无黏结预应力混凝土圆形筒仓预应力设计.pdf

2 0 1 2 年 第 7期 (总 第 2 7 3 期 ) Nu mb e r 7 i n 2 0 1 2 ( T o m l No 2 7 3 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 实用技术 P RACTI CAL TECHN0L 0GY d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 2 0 7 0 3 6 无黏结预应力混凝土圆形筒仓预应力设计 刘银利，袁龙飞 ( 西安建筑科技大学 建筑设计研究 院，陕西 西安 7 1 0 0 5 5 ) 摘要： 结合J G J 9 2 -2 0 0 4 ( 无黏结预应力混凝土设计规程 和 G B 5 0 0 7 7 -2 0 0 3 ( 钢筋混凝土筒仓设计规范 及其他相关规范、 设计手册 等， 从预应力设计方案、 预应力和非预应力钢筋的估算、 实际有效预应力的计算、 预应力构件承载力计算和抗裂验算、 扶壁柱设计及相关构 造措施等方面 ， 对无黏结预应力混凝土圆形筒仓的预应力设计思路 ， 做 了一些归纳总结 ， 并在此基础上从设计 角度 出发 ， 提出了一套适用 于该类结构的预应力设计方法 ， 为无黏结预应力混凝土 圆形筒仓的预应力设计提供参考 。 关键词 ： 筒仓结构 ；无黏结 ；预应力设计 ；扶壁柱 中图分类号 ： T U 5 2 8 5 7 1 文献标 志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 0 7 0 l 1 4 一 O 3 Re f l e c t i on s on t he pr obl ems o f e x i s t i n g “ c o de f or des i gn o f r ei n f or c e d co nc r e t e s i l os LI U Yin l i ， YUAN Lo n g- f e i ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g ， Xi a ll U n i v e r s i t y o f Ar c h i t e c t u r e a n d T e c h n o l o g y， Xi an 7 1 0 0 5 5 ， Ch i n a ) Abs t r a ct ： By r e f e r e n c e t o p r e s t r e s s e d c o n c r e t e d e s i g n c o d e a n d r e i n f o r c e d c o n c r e t e d e s i gn c o d e an d o t h e r r e l e v an t s pe c i fi c an t i o n s ， d e s i gn man u a l s Th i s p a pe r h a s ma d e s o me i n d u c t i o n s u mm a r y t o t h e n o n c a k i n g p r e s t r e s s e d c o n c r e t e c i r c u l a r s i l o S p r e s t r e s s e d d e s i gn m e n t a l i t yTh e s u m ma r y c o n t e n t m a i n l y h a s t h e p r e s tre s s e d d e s i gn p r o po s a l ， the p r e - s tre s s e d a n d the n o n p r e s tre s s e d r inf o r c e me n t e s t i m a t e， the a c t u a l e ffe c t i v e p re s t r e s s e d c o mp u t a t i o n， t h e pr e s tr e s s e d c o mp o n e n t s u p p o r t i n g c a p a c i ty c o mp ut a t i o n and the ant i - c r a c k c h e c k i n g c a l c u l a t i o n， Ho l d s the e n g a g e d c o l umn d e s i gn an d r e l a t e d s t r u c t u r e me a s u r e Be c a us e o fp r o v i d i n g the r e f e r e n c e f o r t h e n o n c a k i n g p r e s t r e s s e d c o nc r e t e c i r c u l ar s i l o p r e s t r e s s e d d e s i gn ， s i mu l t an e o u s l ythi s a r t i c l ef r o m d e s i gn a n g l e e mb ark i n g， p r o p o s e d ap r e s t r e s s e dd e s i gn me t h o dwh i c hi s s u i tabl ef o r t h i s k i n do f s t r u c t u r e Ke y wor ds ： s i l o s t r u c t u r e； no n c ak i n g； p r e s tre s s e d d e s i gn ； h ol d s t h e e ng a g e d c o l u mn 0 引言 筒仓结构作为贮存散料的构筑物 ， 因其自身的优点而在许 多行业中得到了广泛的应用。 近年来， 随着生产需求的不断提高， 筒仓结构朝着大型化的趋势发展l l _ z l ， 而我国的大型筒仓大部分 采用钢筋混凝土结构 ， 在贮料荷载作用下 ， 仓壁和漏斗壁的环 向拉力较大， 为满足正常使用阶段的抗裂验算 、 减小壁厚及降 低配筋率的要求， 而引入预应力技术。 预应力混凝土筒仓为后张预应力混凝土结构 ， 主要分为有 黏结预应力和无黏结预应力混凝土结构两种。 有黏结预应力方 案 ， 对要求采用较均匀配筋的筒仓， 则会因预留管道过多而大 量增加留管、 定位、 穿束、 张拉和灌浆等工序的工作量 ， 因而大 多数筒仓都采用无黏结预应力混凝土结构。 本研究针对无黏结 预应力混凝土简仓 ， 对其预应力设计思路做了一些归纳总结， 并 在此基础上提出了一套适用于该类结构的预应力设计方法。 1 预应力设计方案及布置位置 为了使仓壁、 漏斗壁产生较均匀的的预压力， 建议采用单根 预应力筋排列和单根张拉的配筋方案。 按照 GB 5 0 0 7 7 -2 0 0 3 钢筋混凝土筒仓设计规范 ( 简称 筒规 ) 3 ， 应根据筒仓的直 径大小确定预应力钢筋的平面包角及锚固点数， 包角不宜小于 1 8 0 。 或 1 2 0 。 ， 锚固可采用 4个或 6个锚固壁柱或壁龛。 锚固壁柱 收稿 日期 ：2 0 1 2 - 0 1 1 6 1 l 4 在筒仓壁上对称设置， 预应力筋由两个半圆组成一环， 对称布 置， 上下交叉错开锚固于壁柱上 ， 使张拉时筒仓壁上建立的环 向预应力更为均匀。 预应力钢筋的布置位置对筒仓壁混凝土外表面的环向压 力影响较大， 因此， 为了使筒仓壁沿厚度方向建立较好的环向 压力 ， 尽量将预应力钢筋布置在靠近筒仓壁外表面的位置 ， 但是 应满足预应力钢筋的最小保护层厚度。 2 预应 力初步设计 2 1 预应力和非预应力钢筋的估算 对筒仓结构进行无预应力标准组合下整体受力分析， 可计 算出仓壁、 漏斗壁的环向拉力标准组合值 ， 用于预应力设计。 由 于仓壁和漏斗壁上的环向拉力主要是由贮料荷载产生 ， 而贮料 荷载大小沿简仓壁高度不断变化 ， 大体趋势呈三角形分布 ， 因 而要根据环向拉力的大小先将仓壁和漏斗壁沿竖壁分段 ， 然后 根据各段最大环向拉力的标准组合值， 分段设计仓壁和漏斗壁 预应力筋 。 根据 J G J 9 2 -2 0 0 4 ( 无黏结预应力混凝土设计规程 【 4 】 ， 无 黏结预应力筋截面面积可按式( 1 ) 估算： A 生 ( 1 ) l 一 to t 式中： 。 无黏结预应力钢筋的截面面积； 口 咖无黏结预应力钢筋的张拉应力； O t 无黏结预应力钢筋的总损失估计值 ， 根据 预应 力设计手册 旧 针对筒仓设计， 按轴心受拉构件考 虑 ， 取 ： = 0 3 5 ； 无黏结预应力钢筋的总有效预应力( 可取筒仓竖壁 单位高度的环向拉力标准值 ) 。 预应力强度 比： A = 一 ( 2 ) 厶A A 式中： A 。 无黏结预应力钢筋的截面面积； A 。 受拉区非预应力筋截面面积； 预应力钢筋的抗拉强度设计值 ； 非预应力筋的抗拉强度设计值。 同时圆形预应力混凝土煤筒仓设计应满足下列要求同 ： 仓壁 可采用后张法无黏结预应力或有黏结预应力， 预应力强度比宜 取 0 7 ， 不宜超过 0 7 5 。 2 2 实际有效预应力计算及施加方案 预应力损失值4 ,8 - 10 】包括 ： 张拉端锚具变形和无黏结预应力 钢筋内缩损失 O t 、 无黏结预应力的摩擦损失 ： 、 无黏结预应力 筋的应力松弛损失 U t 、 混凝土的收缩和徐变损失 、 径向变形 引起的预应力损失 。 具体计算查相关规范。 根据预应力钢筋张拉方案 ， 两相邻环预应力钢筋张拉端锚 具变形和钢筋内缩引起的损失 。 最大值和预应力钢筋的摩擦 引起的损失 ： 最大值在同一竖向截面， 因此， 计算仓壁和漏斗 壁竖向截面的第一批损失时， 取两者的平均值来作为任一截面 的预应力损失， 即： 第一批损失为： f1 ： O l ! + O l 2 ( 3 ) 2 第二批损失为： = _仃f 4 + 5 + 6 ( 4 ) 总损失为 ： 0 0 0 ( 5 ) 预应力筋的有效预应力为： 嘲 + ( 6 ) 预压应力是通过预应力筋张拉变形挤压孔道壁而产生的， 预应力钢筋在张拉和锚固过称中对仓壁和漏斗壁混凝土将产 生两种作用 ， 即预应力筋对孔道壁的径向挤压和切向拖拽力 ， 由于无黏结预应力钢筋与孔道壁的摩擦系数小， 切 向拖拽力较 小可忽略。 因此， 无黏结环向预应力钢筋与混凝土的相互作用方 式是以径向的压作用为主嗍 。 由于无黏结环向预应力钢筋对混凝土的作用为一定分布 范围的径向压力， 从而使混凝土产生环向压力， 因此预应力筋 沿环向变化的预应力对混凝土施加的环向预压作用变化影响 较小。 而在预应力施工过程中， 相邻环张拉位置错开， 在相同的 配筋范围内预应力作用值采用相邻环平均值作为相应部位的 面压力施加。 利用材料力学薄壁圆筒的计算方法， 取单位高度( I m) 的 仓壁或漏斗壁进行计算， 把仓壁或漏斗壁从中间剖分为两个半 圆， 剖面上的平均面压力可表示为 ： ( 7 ) 4 式中： A p 单位高度( 1 m) 内由预应力筋产生的总的有效预 应力 ， p e A p ； A单位高度( I m) 剖面面积， A= 1 0 0 0 x d ； d 仓壁直径。 2 _ 3 预应力构件承栽力计算及抗裂验算 ( 1 ) 预应力构件承载能力计算。 根据环形预应力钢筋的作用 机理， 同时考虑到壁径比很小， 将仓壁和漏斗壁按轴心受力构件 计算， 钢筋受拉承载力 、 混凝土受压承载力分别按式( 4 ) 、 ( 5 ) 嘲 计算。 承载力可按式( 8 ) 计算： A A ( 8 ) 式中： A 非预应力钢筋的全部截面面积； A 。 预应力钢筋的全部截面面积； 7 ： 非预应力钢筋的强度设计值 ； 预应力钢筋的强度设计值。 N AA 。 ( 9 ) 式中： A 混凝土净截面面积， ra m2 ； 混凝土抗压强度设计值， N mm 2 。 ( 2 ) 预应力构件裂缝控制验算。 筒规 5 1 5 条规定， 给出筒 仓结构按正常使用极限状态设计时， 仓壁、 仓底的裂缝宽度限 值， 而“ 筒规” 5 3 2条规定， 预应力混凝土筒仓的仓壁在进行裂 缝控制验算时， 应根据使用条件和不同工况的要求施加预应力， 可按其大小分别采用全预应力 、 有限预应力或部分预应力进行 设计【3 】 。 因此， 对预应力混凝土筒仓进行裂缝控制验算时， 要根 据所采用预应力计算方法 ， 并结合 混凝土结构设计规范 和 无黏结预应力混凝土设计规程 的规定进行验算。 3 扶壁柱设计 筒规 就预应力钢筋的锚固提出两种方式： 设扶壁柱或壁龛。 从施工难易程度和节省费用两方面讲，一般选用设扶壁柱， 而 扶壁柱又分为内扶壁柱和外扶壁柱两种 ， 其布置方式见图 1 、 2 。 图 1 扶壁柱布置方式 3 1 扶 壁柱 设置原 则 ( 1 ) 扶壁柱作为预应力钢筋的锚固肋， 其个数和布置方式 应该以减小由于预应力钢筋张拉所引起环向预压应力分布不 均匀性的原则确定。 ( 2 ) 预应力钢筋产生的径向压力， 会使简仓壁混凝土出现 局部径向拉应力 ， 为减小该拉应力 ， 应该尽量将预应力钢筋布 置的筒仓壁的外侧。 ( 3 ) 扶壁柱沿筒仓壁应对称均匀布置。 从结构受力角度分析， 设置扶壁柱有利于改善结构的受力性能， 增大结构的整体刚度。 l 1 5 图 2 扶壁柱布置方式 ( 4 ) 扶壁柱个数多， 预应力钢筋的分段越多， 导致工程量、 施工难度和费用增加， 因此， 扶壁柱的数量应根据工程具体情 况综合考虑确定。 ( 5 ) 扶壁柱作为预应力钢筋的锚固肋 ， 承受较大的局压力， 应满足锚具下混凝土局部受压、 抗裂要求， 扶壁柱的尺寸也应 满足预应力筋锚固、 施工等要求。 ( 6 ) 外扶壁柱施工简单， 技术成熟， 应用范围广； 内扶柱壁作 为预应力钢筋的锚固肋， 会导致预应力钢筋曲率变化大， 而在锚 固端会产生较大的局部弯矩和剪力 ， 同时由于筒仓内装有散料 ， 内扶壁柱会经常受到冲击荷载作用， 可能会造成预应力钢筋锚固 端破坏， 不利于结构长期安全运行。 设计时应根据实际情况选用。 3 2 扶壁柱尺寸的确定 ( 1 ) 外扶壁柱的尺寸可参考下式确定目 ， 尺寸参数见图3 所示。 图 3 扶壁柱的尺寸示意图 Z = r 。 t a n 2 ( 1 0 ) 预应力筋张拉锚固中心位于扶壁厚度中心， 则： 譬= r 、 而 ( 1 1 ) 同时 应满足锚固要求， 则： h f + 5 0 ( 1 2 ) 2 2 式中 ： r l 筒仓壁外半径 ， m； r D 预应力钢筋环半径， m； 夹角( 度 ) 见图 4 ， 一般可取 0 = 5 0 1 0 。 ； f 在与竖直线夹角为 0处开始沿圆环切线方向引出 到外扶壁张拉锚固的直线段长度 ， m； 广扶 壁厚度 ， m； 锚板的宽度， m m。 当按式( 1 1 ) 计算的 不 满足式( 1 2 ) 的要求时， 可采取增大 0 的方法， 也可采取垂直于预应力钢筋截面形心外移扶壁锚固支 撑面的方 法。 ( 2 ) 内扶壁的尺寸可参考下式确定 ， 尺寸参数见图4 所示。 l - ( r p - r p E ) s i n 0 2 ( 1 3 ) l1 6 图 4扶壁柱的尺寸示意图 预应力筋张拉锚固中心位于扶壁厚度中心， 则： L - r 2 一 r p c o s O ： + r ( 1 - c o s 0 2 ) 】 ( 1 4 ) 式中： 2 筒仓壁内半径， m； 预应力钢筋环半径， m； 、 夹角( 度) 见图 4 ， 一般可取 - 2 0 。 3 5 。 ， 0 2 = 3 0 ,- 4 5 。 ； 在与竖直线夹角为 0开始沿与预应力钢筋环内切 的圆弧半径 r p 2 = ( O 6 0 8 ) r p ， m； 预应力钢筋单排布 置时 不宜小于 2 5 m， 预应力钢筋集束布置时 r p 2 不宜小于 4 0 m； f a 至角度 处开始沿圆环切线方向引出到外扶壁张 拉锚固的直线段长度， m； 扶壁厚度， m。 当按式( 1 4 ) 计算的 h 不满足式( 1 2 ) 的要求时， 可采取减小 和 r 口 2 的方法调整 。 3 3 扶 壁 配 筋 预应力钢筋锚固于扶壁上 ， 会在扶壁上产生局压力 ， 应对 其进行锚具下混凝土局部受压、 抗裂验算并留足预应力筋的交 叉空间。 扶壁可配置与筒仓壁竖向和环向相 同的非预应力钢 筋， 内外设置拉结构造钢筋不宜d x ： 1 2 1 5 0 ， 并应预埋直径为 8 1 0 m m、 沿结构轴向间距为 1 5 0 2 0 0 m m 的钢筋用 于回填混 凝土的构造钢筋唧 。 4 构造要 求 4 1 钢 筋构 造要 求 ( 1 ) 预应力钢筋构造要求I ： 预应力筋的保护层不应小于 5 0 mm，后张无黏结预应力筋应由预应力筋的边缘算起。 此外， 同一水平预应力筋在锚固处的上下距离不应小于 7 0 m m， 锚固 处预应力筋的直线段应根据锚具要求确定， 且不小于 4 0 0 mm。 ( 2 ) 非预应力钢筋构造要求嘲 ： 仓壁的水平钢筋直径不宜小 于 1 0 m m， 也不宜大于 2 5 m m； 且钢筋间距不应大于 2 0 0 I n l T l ， 也不应小于 7 0 ton i 。 仓壁的环向及竖向非预应力钢筋， 最小配筋 率均不应小于 0 4 。 同时对于后张拉预应力圆形筒仓的非预应 力筋， 应验算预应力在仓壁上 ,n - 范围内产生的次弯矩 帆 和次 剪力 ， 具体按规范要求计算。 4 2 预应 力筋 张拉 方式 预应力筋长度超过 2 5 1 1 1 时宜采用两端张拉 ， 超过 5 0n l 时 宜分段张拉和锚固。 当混凝土强度等级应达到设计值的 1 0 0 时， 才能张拉预应力筋 ， 同时为使筒仓壁受力合理、 预应力损失较 小及施工方便等， 应采用自上而下分批均匀张拉的张捌呖 序 日 。 5结 论 对无黏结预应力混凝土圆形筒仓的预应力设计思路 ， 做了 下转第 1 1 9页