一种预应力梁构件的加工方法及其预应力筋的设计方法与流程

本发明涉及结构工程-装配式钢结构住宅-构件及节点连接领域，尤其是涉及一种预应力梁构件的加工方法及其预应力筋的设计方法。

背景技术：

1、现有技术存在如下问题：

2、一、多高层钢结构建筑的梁构件通常采用热轧型钢或焊接截面钢梁。此类构件通常采用钢材表面刷涂层的方式提高构件的耐火与防腐性能，但该做法成本较高且涂层实际寿命仅为5-10年，无法实现结构全寿命周期内的防护，定期维护及重涂成本过高。

3、二、传统型钢混凝土梁为钢筋混凝土梁核心区设置钢骨，钢骨截面为工字形、十字形和t形等。其作用在于显著提高梁构件轴压性能，从而达到减小构件截面的作用。但是，其存在如下不足：

4、1.《高层建筑混凝土结构技术规程》第11.4.2条要求此类构件混凝土保护层厚度不宜小于100mm，对于较小截面的型钢混凝土梁，型钢对构件抗弯性能贡献较小，导致构件混凝土中需要配置大量纵筋，成本过高。

5、2.施工难度比传统的钢筋混凝土构件大，需要较高的施工技术、工艺支持以及配套工具。

6、3.构件需要通过现场制作，施工周期比传统的预制构件长，需要提前精细的施工计划才能保证工期，且型钢易遭受腐蚀影响，需要在生产和施工过程中进行特殊的防腐处理，增加了施工难度和成本。

7、三、普通混凝土梁在跨度较大的结构中，在使用阶段挠度与裂缝宽度较大，裂缝宽度过大会影响结构物的观瞻，引起使用者的不安，同时气体和水分、化学介质会侵入裂缝引起钢筋锈蚀，不仅削弱了钢筋的受力面积，还会因钢筋体积的膨胀，引起保护层剥落，产生长期危害影响结构的使用寿命。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种预应力梁构件的加工方法及其预应力筋的设计方法，以解决现有技术中存在的至少一种技术问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提供的一种预应力筋的设计方法，其特征在于，包括步骤：

3、s1：基于张拉端锚具变形和预应力筋内缩值、距离和弹性模量，通过预应力公式，计算预应力损失，包括：锚具变形和钢筋回缩损失、预应力筋与管道的摩擦损失、养护温差损失、预应力筋松弛损失、混凝土收缩徐变损失；s2：将弯矩等效为两端部的集中荷载；s3：基于预应力筋的有效张拉力与预应力筋的偏心距，通过主弯距公式、次弯距公式和次剪力公式计算弯距和次剪力；s4：根据等效荷载原理和预应力筋的主弯距等于荷载弯距的原则进行对预应力筋面积进行估算；s5：承载力验算；s6：抗裂验算；s7：针对有粘结预应力的截面主拉应力验算；s8：受弯截面开裂弯距验算；s9：通过应力筋的有效张拉力除以预应力筋的截面面积的方式进行全截面平均预压应力验算；s10：梁顶、底纤维应力计算；s11：挠度验算；s12：预应力度验算。

4、进一步地，所述步骤s1具体为：

5、s1-1：锚具变形和钢筋回缩损失σl1：

6、

7、式中： a为张拉端锚具变形和预应力筋内缩值，mm； l为张拉端至锚固端之间的距离，mm； es——预应力筋的弹性模量，n/mm2；

8、s1-2：预应力筋与管道的摩擦损失σl2；

9、

10、式中： σcon为预应力筋的张拉控制应力； x为从张拉端至计算截面的孔道长度，米，取该段孔道在纵轴上的投影长度； θ为张拉端至计算截面曲线孔道各部分切线的夹角之和，rad； μ为预应力筋与孔道内壁间的摩擦系数记； r2为孔道的平均半径；k是孔道每米长度的局部偏差摩擦系数；

11、s1-3：养护温差损失 σl3；

12、

13、式中： δt为预应力筋与台座之间温差；

14、s1-4：预应力筋松弛损失 σl4；

15、

16、低松弛:

17、

18、式中：σptk为预应力筋的极限强度标准值；fptk是预应力钢筋的强度标准值；

19、s1-5：混凝土收缩徐变损失 σl5；

20、

21、式中： σpc为受拉区、受压区预应力筋合力点处的混凝土法向压应力； fcu为施加预应力时的混凝土立方体抗压强度； ρ为受拉区、受压区预应力筋和非预应力筋的配筋率。

22、进一步地，所述步骤s3具体为：

23、s31：主弯距 m1计算：预应力筋的有效张拉力 npe乘以预应力筋的偏心距 ep，即为预应力在截面上产生的主弯距；

24、各个截面上的有效张拉力取预应力筋在各个截面上的有效张拉力的平均值；

25、

26、s32：次弯距 m2计算:

27、；

28、s33：次剪力 v2:

29、；

30、式中: mr为综合弯距， δm2为跨段内两端的次弯距差值， l为跨段两端的距离。

31、进一步地，所述步骤s4具体为：

32、根据等效荷载原理和预应力筋的主弯距等于荷载弯距的原则进行估算，每跨取两端及跨中3个截面的荷载弯距；

33、

34、式中: αd是被平衡的恒载弯距百分比； αl是被平衡的活载弯距百分比。

35、进一步地，所述步骤s5具体为：

36、s5-1：正截面受弯承载力:

37、

38、式中： m为弯矩设计值； mu为受弯承载力设计值； α1为系数，不高于c50的混凝土， α1＝1.0；c80的混凝土， α1＝0.94；其间取值按线性内插法； σp0′为受压区纵向预应力筋 ap′合力点处混凝土法向应力等于零时预应力筋 ap′的应力；b为矩形截面宽度或倒t形截面的腹板宽度；受压区纵向非预应力筋 as′合力点、预应力筋 ap′合力点至截面受压边缘的距离； a′为受压区全部纵向钢筋合力点至截面受压边缘的距离； h0为截面有效高度，为受拉区全部钢筋合力点至截面受压边缘的距离； a为受拉区全部纵向钢筋合力点至截面受拉边缘的距离； as为受拉区纵向非预应力筋， ap为预应力筋合力点至截面受拉边缘的距离；ap′是受压区配置的预应力钢筋面积；as′是受压区配置的普通钢筋面积；ap是受拉区配置的预应力钢筋面积；as是受拉区配置的普通钢筋面积；

39、s5-2：斜截面受剪承载力;

40、由于预应力筋对抗剪并不起太大作用，不考虑其抗剪作用，因此，按普通混凝土梁进行验算即可。

41、进一步地，所述步骤s6具体为：

42、s6-1：1级抗裂要求；

43、荷载标准组合下，不出现拉应力：

44、

45、式中： σpc为受拉区、受压区预应力筋合力点处的混凝土法向压应力；

46、s6-2：2级抗裂要求；

47、标准组合下，拉应力小于混凝土抗拉强度标准值：

48、

49、准永久组合下，不出现拉应力：

50、

51、式中：σk为荷载标准组合下抗裂验算边缘的混凝土法向应力；ftk为混凝土轴心抗拉强度标准值；σq为荷载准永久组合下抗裂验算边缘的混凝土法向应力；

52、s6-3：3级抗裂；

53、标准组合，并考虑长期影响下，裂缝宽度小于规定宽度：

54、

55、式中： wmax为按荷载标准组合并考虑长期作用影响计算的最大裂缝宽度；wlim为最大裂缝宽度限值。

56、进一步地，所述步骤s7具体为：

57、s7-1：1级抗裂；

58、主拉应力 σtp:

59、

60、主压应力 σcp:

61、

62、s7-2：2级抗裂；

63、

64、s7-3：主应力计算；

65、

66、式中： σx为由预加力和弯矩 mk在计算纤维处产生的混凝土法向应力； σy为由集中荷载标准值 fk产生的混凝土竖向压应力； τ为由剪力值和预应力弯起筋的预加力在计算纤维处产生的混凝土剪应力； vk为按荷载标准组合计算的剪力值； s0为计算纤维以上部分的换算截面面积对构件换算截面重心的面积矩； σpe为预应力弯起筋的有效预应力；fck为混凝土轴心抗拉强度标准值；mk为按荷载标准组合计算的弯矩值；y0为换算截面重心至计算纤维处的距离；i0为换算截面惯性矩。

67、进一步地，所述步骤s8具体为：

68、

69、式中： mu为正截面受弯承载力设计值； mcr为正截面开裂弯距。

70、进一步地，所述步骤s9具体为：全截面平均预压应力σ验算：预应力筋的有效张拉力 npe除以预应力筋的截面面积a：

71、。

72、进一步地，所述步骤s10具体为：

73、

74、其中：y为换算截面重心至所计算纤维处的距离；mq为按荷载准永久组合计算的弯矩值；nr为张拉力；an为净截面面积，即扣除孔道、凹槽等削弱部分以外的混凝土全部截面面积及纵向非预应力筋截面面积换算成混凝土的截面面积之和；

75、施工阶段：

76、。

77、进一步地，所述步骤s11具体为：

78、s11-1：长期刚度b；

79、荷载标准组合时：

80、

81、荷载准永久组合时：

82、

83、式中： mk为按荷载标准组合计算的弯矩，取计算区段内的最大弯矩值； mq为按荷载准永久组合计算的弯矩，取计算区段内的最大弯矩值； ms为荷载标准组合作用下受弯构件的短期刚度； θ为考虑荷载长期作用对挠度增大的影响系数，预应力构件取2.0；

84、s11-2：短期刚度bs；

85、不允许出现裂缝的构件：

86、

87、式中：ec为混凝土弹性模量；

88、允许裂缝出现的构件：

89、

90、式中： ω为裂缝间受拉钢筋应变不均匀系数； κcr为预应力混凝土受弯构件正截面开裂弯矩 mcr与弯矩 mk之比，当 κcr＞1.0时，取 κcr＝1.0； γ为混凝土构件的截面抵抗矩塑性影响系数； ρ为纵向受拉钢筋配筋率，取 ρ＝（ ap＋ as）/ bh0；λ为无粘结预应力筋与普通钢筋的比值；fy为普通钢筋的抗拉强度设计值；γf为受拉翼缘截面面积与腹板有效截面面积的比值；bf为受拉区翼缘的宽度；hf为受拉区翼缘的高度；w0为换算截面抗裂边缘的弹性抵抗矩。

91、进一步地，所述步骤s12具体为：

92、根据预应力筋承担的承载力占总承载力的比例定义:

93、

94、其中：fpy为预应力筋抗拉强度设计值；hp为预应力筋合力点至截面受压边缘的距离；hs为普通受拉钢筋合力点至截面受压边缘的距离；

95、抗震规范控制要求：

96、一级抗震：预应力度<=0.65；

97、二、三级抗震：预应力度<=0.75。

98、按照流程通过上述的计算，可以对外荷载作用下的梁中钢绞线、普通钢筋、钢筋进行一个合理的配置，可以抵抗荷载的作用。

99、采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

100、（1）通过计算锚具变形、钢筋回缩、摩擦损失、养护温差、松弛损失以及混凝土收缩徐变等预应力损失，确保了预应力梁构件设计的准确性和可靠性。

101、（2）将弯矩等效为两端部的集中荷载，便于进行后续的计算和验算，提高了计算效率。

102、（3）通过承载力验算、抗裂验算、主拉应力验算、开裂弯距验算等多项验算，全面评估了预应力梁构件的安全性能。

103、（4）通过全截面平均预压应力验算，确保了预应力梁构件在正常使用状态下的稳定性和耐久性。

104、（5）对梁顶、底纤维应力进行计算，为预应力梁构件的局部设计和优化提供了数据支持。

105、（6）通过挠度（刚度）验算，确保了预应力梁构件在承受荷载时的变形控制在合理范围内。

106、（7）根据抗震规范要求，合理控制预应力度，确保了预应力梁构件在地震作用下的安全性能。