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预应力张拉的次弯矩,为什么有时按有利取、有时按不利取?
同一根连续梁,承载能力组合里支座截面的次弯矩对竖向荷载负弯矩起抵消作用,按有利取1.0;跨中次弯矩与正弯矩同向叠加,按不利取1.2。系数跟这个截面的荷载弯矩方向走,不跟截面位置绑定。前提是结构超静定,简支梁张拉时能自由起拱和缩短,次弯矩为零。BICP银泰建构做预应力深化时把次效应单列成一个工况,由约束反力求次弯矩,再逐截面套组合。
适用场景
导语
常见的误判是把次弯矩看成一个固定值,以为它总在帮忙。它的大小取决于支座约束,支座越刚、梁越连续,数值越大;同一个截面换一种荷载工况,荷载弯矩可能反号,有利不利也跟着翻。
适合哪些项目
- 适合:连续梁、框架梁、与柱整浇的楼面梁、板柱(无梁楼盖)体系,以及体外预应力加固后的超静定构件。体外加固按同样的系数取:承载能力极限状态有利1.0、不利1.2,正常使用极限状态1.0。
- 不适合:简支梁、悬臂梁这类静定构件没有多余约束,张拉时梁能自由变形,次弯矩为零。
- 需要先确认:支座是铰接还是整浇、边柱刚度取多少;预应力筋线形和有效预应力;结构是否属于超长、两端有刚度很大的墙柱这类强约束。
次弯矩从哪来,取值为什么跟截面走
预应力筋在梁里一般走抛物线,张拉后对混凝土的作用按等效荷载计算:沿跨的向上分力,加两端的压力。简支梁上这些力只让梁起拱,梁端转动和水平缩短都不受限制,多不出内力。连续梁和框架梁不同,中间支座限制梁端转动,柱子又约束梁的轴向缩短,多余约束一旦产生反力,沿梁就出现一套附加内力,通常以次弯矩为主。
计算次序不能颠倒:先用等效荷载算出综合弯矩Mp,再由M1=P·e得到主弯矩,两者相减就是次弯矩M2=Mp−M1。合起来写是Mr=M1+M2=Npe·epn+M2。次弯矩在支座之间按直线变化,分布由支座约束和预应力筋的整体线形决定。
判断有利不利,看这个截面上的荷载弯矩方向。竖向荷载下支座是负弯矩,次弯矩在这里反号,抵消掉一部分,所以有利;跨中正弯矩,次弯矩同号叠加,所以不利。承载力验算照着写:支座截面按Mu≥M−M2,跨中截面按Mu≥M+1.2M2,M2按对截面不利方向取正值代入。组合式是1.2MDL+1.4MLL±1.0(1.2)M2和1.35MDL+0.98MLL±1.0(1.2)M2两组,括号里的1.2只在不利时出现。
正常使用极限状态不分有利不利,统一按1.0MDL+1.0MLL±1.0M2取。有人在这一步也乘1.2,预应力筋和普通钢筋白白多配。
“支座有利、跨中不利”只对竖向荷载下的常规连续梁成立。碰上水平力工况、活载不利布置,或者连续梁带悬挑的相邻跨,同一个截面的荷载弯矩可能反号,原来的有利变成不利,要逐个组合、逐个截面过。
| 比较项 | 简支梁(静定) | 连续梁、框架梁(超静定) |
|---|---|---|
| 张拉后的变形 | 起拱、缩短不受约束 | 受支座和柱约束 |
| 次弯矩 | 0 | 存在,支座之间按直线分布 |
| 承载能力组合 | 不含M2项 | ±1.0(有利)或1.2(不利)M2 |
| 正常使用组合 | 不含M2项 | ±1.0M2 |
算错这一步的代价
所有截面一律按1.0取,跨中正弯矩算小了,普通钢筋配少,张拉后反拱偏大,或者使用阶段荷载上来梁底开裂,到那时粘钢或补预应力的费用和停工期,远超当初省下的那点钢筋。另一种错法是把综合弯矩当成次弯矩用,或者算M2时忘了减主弯矩,方向一错,支座和跨中同时错。
系数版本也要看清:《预应力混凝土结构设计规范》JGJ 369-2016规定承载能力极限状态有利取1.0、不利取1.2;修订过程中的版本里,不利系数曾取到1.3。同一个结构按不同版本算,配筋结果不一样,设计文件要把所依据的版本写清楚。
我们算过一根16m跨的框架梁,截面400×800,配12根钢绞线共1680mm²,张拉控制应力1302N/mm²,总预加力2187.36kN。YJK算下来,支座次弯矩+95.4kN·m,跨中−95.8kN·m。跨中这95.8kN·m如果按1.0取而不是1.2,设计弯矩就差19kN·m上下;整项漏掉差得更多。
超长结构、两端有刚度很大的墙柱约束时是另一种情况,梁板缩短被拉住,产生的次轴力会把有效预压应力抵掉一部分。这类结构次轴力要和次弯矩一起参与组合;一般的后张超静定结构次轴力影响小,可以只计次弯矩。
图纸会审和深化时核这几步
- 定计算简图:构件按简支还是连续、边支座按铰接还是整浇、边柱刚度取多少,先定下来。
- 拿预应力筋线形图和有效预应力,按等效荷载算综合弯矩Mp,再算主弯矩M1=P·e,相减得M2,不拿综合弯矩直接当预应力效应。
- 把M2沿梁画出来,每个截面的正负号标清楚,支座之间按直线连。
- 对每个荷载组合逐个截面判断有利不利,包括活载不利布置和水平力工况;强约束结构补次轴力。
- 计算书和图纸注明所用规范版本和次弯矩组合系数,深化、审图、施工用同一版。
参考依据
- 《预应力混凝土结构设计规范》JGJ 369-2016
- 《混凝土结构设计标准》GB/T 50010-2010(2024年版)
- 《混凝土结构通用规范》GB 55008-2021
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常见问题
Q1 预应力筋在反弯点附近截断,次弯矩会不会变?
会变。线形和有效预应力是等效荷载的输入条件,截断或改变线形后,等效荷载的分布跟着变,综合弯矩和次弯矩都要重算,整跨布置的结果不能沿用。
Q2 计算书里的次弯矩符号和我们自己的对不上,怎么核?
先统一符号约定,再看支座和跨中是不是反号、组合时是加还是减。符号对不上,多数是两边约定不同;如果连支座和跨中的反号关系都对不上,就要回头查等效荷载和主弯矩。
次弯矩的计算量不大,容易出错的是每个截面、每种组合的方向判断。下一步把预应力筋线形图和有效预应力整理出来,在同一张图上把主弯矩和次弯矩分开画,再定组合系数。
