開題報(bào)告預(yù)應(yīng)力混凝土框架梁裂縫與撓度控制實(shí)用方法的研究

1、碩士學(xué)位論文開題報(bào)告 論 文 題 目 預(yù)應(yīng)力混凝土框架梁裂縫與 撓度控制實(shí)用方法的研究 研究生姓名 研究生類別 全日制專業(yè)型碩士 專 業(yè) 建筑與土木工程 研 究 方 向 預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 所 在 學(xué) 院 建筑與土木工程學(xué)院 論文起止日期 2012.112014.3 研究生部 制（本表一式三份，一份交導(dǎo)師，一份交學(xué)院，一份交研究生部）注：下表中各項(xiàng)可加頁。一、 課題來源在導(dǎo)師指導(dǎo)下選定題目預(yù)應(yīng)力混凝土框架梁裂縫與撓度控制實(shí)用方法的研究二、 研究目的和意義預(yù)應(yīng)力混凝土自上世紀(jì)20年代進(jìn)入土木工程實(shí)際應(yīng)用以來，由于其充分發(fā)揮了混凝土的抗壓強(qiáng)度和鋼材的抗拉強(qiáng)度，提高了結(jié)構(gòu)的抗裂度和剛度，在橋梁及大跨度房

2、屋結(jié)構(gòu)等土木工程中得到了廣泛應(yīng)用。預(yù)應(yīng)力混凝土框架梁相比普通鋼筋混凝土框架梁，由于結(jié)構(gòu)采用了高強(qiáng)度材料，構(gòu)件截面尺寸減小、跨高比增大，使構(gòu)件顯得更加纖細(xì)，從而導(dǎo)致其在正常使用極限狀態(tài)下的裂縫與撓度控制成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，應(yīng)引起足夠的重視。影響預(yù)應(yīng)力混凝土框架梁開裂、撓曲變形的因素眾多，如荷載情況、預(yù)壓力、預(yù)應(yīng)力筋張拉工藝、混凝土的收縮徐變以及溫度變化、施工質(zhì)量等使得預(yù)應(yīng)力混凝土框架梁的裂縫寬度、撓度計(jì)算尤為復(fù)雜，制約了預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用?；诖?，本文對預(yù)應(yīng)力混凝土框架梁的裂縫、撓度控制進(jìn)行研究，在滿足構(gòu)件強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上，提出預(yù)應(yīng)力混凝土框架梁裂縫、撓度控制的實(shí)用設(shè)計(jì)方法，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人

3、員在一般條件下能夠簡單可靠地對裂縫、撓度進(jìn)行控制，避免對其“準(zhǔn)確的數(shù)值”進(jìn)行繁瑣的計(jì)算，從而更好地指導(dǎo)預(yù)應(yīng)力混凝土框架梁的設(shè)計(jì)，進(jìn)一步推廣預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。另一方面，由于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)采用了高強(qiáng)度材料，使得構(gòu)件截面尺寸減小，鋼筋用量減少，因此可以節(jié)約材料，降低造價(jià)，在滿足結(jié)構(gòu)安全性的前提下提高了結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性。三、 國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 預(yù)應(yīng)力混凝土在土木工程中的地位舉足輕重，而預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件在預(yù)應(yīng)力混凝土中占有很大的比重，簡單可靠地控制預(yù)應(yīng)力框架梁的裂縫寬度、撓度，具有重大的意義。國內(nèi)外學(xué)者對預(yù)應(yīng)力混凝土框架梁的裂縫、撓度控制進(jìn)行了大量研究，具體方法如下：裂縫寬度控制：總結(jié)國內(nèi)外

4、學(xué)者對預(yù)應(yīng)力混凝土框架梁的裂縫控制的研究，其控制方法主要有：裂縫寬度的直接計(jì)算；鋼筋應(yīng)力控制法；名義拉應(yīng)力法。1、 裂縫寬度的直接計(jì)算 1）混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50010-2010中規(guī)定的方法：規(guī)范中將構(gòu)件的裂縫控制等級分為三級，本文討論的裂縫控制等級為第三極，要求。最大裂縫寬度計(jì)算公式如下：。式中各符號意義見混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50010-2010。其中，應(yīng)包括普通鋼筋應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力鋼筋拉應(yīng)力的增量，且計(jì)算公式復(fù)雜，我國PPC設(shè)計(jì)建議采用簡化公式：，。Ms為標(biāo)準(zhǔn)組合下截面彎矩；為截面開裂彎矩；為截面有效壓應(yīng)力；為截面塑性發(fā)展系數(shù)；為混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。 2）混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GBJ10

5、-89)7的裂縫計(jì)算方法在矩形、T形、倒T形和I形截面的鋼筋混凝土受拉、受彎和偏心受壓構(gòu)件及預(yù)應(yīng)力混凝土軸心受拉和受彎構(gòu)件中考慮裂縫寬度分布的不均勻性和荷載長期效應(yīng)組合的影響其最大裂縫寬度可按下列公式計(jì)算：， 3）里茲大學(xué)提供的公式：。式中：為殘余裂縫寬度（取0.02mm-0.04mm);為與非預(yù)應(yīng)力鋼筋性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)（取3.8-6.5）；C為鋼筋保護(hù)層最小厚度；為鋼筋應(yīng)力增量；為鋼筋彈性模量。2、 鋼筋應(yīng)力控制法 我國的PPC建議中規(guī)定：對于變形鋼筋，如果其最大應(yīng)力不超過表2的數(shù)值，可不驗(yàn)算特征裂縫的寬度，但構(gòu)件縱向受拉鋼筋的有效配筋率，不得低于0.006。表2 可不驗(yàn)算特征裂縫寬度的最大鋼

6、筋應(yīng)力（MPa)變形鋼筋直徑0.1mm0.2mm0.3mm0.4mm3255110165220256513019026020751502203001295190280380 3、名義拉應(yīng)力法名義拉應(yīng)力是假想的混凝土下邊緣拉應(yīng)力，把部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁假定為不開裂的素混凝土梁，用材料力學(xué)公式計(jì)算出在設(shè)計(jì)彎矩和預(yù)應(yīng)力作用下的截面最大纖維拉應(yīng)力。計(jì)算公式為：。式中：為名義拉應(yīng)力；M、N分別為使用荷載產(chǎn)生的計(jì)算彎矩和軸力；為扣除預(yù)應(yīng)力損失后的有效預(yù)加力；A、W分別為不考慮開裂及鋼筋影響的混凝土截面面積及抗彎模量。名義拉應(yīng)力不應(yīng)超過允許的名義拉應(yīng)力。而允許的名義拉應(yīng)力值是通過大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，將不同配筋情

7、況，不同等級混凝土的梁在一定裂縫寬度時(shí)所達(dá)到的名義拉應(yīng)力計(jì)算出來而確定的，通過大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和計(jì)算建立與允許最大裂縫寬度相對應(yīng)的混凝土允許最大名義拉應(yīng)力的關(guān)系。a.唐山工程技術(shù)學(xué)院土木系，北方交通大學(xué)土木系（文獻(xiàn)11）通過對國內(nèi)98根有粘結(jié)部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁的139組裂縫試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，給出了有粘結(jié)部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁的容許名義拉應(yīng)力值。計(jì)算公式如下：=。式中，a,b為常系數(shù)；為非預(yù)應(yīng)力鋼筋配筋率（=)；為構(gòu)件截面高度修正系數(shù)。b.重慶建筑大學(xué)（文獻(xiàn)12）在理論和試驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上提出，在荷載短期效應(yīng)組合下，構(gòu)件控制截面受拉邊緣的名義拉預(yù)應(yīng)力的驗(yàn)算公式如下：。式中：為荷載短期效應(yīng)組合下，截面

8、抗裂驗(yàn)算邊緣混凝土的法向拉應(yīng)力；為扣除全部預(yù)應(yīng)力損失后，抗裂驗(yàn)算邊緣混凝土的有效預(yù)壓應(yīng)力；為混凝土受拉區(qū)塑性影響系數(shù)；為混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。c.東南大學(xué)土木工程學(xué)院（文獻(xiàn)13）提出了裂縫控制及抗裂驗(yàn)算的建議公式，如下表1。表1 裂縫控制及抗裂驗(yàn)算建議外部環(huán)境條件荷載作用組合裂縫控制建議裂縫控制及抗裂驗(yàn)算建議公式低侵蝕環(huán)境短期組合允許開裂長期組合允許開裂中等侵蝕環(huán)境短期組合允許開裂長期組合裂縫閉合高侵蝕環(huán)境短期組合不得消壓長期組合不得消壓撓度控制：預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件在正常使用極限狀態(tài)下的撓度，可根據(jù)構(gòu)件的剛度用結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法計(jì)算。對于裂縫控制等級為三級的受彎構(gòu)件，其剛度的計(jì)算公式十分復(fù)雜，國

9、內(nèi)外都是采用半經(jīng)驗(yàn)半理論公式計(jì)算，實(shí)質(zhì)上都是控制性驗(yàn)算。國內(nèi)外主要的研究成果如下：1、國內(nèi)研究現(xiàn)狀 1）混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50010-2010中給出的經(jīng)驗(yàn)公式如下： a. B= b.要求不出現(xiàn)裂縫的構(gòu)件： c.允許出現(xiàn)裂縫的構(gòu)件：，,。式中為縱向受拉鋼筋配筋率，為受拉翼緣截面面積與腹板有效截面面積的比值。 2）部分預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建議提出的撓度計(jì)算公式，采用總剛度的形式表示: ,式中:當(dāng)MMcr時(shí)，=0.85；當(dāng)MMcr時(shí)，, =（0.1+2u)/(1+0.5)0.5， =,為鋼筋的彈性模量與混凝土的彈性模量之比，、分別為倒T形截面受拉區(qū)翼緣的寬度和高度，為換算截面慣性矩。3)交通運(yùn)輸部天津

10、水運(yùn)工程科學(xué)研究所，哈爾濱工程大學(xué)（文獻(xiàn)14）通過物理實(shí)驗(yàn)與ANSYS有限元計(jì)算分析提出的預(yù)應(yīng)力框架梁撓度計(jì)算公式：。式中：g為預(yù)應(yīng)力梁的自重密度；為換算為不受力（包括不受自重）狀態(tài)下隨時(shí)間測得的預(yù)應(yīng)力鋼筋的受力；Ec為混凝土彈性模量；為所有鋼筋及混凝土對其中心轉(zhuǎn)軸的慣性矩；為不考慮受拉區(qū)預(yù)應(yīng)力鋼筋對截面慣性矩的貢獻(xiàn)下計(jì)算得到的預(yù)應(yīng)力鋼筋中心到中心轉(zhuǎn)軸的距離；為不考慮受拉區(qū)預(yù)應(yīng)力鋼筋對截面慣性矩的貢獻(xiàn)下截面對中心轉(zhuǎn)軸的慣性矩。4)順德市順港建筑設(shè)計(jì)室（文獻(xiàn)15）提出：預(yù)應(yīng)力混凝土框架梁在短期荷載作用下的撓度和預(yù)應(yīng)力筋作用下的反拱值均可用彎矩圖形相乘法推得的公式進(jìn)行計(jì)算。荷載作用下的撓度計(jì)算公式

11、：；等效荷載作用下的反拱值按下列公式計(jì)算：(),()，()，。式中k為梁、柱線剛度比。其余參數(shù)意義如下圖1所示：圖1 等效荷載作用示意圖2、國外研究現(xiàn)狀： 1）雙直線法： 混凝土截面彎曲剛度隨荷載增大而降低，為了便于計(jì)算，以受拉區(qū)混凝土出現(xiàn)裂縫為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，近似用兩條直線代替荷載撓度曲線，根據(jù)近似的雙直線來計(jì)算撓度?；炷灵_裂前是彈性的，開裂后，由于開裂截面剛度降低，使得撓度增長較快。求開裂后的短期總撓度是分別求開裂前和開裂后的撓度，然后相加。這種方法是歐洲國際混凝土委員會(huì)CEB-FIP模式規(guī)范所推薦的?？倱隙扔?jì)算公式為：。式中:為毛截面慣性矩；為開裂截面慣性矩；M為計(jì)算撓度的截面彎矩；為對應(yīng)截面

12、的開裂彎矩；C為撓度常數(shù)，與支承條件，荷載形狀及截面位置有關(guān)。2）有效慣性法：有效慣性矩法是美國混凝土協(xié)會(huì)ACI規(guī)范提出的。鋼筋混凝土梁的截面剛度和慣性矩隨彎矩的增大而減小?；炷灵_裂前的剛度是其上限值，鋼筋屈服、受拉混凝土開裂完全退出工作的剛度是其下限值。梁受載開裂時(shí)僅有一部分是開裂的，而有一部分沒有開裂，這部分未開裂的截面對梁的總剛度是有影響的。因此，可認(rèn)為混凝土的剛度是介于未開裂截面剛度與開裂截面剛度之間的某個(gè)數(shù)值，這樣就可以用有效截面慣性矩來表示截面剛度，全梁取同一數(shù)值。有效慣性矩指的是帶裂縫工作的梁的平均慣性矩。表達(dá)式為：。3）曲率積分法：該方法是通過計(jì)算構(gòu)件的曲率來得到撓度值，CE

13、B-FIP模式規(guī)范提出的計(jì)算公式如下：。式中，曲率=,為裂縫間混凝土最外層纖維的平均壓應(yīng)變；裂縫間鋼筋的平均應(yīng)變。參考文獻(xiàn)：1GB50010-2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范s.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.2張利梅.高效預(yù)應(yīng)力混凝土梁受力性能及延性研究D.大連：大連理工大學(xué)，2004.3劉德輝.基于有效慣性矩的預(yù)應(yīng)力混凝土梁的撓度計(jì)算J.山西建筑，2008,35（34）：81-82.4張利梅，趙順波，黃承逵.高性能預(yù)應(yīng)力混凝土梁撓度試驗(yàn)與計(jì)算方法J.大連理工大學(xué)學(xué)報(bào),2005,45(1):96-101.5林同炎.預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)M.北京：中國鐵道出版社,1983.6薛偉辰.現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)

14、設(shè)計(jì)M.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003.7過鎮(zhèn)海,時(shí)旭東.鋼筋混凝土原理和分析.清華大學(xué)出版社，2003.8王英，趙人達(dá)，皇民，占玉林.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)應(yīng)力混凝土梁撓度預(yù)測研究.四川建筑科學(xué)研究.2008.9杜拱辰.現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)M.北京：中國建筑工業(yè)出版社,1988.10張朝暉.預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件裂縫控制的理論分析.應(yīng)用能源技術(shù)，2006.11田穩(wěn)苓，汪一駿.部分預(yù)應(yīng)力混凝土框架梁的裂縫寬度計(jì)算名義拉應(yīng)力法.第三屆全國結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，1994.12李忠誠.部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁裂縫控制及名義拉預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)方法研究D.重慶建筑大學(xué),1998.13呂志濤，楊建明.部分預(yù)應(yīng)力混凝土框

15、架結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力度及配筋選擇.建筑結(jié)構(gòu)，1993.14駱城，趙沖久，熊洪峰.預(yù)應(yīng)力混凝土梁撓度計(jì)算研究.水道港口，2011.15張慧娥，趙曉南.28米跨部分預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與測試分析.建筑結(jié)構(gòu)，1996.四、 主要研究內(nèi)容、途徑及技術(shù)路線主要研究內(nèi)容：1、 預(yù)應(yīng)力混凝土框架梁最大裂縫寬度計(jì)算公式，影響裂縫寬度計(jì)算值的各項(xiàng)參數(shù)分析，給出影響裂縫寬度計(jì)算值的最重要參數(shù)即鋼筋應(yīng)力的控制范圍。2、 鋼筋應(yīng)力的簡化計(jì)算方法。3、 對大量工程實(shí)例進(jìn)行裂縫寬度驗(yàn)算。4、 2、預(yù)應(yīng)力混凝土框架梁撓度的計(jì)算公式，影響撓度計(jì)算值的各項(xiàng)參數(shù)分析。5、 3、給出預(yù)應(yīng)力反荷載與外荷載的比值范圍限值。6、 4、對大

16、量工程實(shí)例進(jìn)行撓度驗(yàn)算。研究路線:7、 查閱有關(guān)預(yù)應(yīng)力混凝土框架梁裂縫、撓度計(jì)算的相關(guān)資料文獻(xiàn)，分析本課題的可行性及實(shí)際意義。8、 根據(jù)我國現(xiàn)行規(guī)范混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50010-2010)中提出的預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件最大裂縫寬度計(jì)算公式，對影響裂縫寬度計(jì)算值的各項(xiàng)因素進(jìn)行分析，給出鋼筋應(yīng)力的控制范圍，給出鋼筋應(yīng)力的簡化計(jì)算方法。9、 對大量已建工程的預(yù)應(yīng)力混凝土框架梁進(jìn)行裂縫寬度驗(yàn)算。10、 首先對三級裂縫控制的短期剛度的影響因素進(jìn)行分析，并假定，確定長期剛度B在取不同值時(shí)的取值，然后用圖乘法推導(dǎo)出撓度計(jì)算公式，由撓度計(jì)算公式計(jì)算出梁能承擔(dān)的最大荷載。再次，由外荷載大小、跨高比、預(yù)應(yīng)力等

17、效荷載與外荷載的比值，支座彎矩與跨中彎矩比值這幾個(gè)參數(shù)作出一系列圖表，通過查閱圖表可方便地進(jìn)行撓度控制。11、 最后，用工程實(shí)例對該方法進(jìn)行驗(yàn)證，證明該方法是實(shí)用可靠的。五、 研究工作的主要階段、進(jìn)度和技術(shù)指標(biāo)2013.062013.08：查閱相關(guān)資料和文獻(xiàn)，分析選題的意義，詳細(xì)規(guī)劃論文的內(nèi)容和進(jìn)度。2013.082013.09：理清思路，明確主題，準(zhǔn)備開題。2013.092013.11：開題報(bào)告2013.112014.01：預(yù)應(yīng)力混凝土框架梁裂縫控制部分研究。2014.012014.04：預(yù)應(yīng)力混凝土框架梁撓度控制部分研究。 2014.042014.04：對所有資料進(jìn)行匯總、整理，完成論文初稿。2014.042014.05：全面整理、完善論文，論文定稿。2014.05：遞交論文送審，并根據(jù)審查意見進(jìn)行修改。 2014.05：論文答辯。六、 最終目標(biāo)及完成時(shí)間完成目標(biāo)： 根據(jù)我國混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50010-2010)中提出的裂縫寬度計(jì)算公式，分析影響裂縫寬度計(jì)算值的各項(xiàng)參數(shù)，給出鋼筋應(yīng)力的控制范圍，給出鋼筋應(yīng)力的簡化計(jì)算方法。根據(jù)我國混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50010-2010)中提出的剛度計(jì)算公式，用結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法推導(dǎo)出預(yù)應(yīng)力混凝土框架梁撓度計(jì)