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    钢筋砼框架边梁与次梁连接的计算简化问题.pdf

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    钢筋砼框架边梁与次梁连接的计算简化问题.pdf

    张瑞松钢筋砼框架边梁与次梁连接的计算简化问题 l9 钢筋砼框架边梁与次梁连接的计算简化问题 张瑞松 浙江省天正设计工程有限公司 杭州310012 摘要 介绍国内外设计规范关于钢筋砼框架边梁和框架次梁节点设计方法,分析铰接连接和固接连接的 优缺点,提出更符合结构真实受力状态的计算模型以及相配套的构造要求。 关键词 协调扭转 零刚度设计法 框架边梁次梁 在结构设计中,需要将建筑模型抽象简化成 结构计算模型,计算模型应根据结构的实际形状、 构件的受力和变形状态、构件间的连接和支撑条 件以及构造措施等作合理的简化后确定。结构计 算模型能否既正确反映结构的真实受力状态,又 能适应所选用分析软件的力学模型和运算能力, 是结构设计是否成功的一个重要标志。结构构件 之间的连接关系最常用的有固接端、铰接端、自 由端三种方式。就钢筋砼框架边梁与框架次梁的 连接而言,只涉及固接连接或铰接连接两种方式。 实际上钢筋砼框架边梁和框架次梁之间既不属于 理想的固接连接关系也不属于理想的铰接连接方 式图1,因为在实际使用过程中钢筋砼框架边 梁和框架次梁的连接位置允许次梁适当开裂并形 成塑形铰,以减少次梁对框架边梁的弯矩传递, 工程中钢筋砼框架边梁和框架次梁的实际工作状 态往往介于固接连接和铰接连接之间。对结构设 计专业来讲需要合理选择一种连接方式并通过经 济有效的构造加强措施来满足结构的实际使用功 能要求。通过对比国内外不同设计规范规定的设 计方法,推荐钢筋砼框架边梁和框架次梁之间的 连接方式和构造要求。 1 国家规范采用的协调扭转的设计方法 1.1协调扭转的理论 协调扭转系指由于相邻构件的弯曲转动受到 支撑梁的约束,在支承梁内引起的扭转,其扭矩 会因支承梁的开裂产生内力重分布而减小。对于 图1 超静定结构弯剪扭构件示意图 钢筋砼框架边梁和框架次梁,框架次梁支承在钢 筋砼框架边梁上,框架次梁支承点的弯曲转动, 使边梁受扭,框架次梁的支座负弯矩即为作用在 钢筋砼框架边梁上的扭矩。此扭矩值可由框架次 梁支承点的弯曲转角与边框架梁的扭转角相协调 的条件确定。在梁开裂以前,可用弹性理论计算, 但梁开裂后,由于框架次梁的弯曲刚度和边梁的 扭转刚度都发生明显变化,框架次梁和钢筋砼框 架边梁中都发生内力重分布,钢筋砼框架边梁的 扭转角急剧增加,作用扭矩急剧减小。协调扭转 由于受力复杂,混凝土结构设计规范至今仍未 提出完善的设计方法,但混凝土结构设计规范 对支承框架次梁的钢筋砼框架边梁这类属于协调 扭转的钢筋混凝土构件明确规定 1在进行构件内力计算时,可考虑因构件 开裂、抗扭刚度降低而产生的内力重分布。如采 用SATWE软件进行结构整体分析与构件内力计算 时,框架梁的扭矩折减系数T 0.41.0。 2钢筋砼框架边梁的扭矩经折减后,应按 混凝土结构设计规范第6章第4节的弯剪扭承 张瑞松高级工程师,一级注册结构工程师,注册咨询工程师。1994年毕业于浙江工业大学工业与民用建筑专业。从事结构设计工 作。联系电话057188362936,Emailzhangrszpcdi.eom。 20 CHEMICAL ENGINEERING DESIGN 载力公式进行计算,确定所需要的抗扭纵向钢筋 和箍筋,同时配置的抗扭纵向钢筋和箍筋应分别 满足混凝土结构设计规范第9.2.5条、9.2.9 条、9.2.10条规定的要求。 试验研究表明 J,符合上述要求的钢筋砼框 架边梁,当扭矩折减系数不低于0.4时,其因扭转 而产生的裂缝宽度可满足混凝土结构设计规范 有关规定的要求。但对于不与刚性楼板相连的框 架梁及弧形梁,程序规定梁的扭转折减系数T 不 起作用。 1.2次梁的两种建模方式 按照PKPM建模时,对次梁的输人有按主梁输 入和按次梁输人两种方式,程序的处理规则会有 所不同,在模型和设计参数上的不同主要体现为 以下两个方面。 1.2.1 次梁按主梁输入的方式 按主梁输入的次梁与主梁为刚性连接,主次 梁之问不仅传递竖向力,还传递弯矩和扭矩。程 序隐含定义次梁为不调幅梁,如需要修改,则要 通过“特殊构件补充定义”将其改为“调幅梁”, 还可将支座条件由刚接改为铰接。按主梁输入的 次梁可以设置“梁端负弯矩调幅系数”、“梁活荷 载内力放大系数”、“梁扭矩折减系数”等参数。 1.2.2次梁按次梁输入的方式 主梁作为次梁的固定铰支座,次梁端跨一定 为铰支,中间跨连续,其各支座均无竖向位移。 主次梁的相交节点只传递竖向力,不传递弯矩和 扭矩对于其端跨支座计算弯矩一定为零,且按次 梁输入时不能修改梁属性和支座条件。次梁可以 按照设定的调幅系数对弯矩进行调幅。设计程序 充分利用钢 对端跨支座处次梁梁端上部配置了构造纵筋,配 筋量不小于25%梁跨中计算配筋量。 1.3协调扭转的模型简化分析 根据协调扭转的理论和次梁的两种输入模式, 以钢筋砼框架边梁和框架次梁采用刚性连接为例, 分析钢筋砼框架边梁与次梁采用刚性连接的优 缺点。 1.3.1采用刚性连接的优点 1结构建模非常方便,不需要过多的人为 干预。 2能够有效传递次梁的弯矩使钢筋砼框架 边梁受扭,交接点次梁顶的裂缝控制比较好。 1.3.2采用刚性连接的缺点 1不能有效反映梁开裂后,内力重分布的 情况。需要通过“特殊构件补充定义”将其改为 “调幅梁”,且梁端弯矩调幅系数的取值随意性大。 若不采用调幅系数,则框架次梁第一跨跨中底部 钢筋以及第二支座负筋可能存在配筋不足的现象, 特别是框架次梁边跨的跨度以及荷载均为比较大 的状态。 2根据国家标准图集11G1011中的规定 对非框架梁当端跨采用刚性连接时,端跨次梁顶 的水平段锚固长度不应小于0.61。 基本锚固长 度;对非框架梁当端跨采用铰结连接时,端跨次 梁顶的水平段锚固长度不应小于0.351 对于一 般的混凝土钢筋砼框架边梁而言,框架梁的宽度 要满足刚性连接0.61 的水平段锚固长度要求非常 困难,而采用铰接连接的方式梁的水平段锚固长 度相对容易做到见图2。 图2框架次梁配筋构件 张瑞松钢筋砼框架边梁与次梁连接的计算简化问题 2l 3当框架次梁设置在钢筋砼框架边梁的梁 端负弯矩区域时,框架边梁和框架次梁交接处的 混凝土处于二轴受拉的状态,其混凝土强度降低 很多,设计中应尽量避免这种情况出现。而采用 铰接连接情况,混凝土处于单轴受拉的状态,比 二轴受拉的状态情况好很多。 综上,钢筋砼框架边梁与框架次梁的节点建 议采用铰接连接的方式,便于保证梁梁交接处框 架次梁顶钢筋的水平段锚固长度的要求;同时铰 接连接也比较符合梁开裂以后,框架次梁和钢筋 砼框架边梁发生内力重分布后结构的真实受力状 态,保证结构的安全。对于钢筋砼框架边梁的抗 扭纵筋和箍筋,以及框架次梁的端跨支座负筋应 通过构造要求来保证结构构件的使用。 2美国ACI规范和欧洲国际混凝土CEB模 式规范采用的零刚度设计法 2.1零刚度设计法的理论 钢筋混凝土超静定结构受弯、剪、扭共同作 用的构件,设计时取支承梁如钢筋砼框架边梁 的扭转刚度为零,即取扭矩为零。不考虑相邻构 件如框架次梁传来的受扭作用进行内力分析, 仅按开裂扭矩配置受扭所需构造钢筋的设计方法, 称为零刚度设计法。该设计方法较为简便,但在 构造上必须配置相当于构件受纯扭时开裂扭矩所 需要的受扭钢筋。 美国ACI规范规定 J,当荷载产生的扭矩T 超过开裂扭矩T 时,必须取TT 配置受扭钢筋; 当实际扭矩小于开裂扭矩0.375T。 时,可忽略扭矩 的作用;当按弹性分析的扭矩T介于两者之间时, 按实际的扭矩值T配置受扭钢筋。 欧洲国际混凝土CEB模式规范规定 J,在协 调扭转情况下,扭矩在承载力极限状态的计算中 可以忽略不计,构件只需采用预轴线垂直的封闭 箍筋进行配筋,仅对箍筋有构造上的要求。 2.2次梁的建模方式 零刚度设计法非常明确对钢筋砼框架边梁与 框架次梁的节点采用铰接连接的设计方法。 3钢筋砼框架边梁与框架次梁铰接连接的 构造要求 3.1框架边梁的构造要求 为了控制扭转效应引起钢筋砼框架边梁的斜 裂缝不致过宽,在构造上必须满足下列要求 1对箍筋箍筋的配筋率不应小于0.28f,/ fv 。箍筋间距应符合混凝土结构设计规范表 9.2.9条中的要求。其中受扭所需的箍筋应做成封 闭式,且应沿截面周边布置。受扭所需箍筋的末 端应做成135。弯钩,弯钩端头平直段长度不应小 于10d,d为箍筋直径。 2对纵筋梁内受扭纵向钢筋的最小配筋 率Ptl,min应符合下列要求 、 { p【lImin_Uo√一Vb 当T/Vb2.0时,取T/vb2.0。 3对截面因混凝土扭曲截面承载力计算 的截面限制条件是以高宽比不大于6的试验为依据 的,所以受扭构件的高宽比不宜大于6。 3.2框架次梁的构造要求 为了控制扭转效应使框架次梁顶端发生过宽 的裂缝,应配置必要的负弯矩纵向受拉构造 钢筋 。 1纵向受拉钢筋截面面积应不小于其负弯 矩等于钢筋砼框架边梁总开裂扭矩时,按受弯计 算所得的受拉钢筋截面面积。钢筋砼框架边梁的 开裂扭矩可取T 0.7 w 其中w。为受扭构件 截面的受扭塑性抵抗矩。当钢筋砼框架边梁与一 根框架次梁相交时,其总开裂扭矩等于2T ;当钢 筋砼框架边梁与二根框架次梁相交时,其总开裂 扭矩等于T 2框架次梁与钢筋砼框架边梁相交顶部处 的纵向受拉钢筋截面面积不应小于受弯构件纵向 受拉钢筋最小配筋率所需要的钢筋截面面积,也 不应小于框架跨中下部纵向受力钢筋计算所需截 面面积的1/4。 只有框架次梁与钢筋砼框架边梁相交顶部处 的纵向受拉钢筋满足上述两点的要求,可以认为 框架次梁与钢筋砼框架边梁体系处于相互协调的 工作状态。 3为了防止框架次梁和钢筋砼框架边梁的 弯剪裂缝发展到框架次梁的受压区,除了在钢筋 砼框架边梁的接头处配置足够的附加横向钢筋, 22 CHEMICAL ENGINEERING DESIGN 化工设计2013,232 还应在接头区加密配置框架次梁的箍筋。 4结语 1软件建模时,为了便于框架次梁端支座 上部纵向钢筋的锚固,减少次梁对支承梁的扭转 影响,楼面多跨连续次梁端支座与钢筋砼框架边 梁连接时,采用铰接连接比较符合梁开裂以后, 框架次梁和钢筋砼框架边梁发生内力重分布后结 构的真实受力状态。 2钢筋砼框架边梁的截面高宽比不宜大 于6。 3框架次梁与钢筋砼框架边梁的节点采用 铰接连接时,应采取构造加强措施保证框架次梁 与钢筋砼框架边梁的协调变形。钢筋砼框架边梁 应配置抗扭箍筋和纵筋,框架次梁应配置必要的 负弯矩纵向受拉构造钢筋和附加箍筋。 4框架次梁应尽量避免设置在钢筋砼框架 边梁的梁端负弯矩区域。 参考文献 1 姜学诗.建筑结构施工图设计文件审查常见问题分析.北 京中国建筑工业出版社,2009. 2 中国建筑科学研究院建筑工程软件研究所.PKPM结构软件 若干常见问题剖析.北京中国建筑工业出版社,2009. 3王振东.钢筋混凝土结构构件协调扭转的零刚度设计方法 [J].建筑结构2004,3486871. 4美国钢筋混凝土房屋建筑规范ACI1992年公制修订版. 北京中国建筑科学研究院结构所译,1993. 5 CEB欧洲国际混凝土委员会.1990CEBFIP模式规范.北 京中国建筑科学研究院结构所译,1991. 6 GB 500102010,混凝土结构设计规范[s].北京中国 建筑工业出版社,2010. 收稿日期20121122 上接第13页 知吸附罐体积、吸附压力和抽真空压力的情况下, 公式12中的五个变量参数的选取 1吸附放大系数入,根据表5分别对不同均 压选取不同的值。 2均压初P。、末期压力P ,按公式5 计算后,结合表4修正。 3平均线速度L,根据表6分别对不同均压 选取不同的值。 4均压时间t,每个均压步骤通常可取20s 左右 。 按照上述方法,可以计算出管径D的数 值。在实际工业应用中,由于变压吸附管道一般 选择价格较低的碳钢l3],而程控阀价格相对较高, 因此最终确定管道和阀门通径时往往将管径适当 放大而阀门通径适当减小,以期在满足技术要求 的前提下降低投资。 需要注意的是,由于吸附放大系数和平均线 速受均压压力、均压气体组成、吸附剂类型、产 品指标质量要求和吸附剂再生方式等影响,且均 压初、末期压力计算值也需根据经验修正,因此 上述变量参数的适用范围有限,在具体设计中应 综合考虑并选择合适的参数。 4结语 综上所述,在变压吸附设计过程中,可利用 吸附放大系数、平均线速等数据,按照本文相关 公式,结合经验对均压压力进行修正和对均压管 径进行计算。本文相关公式也可用于变压吸附装 置现场开车数据的分析。 参考文献 1魏丽婷等.PSA制氢工艺管网中均压过程的仿真[J].西 华大学学报自然科学版,2006,2545254. 2汤洪.变压吸附装置中均压设计的讨论[J].化工设 计,2003,131l518. 3李卫锋,牛韧.变压吸附单元管道设计探讨[J].炼油 设计,2002,3293941. 4 令兵等.变压吸附流体力学模拟[J].天然气化工, 2012,3715861. 收稿时间2012一l202

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