[发明专利]一种全容式低温储罐预应力混凝土的实用配筋确定方法

摘要

本发明提供一种全容式低温储罐预应力混凝土外罐的实用配筋确定方法，本发明依据钢筋混凝土构件的平截面假定及混凝土、普通钢筋和预应力钢筋各自的本构关系，利用轴力和弯矩的平衡方程，采用迭代应变试算内力的方法来求解在已知预应力方案、普通钢筋配筋方案和截面内力情况下计算截面的混凝土、普通钢筋和预应力钢筋的应力应变，然后判断是其否满足全容式低温储罐的承载力和特定使用状态的要求，本发明的这种实用配筋确定方法简单可行，精确有效。

主权项

1.一种全容式低温储罐预应力混凝土外罐的实用配筋确定方法，其特征在于步骤如下：(1)确定预应力混凝土外罐截面配筋设计的基本信息：a)利用第一长度测量装置确定截面高度值h和截面宽度b，所述高度值h和所述宽度b单位均为mm；b)利用第二长度测量装置确定截面底部和顶部混凝土保护层的厚度c₁和c₂；c)确定混凝土的应力-应变关系曲线、材料等级及其相应的弹性模量E_c、轴心抗拉强度标准值f_tk、轴心抗拉强度设计值f_t、轴心抗压强度标准值f_ck、轴心抗压强度设计值f_c、立方体抗压强度特征值f_cu；d)确定普通钢筋(包括低温钢筋)的应力-应变关系曲线、材料等级及其相应的弹性模量E_s、强度标准值f_yk和强度设计值f_y；e)确定预应力钢筋的应力-应变关系曲线、材料等级及其相应的弹性模量E_p、f_pk、f_01k、屈服后的二次刚度kE_P和材料分项系数γ_s；f)根据预应力钢筋布置方案，确定计算截面处的预应力钢筋的面积A_p、钢筋束中心到截面底部的距离d_p、张拉控制应力σ_con及考虑预应力损失后的有效应力σ_e；(2)获取混凝土截面计算内力：根据极限承载力状态(ULS)和正常使用极限状态(SLS)的荷载组合规则计算得到该截面的轴力设计值N_d、弯矩设计值M_d及预应力组合系数γ_p；(3)确定混凝土截面的钢筋布置方案：首先确定该计算截面纵向钢筋的布置方案，得到截面宽度范围内底部钢筋的直径d₁和面积A_s1、顶部钢筋的直径d₂和面积A_s2。进而得到截面底部钢筋中心到截面底边的距离d_c1和截面顶部钢筋中心到截面顶边的距离d_c2，按下列公式计算：d_c1＝c₁+d₁/2，d_c2＝c₂+d₂/2；(4)给混凝土截面底部应变和顶部应变赋初始值和限制值先给混凝土截面的底部应变ε_c1和顶部应变ε_c2赋予初始值及取值范围：ε_{c1_max}＝0.01，ε_{c1_min}＝-ε_cu，ε_{c2_max}＝0.01，ε_{c2_min}＝-ε_cu，ε_{c1_max}、ε_{c1_min}为截面底部边缘应变取值范围的最大值和最小值，ε_{c2_max}、ε_{c2_min}为截面顶部边缘应变取值范围的最大值和最小值；(5)计算钢筋和混凝土分段中心点处的应变：依据混凝土截面的钢筋布置方案，由截面底部应变ε_c1和顶部应变ε_c2可得到钢筋的应变及截面任意位置处的应变值：ϵs1=dc1(ϵc2-ϵc1)h+ϵc1]]>ϵs2=dc2(ϵc1-ϵc2)h+ϵc2]]>ϵp=dp(ϵc2-ϵc1)h+ϵc1]]>其中，ε_s1、ε_s2为底部和顶部钢筋的应变，ε_p为预应力钢筋的新增应变；把截面高度h等分为XN等分，每等分的长度为：每个等分段的中心点到截面底部的距离为：x(i)=h2XN(2i-1)]]>混凝土截面每个等分段中心点的应变为：ϵ(i)=x(i)·(ϵc2-ϵc1)h+ϵc1]]>式中，i为从截面底部算起的分段段号；(6)计算钢筋和混凝土分段中心点处的应力利用步骤(5)求得的钢筋和混凝土应变，代入普通钢筋、预应力钢筋和混凝土的应力-应变关系公式，得到各应变对应的应力：底部钢筋的应力f_s1(拉正压负)，顶部钢筋的应力f_s2(拉正压负)，预应力钢筋的应力f_p及混凝土的应力f_c(i)，其中f_c(i)为压力时是负值，为拉力时是正值，超过轴心抗拉强度标准值f_tk时为零。(7)计算钢筋和混凝土的合力：当轴力N_d＞0，弯矩M_d＞＝0时将以截面中心为计算点弯矩设计值M_d转化为以截面底部边缘为计算点的弯矩设计值：M_d＝M_d+0.5·N_d·h；根据步骤(6)得到的普通钢筋的应力值，得到钢筋的合力和弯矩：F_s1＝f_s1·A_s1，M_s1＝F_s1·d_c1F_s2＝f_s2·A_s2，M_s2＝F_s2·(h-d_c2)式中，F_s1为底部钢筋的合力，F_s2为顶部钢筋的合力，M_s1为底部钢筋的合力到底部边缘的弯矩，M_s2为顶部钢筋的合力到底部边缘的弯矩；根据步骤(6)得到的预应力钢筋的应力值，得到预应力钢筋的合力变化值与附加弯矩：σ_loss＝f_con-γ_pσ_ef′_p＝f_p-σ_lossF_p＝(f′_p-γ_pσ_e)·A_pM_P＝F_P·d_p式中，σ_loss为预应力损失，f_con为张拉应变对应的设计应力，f′_p为扣除预应力损失后的有效应力，F_p为预应力钢筋的合力变化值，M_p为预应力钢筋的合力变化值到底部边缘的弯矩；根据步骤(6)得到的混凝土的应力值，得到混凝土截面的合力和弯矩：Ft=Σi=1XNfc(i)·b·Δh]]>当f_c(i)＞0时Mt=Σi=1XNfc(i)·b·Δh·x(i)]]>当f_c(i)＞0时Fc=Σi=1XNfc(i)·b·Δh]]>当f_c(i)＜0时Mc=Σi=1XNfc(i)·b·Δh·x(i)]]>当f_c(i)＜0时式中，F_t为混凝土截面拉应力的合力，F_c为混凝土截面压应力的合力，M_t为混凝土截面的拉力到底部边缘的弯矩，M_c为混凝土截面的压力到底部边缘的弯矩；计算截面的轴力的合力为：N＝F_s1+F_s2+F_t+F_c+F_p计算截面的弯矩的合力为：M＝M_s1+M_s2+M_t+M_c+M_p(8)对轴力计算结果的收敛性判别；把步骤(7)计算得到的轴力与截面轴力设计值N_d进行比较，判断它们是否满足计算精度要求，若满足，则进行第(9)步，若不满足，则调整截面底部应变ε_c1和顶部应变ε_c2，作为新的应变已知量返回第(5)步重新计算；(9)对弯矩计算结果的收敛性判别：把步骤(7)计算得到的弯矩与截面弯矩设计值M_d进行比较，判断它们是否满足计算精度要求，若满足，则进行第(10)步，若不满足，则调整截面底部应变ε_c1和顶部应变ε_c2，作为新的应变已知量返回第(5)步重新计算；(10)输出截面计算结果：通过前面的计算，得到了在设计内力N_d和M_d作用下的混凝土截面在既定配筋方案下的应力应变计算值，根据承载力极限状态(ULS)和正常使用极限状态(SLS)的计算要求的不同，输出不同的计算结果；(11)判别输出结果是否满足设计要求：对输出的计算结果要进行判别，看是否满足设计要求，若满足要求，表明配筋方案可行；若不满足要求，则要调整配筋布置方案，重新返回步骤(3)进行计算，直到满足设计要求。