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技术文章 | 用PKPM设计预应力混凝土框架

PKPM自带的PREC程序,可以自动方便地设计预应力框架,它包括预应力筋的线型自动设计,结构分析计算及结构施工图辅助设计。这个模块在界面上做得很漂亮,设计、计算、绘图一气呵成,可惜的是这个程序在设计过程中存在配筋过大的问题。在这里,不评说具体原因。只是这个问题在很久以前就被我公司意识到,所以我公司宁可用本文所介绍的较为笨拙却行之有效的方法来设计预应力框架,而不选用PREC。要运用本文的方法,必须熟练掌握预应力结构的基本原理(若不熟悉请参阅东南大学吕志涛院士与孟少平教授著作的《现代预应力混凝土结构设计》)。


我司的设计方法是按照设计院提供的PKPM模型来进行预应力内力计算,这样就有了初始的准确外荷载和几何模型。以下是设计步骤:


(一)根据经验对预应力梁的截面进行调整,调整的方法是:

1、柱距为8m左右,就确定梁高为跨度的1/16

2、柱距小则可以适当减小到1/18

3、楼面荷载大于5KN/m2,则适当加大梁高至1/15

4、若层高有限制,只好加大梁宽度(但是显然会不经济)。



确定预应力梁截面尺寸

(二)利用satwe给出的弯矩包络图,这个弯矩包络图应该包含抗震内力或者风荷载内力,进行抗弯强度计算,注意此时应该将调幅系数改为1.0,因为预应力计算时不考虑塑性作用(实际上预应力次弯矩是一种弹性调幅)。根据PPR=0.75,考虑次弯矩的影响,对跨中截面的弯矩乘以1.1系数进行初始估算,支座则乘以0.9。由此可以得出所需的预应力筋面积Ap(单位mm2)。Ap除以140mm2)得到预应力筋根数。

调幅系数修改


外荷载作用下的弯矩包络图

(三)计算预应力综合弯矩,这个步骤稍微有点复杂:

1、拷贝整个计算目录,在新目录中打开PKPM文件;

2、将混凝土自重设置为0

3、将所有的线荷载面荷载全部删除;

4、在satwe设置中不计算抗震以及风荷载。

这样先运行一遍satwe,确定恒载计算的所有内力均为0,将此状态作为初始条件。然后在PM程序下,在梁上施加预应力等效荷载(若不会计算等效荷载可以参考《现代预应力设计》一书),紧接着运行satwe,就可以得到在预应力梁上的综合弯矩,而在非预应力梁和柱上,则是次弯矩。


加载等效荷载


等效荷载作用下的综合弯矩

(四)根据预应力次弯矩=综合弯矩-主弯矩,得到预应力梁上的次弯矩。这个需要手工对比与计算。


(五)将预应力次弯矩与开始目录中的弯矩包络组合,就可以得到最终的弯矩包络图,依据此弯矩包络图设计普通钢筋。


(六)将标准组合下的内力与预应力次弯矩组合,验算裂缝。


(七)出计算书以及绘图。


以上步骤看似复杂,却有很好的计算效果,若熟练了速度会很快。根据此方法设计的预应力框架一般不需要反复调整截面尺寸与预应力筋,基本上可以做到所配置的预应力筋和普通钢筋在满足抗弯强度要求的同时,又可以正好满足裂缝控制要求,经济安全可靠。当然,需要提醒的是,在设计预应力框架的同时,必须关注相关联的次梁、相邻跨梁的内力影响。对于顶层大跨边跨的柱设计,将在另文中详解。欢迎关注本公众号后续文章。

当然熟练以后,可以直接在PKPM模型上施加预应力等效荷载,根据吴京、孟少平《预应力混凝土极限抗弯承载力计算的等效荷载法》(工业建筑;199909期)文中介绍的方法来计算承载力。不过,在跨中次弯矩较大的情形下,次弯矩分项系数1.2则较难考虑。

我公司已经在500多个项目中运用此方法设计大跨框架结构。实践证明,该方法设计的预应力框架梁在使用中几乎不会出现裂缝,即使偶尔有也是很细微的,不影响使用。重要的是,我们以此设计的预应力工程都被业主证明是经济的,不可能出现预应力混凝土结构反而比钢筋混凝土结构浪费的尴尬现象。


贴上一张照片,非诚勿扰大厅即我公司设计施工,跨度40m

 





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