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PREC软件的功能介绍及其在预应力混凝土结构设计中的应用邵光信中国建筑科学研究院建筑工程软件研究所内容提要：一、预应力结构设计基本概念介绍；二、PREC软件功能模块介绍；三、PREC软件计算分析的依据及其流程；四、用PREC软件做预应力结构设计应注意的问题；五、结合具体工程介绍如何利用PREC软件做预应力结构设计。一、预应力结构设计基本概念介绍一、预应力结构设计基本概念介绍1、预应力混凝土三种不同概念的理解2、预应力等效荷载相关概念的理解3、预应力次内力概念的理解4、预应力结构设计的内容1、关于理解预应力的三种概念①、等效荷载概念预应力筋对混凝土结构的作用力可以将其分解和简化后视为外荷载考虑。预应力筋引起的等效竖向分布力和水平分力可由预应力筋的曲率和倾角计算确定。预应力筋引起的等效竖向分布力和水平分力一起使混凝土结构保持静力平衡，是自平衡的力系。将预应力筋的作用力视为外荷载作用在结构上进行分析的方法通常成为等效荷载法。它的概念明确易懂，是目前最常用的概念。1、关于理解预应力的三种概念②、强度概念预应力钢材的抗拉强度约为普通钢筋的四倍，但一般来说价格则不到普通钢筋的四倍。预应力钢材是更经济的材料。但高强钢材不能有效地用于普通钢筋混凝土中，因为钢材的大应变会引起混凝土过大的裂缝宽度，不能满足正常使用状态的要求，导致高强钢材不能完全发挥其强度。而给混凝土施加预加力后，混凝土和高强预应力钢材可以协同工作至极限破坏状态，从而充分发挥了高强混凝土和预应力钢材的材料强度。1、关于理解预应力的三种概念③、弹性概念通过张拉预应力筋的回弹挤压，使预应力混凝土构件的截面受到某种量值与分布的内压力，以局部或全部抵消使用荷载应力。在被张拉的预应力筋中存在预拉应力。这种概念把预应力看出是预先施加的永久性内应力，钢材中的拉应力与混凝土中的压应力组成一个自平衡系统。这可以改善结构构件的裂缝和变形性能，从而使构件更趋于一种弹性材料，提高了其耐久性和正常使用性能。2、预应力等效荷载相关概念的理解将预应力筋的作用力视为外荷载作用在结构上进行分析的方法通常称为等效荷载法。不同的预应力筋线型对应不同的预应力等效荷载形式。软件会根据布置的预应力筋线型自动计算预应力等效荷载。这里以简支梁的抛物线型预应力筋为例来说明如何计算预应力等效荷载。抛物线预应力筋及其等效荷载简图如下图所示。将坐标原点设在二次抛物线预应力筋的中点，则预应力筋重心的曲线方程为：由此，得出任一点剪力由材料力学的概念可知，224xleyxlePVx2828lePdxdVpx我们还可以从前面的图形中推导出如下两个有用的概念：保持预应力筋的形状不变，将其相对于梁的重心线上下平行移动，那么该预应力筋对梁横向作用的等效荷载不变，但两端偏心力距将随其偏心距的变动而变化。如果仍将预应力筋的形状保持不变，使其一端绕另一端转动。这时我们仍然可以近似的认为横向等效荷载不变，而仅在发生位移的一端产生偏心力矩的变化。我们将简支梁得出的概念推广到连续梁，可以看到连续梁中的预应力筋产生的等效荷载与简支梁是一样的，但是产生了支座反力的变化。这里要注意不等跨连续梁的预应力筋的调整问题。如果为了平衡相同的荷载，要保持各跨等效荷载p不变，可从两个方面变更预应力筋：一是调整矢高；二是调整预应力筋的数量。实际工程中的连续梁中的预应力筋曲线不可能是简单而理想化的抛物线尖角连接，而往往是增加一小段反向抛物线来平滑连接。如下图所示。线性变换定义：当连续梁的预应力筋在每一跨内的形状保持不变而在各中间支座处被竖直地上下移动位置，称为线性变换。定理：连续梁的预应力筋重心线的线性变换不影响其等效荷载值。连续梁预应力筋变位前的等效荷载简图连续梁预应力筋变位后的等效荷载简图3、预应力次内力概念的理解超静定预应力混凝土在预加力作用下，结构因受到强迫的挠曲变形或轴向伸缩变形，而在结构多余约束处产生多余的约束力，从而引起结构附加内力，这部分附加内力一般称为预应力次内力。主弯矩、次弯矩、吻合束、线性转换的概念主弯矩：预加力在每个截面上对重心轴所产生的弯矩值称为主弯矩。次弯矩：在超静定结构中，由于多余约束的存在，约束了结构的变形，产生了赘余反力，赘余反力在梁内引起的弯矩值称为次弯矩。主弯矩、次弯矩、吻合束、线性转换的概念吻合束：应用线形原理，将预应力束筋的重心线转换至压力线上（即把由于次力矩引起的压力线和束筋重心线之间的偏离调整掉），此时可以使预加力的总力矩不变，而次力矩为零。称这种次力矩为零的束筋位置为吻合束位置。吻合束与非吻合束主弯矩、次弯矩、吻合束、线性转换的概念线性转换：超静定梁中，预加力产生的次弯矩是线形的，由此引起的混凝土压力线和束筋重心线的偏离也是线形的；而混凝土梁的压力线只与束筋的梁端偏心矩和束筋在跨内的形状有关，与束筋在中间支点上的偏心矩无关。由此可见，只要保持束筋在超静定梁中的两端位置不变，保持束筋在跨内的形状不变，只改变束筋在中间支点上的偏心矩，则梁内混凝土压力线不变，亦即主弯矩不变，这称为超静定梁中的预应力束筋的线性转换原则。线性转换图示超静定结构次弯矩的工程意义现代预应力混凝土超静定结构设计需要准确地考虑次弯矩的影响；确切一点讲：①、抗裂计算时，应考虑综合弯矩Mp，它是主弯矩M1和次弯矩M2的综合迭加值；②、强度计算时，应将次弯矩M2作为特殊的“内力”，在荷载组合时迭加到设计弯矩中。4、预应力结构设计的内容1)．计算模型及参数2)．预加力效应分析3)．抗裂与承载力验算4)．局部承压验算1)．计算模型及参数确定梁柱外形和截面尺寸、墙体厚度、层高等信息，选择合适的结构设计参数和预应力参数。2)．预加力效应分析选择预应力工艺类型，预应力筋的形状，张拉控制应力，计算长短期预应力损失；计算预应力引起的等效荷载，计算综合弯矩和次弯矩。3)．抗裂与承载力验算•采用荷载效应标准组合进行正常使用阶段裂缝验算，同时进行施工阶段裂缝验算，并验算梁的抗弯极限承载力。计算以下三种工况下梁的控制弯矩：•工况1：荷载效应标准组合（恒载＋活载）＋预应力等效荷载•工况2：自重＋预应力等效荷载•工况3：荷载设计值3)．抗裂与承载力验算•a．预应力梁正截面抗裂验算•b．预应力梁斜截面抗裂验算•c．抗弯承载力验算•d．挠度验算•e．抗剪承载力验算•f．施工阶段抗裂验算4)．局部承压验算选择合适的锚具，确定锚固区的构造配筋，进行局部承压验算。预应力相关概念的总结1、预应力可以视作一对自平衡的外力。2、预应力等效荷载是以材料弹性性质为基础，在截面不开裂的情况下是适用的，在不开裂的前提下，预应力等效荷载的作用可与外荷载相叠加。但在承载能力阶段，等效荷载的分析是不成立的。3、预应力梁的抗弯承载力极限值的精确计算是以截面应弯相容和截面上力平衡为基础，通过反复迭代才能精确计算出来。4、从概念上讲，预应力梁的抗弯承载力可能会略大于普通梁（因为提高了高强钢筋的利用率），但是如果想通过采用预应力的方法来提高抗弯承载力就如同想通过加大梁宽而非梁高来提高抗弯承载力一样。二、PREC软件功能模块介绍预应力混凝土结构设计软件包括:三维整体预应力结构分析设计二维框架、连梁预应力结构分析设计预应力混凝土楼板有限元分析设计各模块的预应力施工图绘制功能对普通的以梁为主的结构形式，PREC软件为用户提供了三维整体分析和二维框架连续梁计算两种计算分析模型，对不同的实际工程，可任意选择使用。对板柱结构体系，PREC软件为用户提供了先进的有限元分析方法。1、二维预应力结构设计•二维预应力计算提供了二维预应力框架和连续梁计算，可接续画出预应力梁的施工图。•程序在PMCAD建模，并生成各榀框架和连续梁的预应力计算分析数据文件。•程序可读取PK的数据文件，再补充输入预应力计算信息，或用交互方式直接输入一榀框架后，生成PREC可计算的数据文件。•对每一榀框架和连续梁分别执行二维计算程序，最终计算出梁的预应力和非预应力钢筋，经过适当的人工干预修改，再分别画出施工图。1、二维预应力结构设计•二维结构计算可考虑预应力张拉次序对结构的影响•可根据工程要求设置预应力张拉顺序，进行张拉模型的定义和张拉过程的分析•可对张拉端的位置进行定义1、二维预应力结构设计•用户可自己指定预应力筋的线形、布置和根数，也可由软件自动布置和估算根数•现在软件新增了直接读取SATWE内力直接进行二维预应力设计的功能•可以灵活定义张拉端的类型和位置•可以考虑预应力次轴力对预应力构件承载力的影响2、三维预应力结构设计PREC软件利用PMCAD进行全楼建模，输入结构布置信息和荷载信息，并输入预应力设计的有关信息，用户可根据结构布置和荷载状况进行预应力筋线型布置并可人工修改。预应力三维计算模型采用高层建筑结构空间有限元分析软件SATWE进行预应力结构整体分析，并针对预应力计算要求进行扩展程序在PMCAD建模后，通过人工或自动布置各层梁的预应力筋线型，自动生成供三维分析用的等效荷载2、三维预应力结构设计应用SATWE软件的核心计算模块对等效荷载进行计算分析，获得结构的综合内力和次内力，组合SATWE的恒、活、风、地震作用后，进而确定出预应力筋和非预应力筋的用量。三维分析计算完成后，可接续绘出预应力梁的施工图。3、预应力楼板结构设计PREC软件的预应力混凝土楼板设计根据用户输入的预应力筋的布筋形式及其数量，利用板壳有限元进行计算分析，用户可通过各种分析结果来判断该设计方案是否合适，并可参考软件提供的普通钢筋配筋结果来配置普通钢筋。3、预应力楼板结构设计预应力混凝土楼板设计模块的功能和特点：•可以处理复杂形状的预应力板和各种工况的荷载等；•采用等效荷载法处理预应力作用，且逐束计算预应力筋等效荷载和节点力，采用弹性板壳有限元法进行分析计算，使结构分析模型与实际情况接近；3、预应力楼板结构设计•直接采用等效荷载计算的结果（综合内力），按单位板宽进行抗裂、平均预压应力、挠度和抗冲切验算，以及普通钢筋的配筋设计；•可以计算任意预应力筋线形，在不同张拉方式下的各种预应力损失和张拉伸长值；•可自动统计锚具用量，并按实际线形统计预应力筋的下料长度和下料根数；•可输出预应力筋布置平面图、线形定位图和铺放顺序图等。4、预应力施工图的绘制功能•施工图部分包括:梁的剖面图预应力筋束形图张拉端和固定端的构造详图局部承压验算普通钢筋配筋图及剖面图4、预应力施工图的绘制功能4、预应力施工图的绘制功能4、预应力施工图的绘制功能4、预应力施工图的绘制功能4、预应力施工图的绘制功能4、预应力施工图的绘制功能PREC软件不同模块的适用范围:•PREC1体形复杂的多高层建筑或交叉梁体系•PREC2比较规则的框架结构、连续梁结构及其厂房结构•SLAB预应力无梁楼盖结构、复杂板结构三、PREC软件计算分析的依据及其流程ＰＲＥＣ软件的编制依据:•《混凝土结构设计规范》GB50010—2002•《建筑抗震设计规范》GB50011—2001•《预应力混凝土结构抗震设计规程》JGJ140—2004•《无粘结预应力混凝土结构技术规程》JGJ92—2004•上海市标准《预应力混凝土结构设计规程》DBJ08—69—97用PREC软件做预应力结构设计的流程预应力混凝土结构分析软件(三维)总体流程结构模型建立平面网格输入结构构件定义结构平面布置结构荷载输入施工荷载输入结构组装预应力板设计荷载效应计算生成二维数据预应力定义和布置名义拉应力法等效荷载法预应力施工顺序定义模拟张拉一次张拉多次张拉是预应力计算否预应力等效荷载计算预应力损失计算和确认结构整体计算结构分析与内力组合线形定义预应力筋布置预应力修改预应力筋面积初选预应力构件定义施工图绘制预应力结构优化设计非预应力构件设计预应力构件设计非预应力筋设计正常使用极限状态验算承载能力极限状态验算施工阶段验算锚固区局部承压验算四、用PREC软件做预应力结构设计应注意的问题在应用软件时要注意的问题:预应力筋根数的估算问题预应力筋和非预应力筋的调整问题。预应力混凝土结构抗震设计问题如何考虑竖向构件的侧向约束问题如何考虑预应力次内力