抗侧力构件最好布置在结构的抗侧刚度中心。增配构造筋提高抗裂性能，配筋应采用小直径、小间距。

13、全截面的配筋率应在0.30.5%之间。避免结构突变产生应力集中，在易产生应力集中的薄弱环节采取加强措施。 在易裂的边缘部位设置暗梁，提高该部位的配筋率，提高混凝土的极限拉伸。 在结构设计中应充分考虑施工时的气候特征，合理设置后浇缝。843、地下室钢筋混凝土墙（1）混凝土强度等级宜在C25C35的范围选用。（2）由于墙体容易出现纵向收缩裂缝，墙体的水平构造（温度）钢筋的配筋率宜在0.4%0.6%，水平筋的间距应小于150mm，采取细而密的配筋原则。由于墙体受底板或楼板的约束较大，混凝土胀缩不一致，宜在墙体中部或端部设一道间距为100mm、高1m的“水平暗梁”，水平构造筋宜放在竖向受力筋的外侧，这

14、样，有利于控制墙体有害裂缝的出现。85（3）对于墙体与柱子相连的结构，由于墙与柱的配筋率相差较大，由于应力集中原因，在离柱子12m的墙体上容易出现纵向收缩裂缝。工程实践表明，应在墙柱连接处设水平附加筋，附加筋的长度为15002000mm，该处配筋率提高10%15%。这样，有利于分散墙柱间的应力集中，避免纵向裂缝的出现。（4）设置施工后浇带。（5）采用掺膨胀剂配制的补偿收缩混凝土，并留施工后浇带。（6）地下一层外墙。在室外地平以上部分，应设置外保温隔热层，避免直接暴露。（7）在有条件的工程中，采用部分预应力，使混凝土预压应力有0.61.0MPa。864、楼盖结构（1）混凝土强度等级不宜高，现浇梁

15、板混凝土强度等级不宜大于C40。（2）对于超长结构楼板，鉴于泵送混凝土的收缩值比现浇混凝土大20%30%，为减少有害裂缝，可采用补偿收缩混凝土浇筑，但设计上要求采用细而密的双向配筋，构造筋间距小于150mm，配筋率在0.6%左右。楼面和屋面受大气温差影响较大，其后浇缝最大间距不宜超过50m。（3）梁（尤其是沿外侧边梁）应加大腰筋直径，加密间距，并将腰筋按受拉锚固和搭接长度。梁每侧腰筋截面面积不应小于扣除厚度后的梁截面面积的0.1%，腰筋间距不宜大于200mm。（4）外侧边梁不宜外露，宜设保温隔热面层。（5）有条件的工程，在地下室顶板（0层）及屋顶板采用部分预应力，使混凝土预压力有0.20.7M

16、Pa。875剪力墙结构不宜超长。剪力墙结构的外墙，宜采用外保温隔热做法。6超长结构的屋面保温隔热非常重要，应采用轻质高效吸水率低的材料。施工时防止雨淋使保温隔热材料吸湿而影响效果。有条件的工程，屋面可采用隔热效果较好的架空板构造做法。7外露的挑檐、雨罩、阳台，每隔12m左右留一道伸缩缝。8某些使用功能较重要的工程，在混凝土中掺加拉纤维，对控制裂缝是较有效的措施。889关于膨胀剂：混凝土的膨胀只有在限制条件下才能产生预压应力。所以，构造（温度）钢筋的设计对该混凝土有效膨胀能的利用和分散收缩应力集中起到重要作用。 当采用膨胀剂时，在设计图纸上注明：“采用掺膨胀剂的补偿收缩混凝土，强度等级，抗渗等级

17、，水中养护14d的混凝土限制膨胀率0.015%（或更高些）”。 8910计算温差的取值 9011、框架的温度应力 计算（1）设各杆件承受均匀温差，根据各柱侧移刚度，求不动点；（2）位移平衡Qn；（3）线性Qi；（4）约束位移求出后，从所计算柱头的自由位移中减掉约束位移，即取代数和，便获得各柱头的实际位移（5）根据实际位移，假定每个柱子位移引起的力矩只影响到相邻跨，简化计算出柱子弯矩。91框架结构变形不动点计算简图 92框架结构温度应力计算简图 93四、预应力与抗震本节主要介绍预应力构件的地震反应和相应的构造措施，并结合介绍新预应力抗震规范和混凝土规范不同的条文。国内外有争议的一些观点，以介绍与

18、规范一致的观点为主。 94预应力混凝土结构的震害表现 1、预应力混凝土结构的震害表现很可惜，这次的汶川地震强震区没有收集到预应力混凝土结构的破坏情况。所以我们只好用一些以前的例子。95神户地震96尼加拉瓜首都马拉瓜18层的美州银行大厦97综上所述,60年代以来,预应力混凝土结构经受了地震的考验。大量震害调查表明,预应力混凝土结构的破坏并不一定比普通混凝土结构严重,其实际的抗震性能要比人们想象的好得多,只要合理设计,构造措施得当,精心施工,确保质量,是可以推广到地震区应用的。98预应力混凝土结构抗震性能2,预应力混凝土结构抗震性能：与普通钢筋混凝土结构相比，预应力结构的主要特点是:大跨度、大柱网

19、、大空间、使用性能良好。但从抗震角度分析，预应力构件尺寸相对较小，自重较轻，横梁线刚度较小，结构较柔，自振周期较长，按目前计算方法所得地震作用较小，这是对抗震有利的一面。另一方而，也存在着耗能差,地震反应大等不利于抗震的问题。99预应力混凝土结构抗震性能不同预应力度混凝土构件的滞回曲线 1003、预应力混凝土结构的抗震设计要求国际预应力混凝土协会（FIP）于1977年制定了抗震预应力混凝土结构设计建议。随后，新西兰、美国、日本等国在他们的混凝土结构设计规范中也对预应力混凝土结构的抗震设计作出了相关规定。近年来，我国众多学者对预应力混凝土结构的抗震性能和设计反应谱，有粘结及无粘结预应力混凝土框架

20、和板柱节点，整体预应力板柱房屋，预应力混凝土电视塔，以及预应力锚具的低周疲劳性能等进行了大量的试验研究和综合分析研究工作，从而制定了预应力混凝土结构抗震设计规程（JGJ140）。101预应力混凝土结构的抗震设计要求预应力混凝土结构的抗震设计应遵循结构抗震设计的一般原则是：既要做好抗震计算，又要重视概念设计。满足三个水准的抗震设防要求。 宜有多道抗震防线，避免因部分结构或构件破坏而导致整个结构的抗震能力或承载能力的丧失。102预应力混凝土结构的抗震设计要求在进行承载能力设计时，应遵守“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件的原则。使结构具有合理的刚度和强度分布，避免薄弱层或薄弱部位的出现。提高抗震结构

21、构件的延性，改善其变形能力，应进行多遇或罕遇地震作用下的变形验算。选择合适的预应力度，满足配筋限值。加强构造，合理选材，尤其要保证结构构件的连接和锚固。103预应力混凝土结构的抗震设计3.1地震作用的取值 在新抗震规范(GB500112001)中,抗震设计反应谱仍以地震影响系数曲线的形式给出。104105预应力混凝土结构的抗震设计3.2建筑抗震设计规范关于预应力混凝土框架结构的延性、预应力度和抗裂度的限制为保证预应力混凝土框架抗震设计的延性要求,对预应力混凝土框架梁混凝土截面受压区高度和纵向受拉钢筋配筋率加以限制是至关重要的。106预应力混凝土结构的抗震设计受拉钢筋按非预应力钢筋抗拉强度设计值

22、换算的最大配筋率作出不宜大于2.5%的限值。纵向受拉钢筋的配筋率限值的规定,是采用HRB400级钢筋的抗拉强度设计值折算得出的,当采用HRB335级钢筋时,其限值可放松到3.0%。 107预应力混凝土结构的抗震设计混凝土结构设计规范第11.8. 4条或建筑抗震设计规范附录C.2.1.1条规定:对一级抗震框架的梁要求预应力强度比不宜大于0.55,对于二级及三级抗震框架的梁、要求预应力强度比不宜大于0.75。对于框剪和框筒下的预应力梁可以加大0.1和0.05。=fpyAp/(fpyAp+fyAs)。108预应力混凝土结构的抗震设计在预应力强度比限值下，设计裂缝控制等级宜尽量采用允许出现裂缝的三级，

23、而不是采用较严的裂缝控制等级。109预应力混凝土结构的抗震设计预应力混凝土框架结构的抗震设计规范对梁端底部钢筋有如下规定：110预应力混凝土结构的抗震措施（3）关于预应力柱对柱施加适当的预应力，不但可以适当减小柱子截面，减小柱的配筋率，简化节点构造，方便施工，还可以改善抗震性能。111预应力混凝土结构的抗震设计东南大学孟少平，同济大学苏小卒的相关实验表明：柱施加预应力, 延性系数差距可达到4倍. 恢复力较强。由于预应力筋的高强特性,加入预应力筋大大提高了受拉的承载能力.当高层和超高层建筑结构的整体弯曲变形较大时,柱中可能出现拉力.这时可在柱中加竖向预应力以改善其受力性能.112113预应力混凝

24、土结构的抗震设计为了保证柱截面的延性,应控制柱的轴压比;边节点处梁中的预应力筋,尽量向截面中性轴靠近,尽量降低梁在边节点处的抗弯能力,使框架梁内所配置的预应力筋在柱中引起的次弯矩较为有利,以防止边柱出铰。边柱加配预应力筋的实质是实现耗能机制的转换。国内外的实验表明，非对称配筋大偏心受压预应力混凝土柱的耗能能力和延性都较好，有良好的抗震性能。114在预应力混凝土框架中，对二、三级抗震等级的框架边柱，其柱端弯矩增大系数二级应取1.4，三级应取1.2。115预应力混凝土结构的抗震设计轴压比宜符合表4.3.3的规定。116预应力混凝土结构的抗震设计117预应力混凝土结构的抗震设计（4）预应力结构的节点

25、要求：预应力抗震规范的4.1.2条叙述如下：4.1.2 预应力混凝土框架应设计为具备良好的变形能力和消耗地震能量能力的延性框架，其组成构件应避免剪切先于弯曲破坏，节点不应先于其连接构件破坏。这一条实际上是在表达在罕遇地震作用下的预应力混凝土框架结构的混合耗能机制和有限延性设计。118预应力混凝土结构的抗震设计框架可能出现的耗能机制119预应力混凝土结构的抗震设计在大跨度预应力混凝土框架梁中，预应力筋的面积是由裂缝控制等级确定的，为了增加梁端截面延性，则需要配置一定数量的非预应力钢筋，采用混合配筋方式，这在某种程度上增加了梁的强度储备。国内外研究表明，在罕遇地震作用下，要求预应力混凝土框架梁端临

26、界截面的屈服先于柱截面产生塑性铰，呈现梁铰侧移机制是难以实现的；若确保在边节点处的梁端出现铰、柱端不出现铰，中柱呈现混合侧移机制时结构仍是稳定的，这将同时依靠梁铰和柱铰耗散地震能量，其对柱端的截面延性亦有较高要求。120预应力混凝土结构的抗震设计预应力混凝土框架设计成为在边柱不允许出铰(强柱弱梁)、中柱上允许出铰(强梁弱柱)的混合铰屈服机制的有限延性框架。121预应力混凝土结构的抗震设计抗震设计中为避免内节点破坏,在罕遇地震作用下允许中柱柱端出铰以形成混合机制是必要的,也是经济的,内节点允许出现柱铰是“丢卒保车”的办法。122预应力混凝土结构的抗震设计（5）无粘结预应力的应用：过去有不专家学者

27、存在着这样的看法:无粘结部分预应力结构阻尼小，耗能差，地震反应大；高强钢筋的塑性差，会导致结构延性差。所以，不少规范和建议都限制、甚至禁止无粘结部分预应力混凝土结构在地震区使用，比如新西兰、澳大利亚等国家。而在美国，以林同炎为代表的学派推崇使用无粘结预应力混凝土，相应地，工程界在地震区建造了大量的无粘结预应力结构。各国对无粘结预应力混凝土的抗震性能存在意见分歧，与此相应，各国规范对无粘结预应力混凝土的应用，特别是在地震区的应用，意见亦不一致。123预应力混凝土结构的抗震设计我国的新规范目前对无粘结预应力的应用规定是有条件的使用。 1241125 126总体来说，我国的预应力抗震规范目前的规定整

28、体偏严。从国内外相关文献和研究结果来看，对于受压区高度、抗裂度控制条件,预应力度等规定来看，是比较谨慎的。预应力的一些有利作用未计及，其他规定较严，因此从这一点来看，按照新的规范处理现行的预应力设计，应该是比较安全的。127五、约束（侧向）对预应力构件设计的影响128内容本节主要介绍侧向约束的基本知识，次内力的计算方法，侧向约束的本质，以及考虑约束影响时预应力构件的设计方法129在预应力混凝土框架结构中，现行常规设计方法是基于预应力混凝土连续梁结构的工作原理为基础建立起来的通常是对梁施加预应力，从而在结构中建立预应力，预应力效果的建立通过预应力筋在结构上产生的等效荷载而体现出来的。130131

29、在超静定预应力混凝土结构中，除了连续梁等极少数结构外，绝大多数结构为有侧向约束的预应力混凝土结构。 例如：预应力混凝土框架结构、板柱结构、框剪结构、框筒结构等结构132一、侧向约束的基本知识 侧向约束的定义 所谓侧向约束是指框架、平板一柱结构等多、高层预应力混凝土结构中的竖向构件一一柱、剪力墙和筒体柱。有侧向约束构件的结构，在预应力作用下其内力是有自身特点的，它对结构的作用不同于其它荷载产生的内力 。 通常，竖向构件有抗侧刚度，当水平构件在预压力作用下发生轴向变形时，竖向构件约束水平构件发生轴向变形，从而在水平构件中产生次轴力，即通俗所说的预应力被“吃掉”的现象。133 侧向约束的常用表示 哈

30、尔滨工业大学的郑文忠提出了侧向约束影响系数的表示方法。 所谓侧向约束影响系数是指梁（板）考虑侧向约束与不考虑侧向约束影响由张拉引起的预加轴力计算值之比，用表示 。 134图l所示框架结构柱上下两端无转角，可令X为结构在单位预加力作用下梁的轴力值，P为柱在单位预加力作用下的剪力，施加单位力。图中所示框架结构梁柱上下两端无转角，可令X为结构在单位预加力作用下梁的轴力值，P为柱在单位预加力作用下的剪力。从而可以求得，侧向约束影响系数： 135根据变形一致原理来分析，即预应力梁在结点处由于预应力的预压作用引起的压缩量，应与柱端由于预应力梁的压缩引起的水平位移相等，通过柱结点和梁结点位移相等的条件建立位

31、移平衡方程：侧向约束影响系数136 侧向约束的不利影响减小预应力的传递忽略约束，构件的计算挠度和裂缝宽度可能比实际值小，对构件的使用极限状态设计是不利的。忽视侧向约束影响的常规设计方法，其承载能力设计是偏不安全的。137 影响侧向约束的因素线刚度比 结构形式施工顺序有效预应力的分布线形分布对约束作用的影响路效、时效问题138 1）线刚度比 约束构件与被约束构件的刚度比越大，被约束构件中的次轴力越大，约束构件中由此引起的内力也越大。当有多个约束构件，各个约束构件内的内力与它们间的侧向刚度比有关，侧向刚度比越大的构件，内力也越大。139影响约束的因素 线刚度比对单层单跨结构随着梁柱线刚度比的减小，

32、侧向约束对梁轴力的影响逐渐减小。140 图2 侧向约束影响系数与梁柱线刚度的关系侧向约束影响系数柱梁线刚度比141 以某厂房为例，该项目为两层框架结构，其中一层层高9.2米，二层层高7.6米，采用连续418米的超长无粘结预应力混凝土框架结构。仅取一层结构分析，当柱梁线刚度比由0.25增大至4时，边跨梁轴力耗散为0.635.33，中跨梁中轴力耗散为0.989.08。影响约束的因素 线刚度比142 重庆大学对5跨5层预应力框架结构的预应力效应进行计算，得不同梁柱截面时顶层梁中轴向预压力 注：施加预加力为2000KN。最大次轴力与预加力之比为12.7%梁截面（mm）柱截面（mm）跨数一二三四五400

33、12006006001940.41891.81877.21891.81940.440012008008001895.41801.31773.11801.31895.425010008008001882.01777.71745.81777.71882.0影响约束的因素 线刚度比143 2）结构形式： 结构形式的不同，预应力次轴力大小不同。多跨预应力框架结构，随着跨度增加，预应力框架梁中最大次轴力增大，越靠近中间跨次轴力越大。 144单层单跨结构单层多跨结构单跨多层结构多跨多层结构框筒结构 预应力井字梁结构预应力转换层桁架大梁影响约束的因素 结构形式145影响约束的因素 结构形式 单层单跨结构 哈

34、工大郑文忠在预应力混凝土房屋结构设计统一方法与实例一书中对预应力单层单跨框架结构的预应力效应进行计算，得出侧向约束有可能 “吃掉”60%的预加力，提出不考虑侧限的影响不但裂缝控制不能满足要求，而且承载力将偏于不安全。146影响约束的因素 结构形式 单层多跨结构 对单层多跨框架，侧限对框架梁的有效预压力的影响随跨度的增大、跨数的增多而增大，竖向构件对预应力的影响在两端最大。随着跨数增多，一方面内跨梁受侧限影响将减少；另一方面，由于外侧跨的侧限影响，使内侧跨的预压应力值也大幅减少。 147影响约束的因素 结构形式 同济大学对单层多跨预应力框架的工程实例分析，建议以下情况考虑侧向约束的影响： 跨度L

35、20m，跨度n3 跨度L30m，跨度n 2 跨度L39m 重庆大学对一榀跨度为18m，层高为6m的五跨单层框架进行计算分析，最大轴向预压力损失为22.5% 148影响约束的因素 结构形式 单跨多层结构 同济大学对某单跨多层结构的预应力效应进行计算，由于侧向约束引起的预应力损失达10%。并得出以下结论：当层数较多，柱截面较大，且层高较小时，由于柱刚度较大的约束，则底部一层和顶层梁中可能产生较大的次轴力，这将可能影响这两根梁（有时会影响最下和最上各两层梁）的正常使用和极限承载能力。149影响约束的因素 结构形式 多跨多层结构 与单跨多层预应力框架结构类似，但多跨连续框架梁较长时，由于边柱的侧向位移

36、增大，故轴向变形对边柱影响较大，而越接近中间跨，预应力的轴向预压力耗散的越多，其影响随柱梁刚度比的增大而增大。 重庆大学对5层框架结构进行分析，当跨数从2跨变化到6跨时，梁中最大轴向预压力损失从1.47%增加到8.50%。150影响约束的因素 结构形式 框筒结构 单跨高层框剪结构与单跨多层框架结构的区别是常见的高层框架剪力墙结构由内筒体与外柱组成，由于内筒体（或剪力墙）刚度很大，可视其对梁的嵌固为固结；另一区别是，由于高层结构柱承受较大的竖向荷载，由轴压比确定出柱截面尺寸往往较大，也即柱子刚度相对较大。151就其柱、墙侧向约束及梁的轴向变形对框架梁、柱预应力效应的影响，则基本上与单跨多层框架结

37、构相同。与单跨多层相类似，应特别注意底层及顶部两层所受预应力的影响。 152影响约束的因素 结构形式 预应力井字梁结构 以单层井字梁框架结构为例，在集中轴向力作用下，由柱子的约束引起的梁中次轴力均为拉力，并随着柱子刚度的增大而增大；而由柱子约束引起梁中的次弯矩也随着柱子刚度增大而增大。 同济大学研究分析预应力井字梁轴向变形对结构中预应力效应的影响，计算得侧向约束引起的预应力损失达15%30% 153影响约束的因素 结构形式 预应力转换层桁架大梁 当转换层施加预应力时，除预加力对本层产生较大的影响外，其上下层楼面梁或板都会吸收较大的预压力，于本层梁相连的上下柱柱端将产生较大的次弯矩；对于上下楼面

38、梁的预加力数值悬殊的楼层也必须加以注意。同济大学对某工程的预应力转换层桁架大梁进行有限元分析，发现桁架大梁中建立的有效预应力仅为施加荷载的62.9%154 3）施工顺序 预应力框架柱对梁的约束导致框架梁轴向预应力（即次轴力）的减小，且随施工方式的不同而不同。 主要分为： “全部浇筑，一次张拉”、“逐层浇筑，逐层张拉”、混合施工。 155影响约束的因素 施工顺序 多层框架结构，施工顺序不同也会导致侧限影响的不同：全部浇筑，一次张拉逐层浇筑，逐层张拉混合施工156影响约束的因素 施工顺序当采用“全部浇筑，一次张拉”的施工方法时，可只考虑本层梁中的侧限影响，对上部各层梁可忽略157影响约束的因素 施

39、工顺序全部浇筑，一次张拉 重庆大学对3跨5层预应力框架结构的预应力效应进行计算 注：括号内为次轴力，受拉为正，受压为负。施加预加力为2000KN。最大次轴力与预加力之比为3.8%层数12345第一、三跨1923.89(76.11)2014.20(-14.20)1998.60(1.4) 2000.13(-0.13) 2000.02(-0.02)第二跨1903.84(96.16)2013.60(-13.60) 1999.17(0.83)2000.03(-0.03)2000.05(-0.05)158影响约束的因素 施工顺序当采用“逐层浇筑，逐层张拉”的施工方法时，顶层受侧限影响最大，底层也有损失但不

40、及顶层大，其它各层可忽略。159影响约束的因素 施工顺序逐层浇筑、逐层张拉 简斌对5层3跨预应力框架结构的预应力效应进行计算 注：括号内为次轴力，受拉为正，受压为负。施加预加力为2000KN。最大次轴力与预加力之比为3.1%层数12345第一、三跨1996.03(3.97)1999.71(0.29)1996.91(3.09)2012.73(-12.73)1956.80(43.20)第二跨1991.37(8.63)1999.40(0.60)1994.45(5.55)2016.32(-16.32)1937.63(62.37)160若采用两种方法混合施工，底层受侧限影响最大，其次是分段施工的后续第一

41、层。以下讨论线型对次轴力的影响。161对结构分别进行直线、折线、两段抛物线和四段抛物线布筋162模型直线配筋1直线配筋2折线配筋两段抛物线配筋四段抛物线配筋等效轴力（KN）一-1000-1000-1000-1000-1000二-1000-1000-1000-1000-1000次轴力（KN）一86.0784.3616.87-119.53-114.93二-11.4135.0115.798.696.79次轴力占等效轴力的百分比一8.618.441.6911.9511.49二1.143.501.580.870.68无论采用何种线形，当采用模型1时次轴力占等效轴力的百分比大部分大于5，即约束影响均不可忽

42、略；当采用模型2时，约束影响都很小，通常是可以忽略的。可见，如果将本结构简化为普通的框架分析，必然导致忽略次轴力影响，造成工程隐患。163影响约束的因素 路效、时效问题同一结构，不同的施工过程，对施工阶段的内力分析，发现施工路径效应对预应力梁构件的有效预应力的影响。164二、次内力的计算方法现代预应力混凝土结构的一个主要发展趋势是由简支向连续、构件向整体、静定向超静定结构发展。在预应力作用下，静定结构与超静定结构的最大区别在于预应力作用对超静定结构产生了次内力。对于平面杆系结构来说，次内力包括次弯矩、次轴力和次剪力；而对于空间结构而言，还包括次扭矩。由于次内力是由约束作用产生的，所以次内力在预

43、应力构件上的分布有一个重要的特点：次弯矩和次扭矩沿构件轴线的分布是线性的，次剪力和次轴力沿构件为常数分布。次内力是影响预应力混凝土结构的结构整体承载性能和正常使用性能的一个因素，也是工程中经常容易忽视的一个问题。随着预应力超静定结构的广泛应用，如何简捷准确地计算预应力作用下的次内力是设计人员关注的一个重要问题。165通常，用求出预应力混凝土超静定在张拉控制力（设沿预应力筋不变）的作用下产生的综合弯矩，减去各种预应力损失引起的约束次弯矩，即得到有效预应力作用下约束次弯矩；将次弯矩微分即得到次剪力；将综合轴力减去张拉控制力即为次轴力。下面采用等效荷载法来探讨求解次剪力的方法，分别采用两种方式进行推

44、导计算：1. 由次弯矩微分求得次剪力，2. 由综合剪力减去主剪力求得次剪力。1661. 由次弯矩微分求得次剪力布筋线形的方程为： 主弯矩为： 主剪力为：次剪力为： 等效荷载为：2. 由综合剪力减去主剪力求得次剪力布筋线形的方程为：主弯矩为：等效荷载为： 主剪力为：次剪力为： 其中：d由边界条件确定。167算例比较以某双跨连续梁为例，矩形截面尺寸为300mm600mm，配置连续抛物线预应力筋，有效预应力为1000kN，并假定其沿梁全长不变。双跨连续梁线形图 等效荷载图综合弯矩图 主弯矩图次弯矩图168法1. 由次弯矩微分求得次剪力综合弯矩： 综合剪力：由主弯矩求得主剪力为： 次剪力为：169法2. 由综合剪力减去主剪力求得次剪力由等效荷载计算综合剪力（1）由等效荷载按梁脱离体计算主剪力，由布筋线形可见，在中支座处线形是不连续的，此处的主剪力必须考虑边界条件影响来加以调整。从而求得：主剪力图170（2）由等效荷载按简支计算主剪力，通常设计中认为中间的集中力由跨中支座抵消，常常忽略，由此得到从而求得： ，结果是不准确的。 通过上述分析可见，用等效荷载法计算次剪力时，最好用次弯