专利名称：一种全容式低温储罐预应力混凝土的实用配筋确定方法
技术领域：
本发明涉及混凝土外罐工程设计领域，本发明更具体地涉及一种全容式低温储罐预应力混凝土的实用配筋确定方法。
背景技术：
在全容式低温储罐的混凝土外罐工程设计中，由于国内还没有与之配套的相关规范，故只能采用国际上主要常用的欧美行业规范EN 14620和BS 7777及其它混凝土设计规范如EUR0C0DE、CEB-FIP model code 1990等。这些规范对混凝土的配筋计算有两种极限状态的要求承载力极限状态(ULS)和正常使用极限状态(SLS)。ULS状态验算外罐会不会倾覆、是否因超过材料强度而破坏、是否因过度的塑性变形而不适于继续承载和会不会丧失稳定而出现失稳破坏；SLS状态该状态验算外罐的变形、裂缝宽度和应力是否超过规定的限值，内罐严重泄漏时外罐壁是否满足致密性要求等。由于欧美混凝土规范与国内的设计方法还是有些差别的，比如材料分项系数是不同的，对SLS状态的要求也不一样(中国规范只有变形和裂缝宽度的要求，欧美规范还有应力的限值要求)。另外在低温储罐设计中，欧美的行业规范还规定了致密性的要求，即在内罐严重泄漏时混凝土受压区最小厚度不小于IOOmm或壁厚的10%，混凝土受压区的平均压应力不小于IMPa。由于中国国内的《混凝土结构设计规范》GB 50010规定的设计方法为承载力极限状态设计方法，计算公式都是基于承载力极限状态假定的，利用解方程组的方式来进行计算；规范没有提供SLS状态时的计算公式，故求不出上述欧美规范对SLS状态所要求的性能参数。另外，上述欧美规范仅提出了计算参数要求，而没有提供具体的计算方法，因而工程设计人员在实际执行过程中不易于实现，执行难度大。
发明内容
本发明目的在于提供一种全容式低温储罐预应力混凝土的实用配筋确定方法。所述方法从钢筋混凝土构件受力的基本原理着手，依据钢筋混凝土构件的平截面假定及混凝土和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配筋和荷载的情况下混凝土截面和钢筋的应力应变，然后判断是否满足承载力和使用状态的要求。本发明的这种实用配筋确定方法简单可行，精确有效。本发明采用如下技术方案来实现，提供一种全容式低温储罐预应力混凝土的实用配筋确定方法，包括如下步骤(I)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。、轴心抗拉强度标准值ftk、轴心抗拉强度设计值ft、轴心抗压强度标准值f;k、轴心抗压强度设计值f。、立方体抗压强度特征值;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Es、强度标准值fyk和强度设计值fy ；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Ep、fpk、f·、屈服后的二次刚度kEP和材料分项系数Y 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Ap、钢筋束中心到截面底部的距离dp、张拉控制应力及考虑预应力损失后的有效应力(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Nd、弯矩设计值Md及预应力组合系数Υρ ； (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Cl1和面积Asl、顶部钢筋的直径d2和面积As2。进而得到截面底部钢筋中心到截面底边的距离七和截面顶部钢筋中心到截面顶边的距离(1。2，按下列公式计算=Clca = Ci+di/2，dc2 =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 cl和顶部应变ε。2赋予初始值及取值范围ε cl fflax=O. 01，ε cl niin = - ε CU, ε c2 max = O. 01，ε c2jlin = _ ε cu，ε cl _、ε cljlin 为截面底部边缘应变取值范围的最大值和最小值，￡。2—_、L2 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 cl和顶部应变ε。2可得到钢筋的应变及截面任意位置处的应变值ssl=dcl(ySc2~Scl) +Scl
hSs2 = (h'+ Sc2
h
Γ_/Πdp(sc2-sci)丄ερ =」~--+ Scl其中，ε sl> 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:Ah = ~^
XN每个等分段的中心点到截面底部的距离为x(i) = —^― (2/ - I)
2XN混凝土截面每个等分段中心点的应变为ε( )=Χ( )'(ε^~ε^+εο1
h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fsl (拉正压负)，顶部钢筋的应力fs2 (拉正压负)，预应力钢筋的应力fp及混凝土的应力其中f；(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ftk时为零。(7)计算钢筋和混凝土的合力>当轴力Nd > 0，弯矩Md >= O时将以截面中心为计算点弯矩设计值Md转化为以截面底部边缘为计算点的弯矩设计值Md = Md+0. 5 · Nd · 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Fsl = fsl · Asl，Msl = Fsl · dclFs2 = fs2 · As2，Ms2 = Fs2 · (h_dc2)式中，Fsl为底部钢筋的合力，Fs2为顶部钢筋的合力，Msl为底部钢筋的合力到底部边缘的弯矩，Ms2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0 loss = fcon- Yp0 e_3] f' p = fp- O lossFp = (f' p- Y ρ σ e) * ApMp = Fp · dp式中，σ loss为预应力损失，fcon为张拉应变对应的设计应力，Γ p为扣除预应力损失后的有效应力，FpS预应力钢筋的合力变化值，Mp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 = X/c (/') · b · M 当 fc ⑴ > O 时
i=lMt = YjZc(I) -b-Ah- x(/)当 fc ⑴ > O 时
i=lFc = YjJc(I) ■ b · ΔΛ当 fc ⑴ < O 时
i=l=<0 时
i=l式中，Ft为混凝土截面拉应力的合力，F。为混凝土截面压应力的合力，Mt为混凝土截面的拉力到底部边缘的弯矩，Mc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 = Fsl+Fs2+Ft+Fc+Fp计算截面的弯矩的合力为M = Msl+Ms2+Mt+Mc+Mp(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乂进行比较，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L1和顶部应变ε。2，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仏进行比较，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L1和顶部应变ε。2，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，得到了在设计内力乂和吣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。
图I为本发明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的流程 图2是截面底部应变和顶部应变的计算模型示意图。
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明而不是对本发明的限制。依据本发明图I所示的第一具体实施例，利用下面的步骤实现全容式低温储罐预应力混凝土外罐的实用配筋确定方法。确定预应力混凝土外罐截面配筋设计的基本信息；获取混凝土截面计算内力；确定混凝土截面的钢筋布置方案；给混凝土截面底部应变和顶部应变赋初始值和限制值；计算钢筋和混凝土分段中心点处的应变；计算钢筋和混凝土分段中心点处的应力；计算钢筋和混凝土的合力；对轴力计算结果的收敛性判别；对弯矩计算结果的收敛性判别输出截面计算结果；判别输出结果是否满足设计要求。在确定预应力混凝土外罐截面配筋设计的基本信息中，进行预应力混凝土外罐截面配筋设计前，需事先确定下列基本信息，作为计算的基本参数。确定截面高度值h，截面宽度b，高度值h和宽度b单位为mm;确定截面底部和顶部混凝土保护层的厚度C1和C2 ;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。、轴心抗拉强度标准值ftk、轴心抗拉强度设计值ft、轴心抗压强度标准值f；k、轴心抗压强度设计值f。、立方体抗压强度特征值f ;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Es、强度标准值fyk和强度设计值fy ;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Ep、fpk、、屈服后的二次刚度kEP和材料分项系数Ys ;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Ap、钢筋束中心到截面底部的距离Clp、张拉控制应力。_及考虑预应力损失后的有效应力°e。在获取混凝土截面计算内力中，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Nd、弯矩设计值Md及预应力组合系数Yp。在假定混凝土截面的钢筋布置方案中，根据工程经验，先假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Cl1和面积Asl、顶部钢筋的直径d2和面积As2。进而得到截面底部钢筋中心到截面底边的距离L和截面顶部钢筋中心到截面顶边的距离de2,按下列公式计算del = Ci+d/2, dc2 = c2+d2/2。在给混凝土截面底部应变和顶部应变赋初始值和限制值中，计算步骤需要先给混凝土截面的底部应变ε cl和顶部应变ε。2赋予初始值及取值范围ε cl max = O. 01，ε cl min=-ε CU ε C2_max = O. 01，ε c2j]in = ~ ε cu, 6 (6 cl j]in为截面底部边缘应变取值范围的最 大值和最小值，￡。2_、ε。2 _为截面顶部边缘应变取值范围的最大值和最小值。在计算钢筋和混凝土分段中心点处的应变中，依据混凝土截面的应变平截面假设，由截面底部应变ε cl和顶部应变ε。2可得到钢筋的应变及截面任意位置处的应变值Ssl=dcl(ySc2~Scl) +Scl
hSs2 =+ Sc2
h
rmicldP (&2 ~ Sc\),ε = ~；-+ Scl
η其中，ε sl> 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:Ah = ~^
XN每个等分段的中心点到截面底部的距离为x(i) = —^― (2/ - I)
2XN混凝土截面每个等分段中心点的应变为g(/)=X(/>(g"~gJ+gcl
h式中，i为从截面底部算起的分段段号。在计算钢筋和混凝土分段中心点处的应力中，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(不同的规范有不同的应力-应变关系公式，依据采用的设计规范而定)，得到各应变对应的应力底部钢筋的应力fsl (拉正压负)，顶部钢筋的应力fs2 (拉正压负)，预应力钢筋的应力fp及混凝土的应力1(1)。注￡。(1)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ftk时为零。在计算钢筋和混凝土的合力中>当轴力Nd > 0，弯矩Md >= O时将以截面中心为计算点弯矩设计值Md转化为以截面底部边缘为计算点的弯矩设计值Md = Md+0. 5 · Nd · 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Fsl = fsl · Asl，Msl = Fsl · dclFs2 = fs2 · As2，Ms2 = Fs2 · (h-dc2)式中，Fsl为底部 钢筋的合力，Fs2为顶部钢筋的合力，Msl为底部钢筋的合力到底部边缘的弯矩，Ms2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0 loss = fcon- Yp0 e ' ρ = fp- σ lossFp = (f/ p-Ypoe) -ApMp = Fp · dp式中，σ loss为预应力损失，fcon为张拉应变对应的设计应力，Γ p为扣除预应力损失后的有效应力，FpS预应力钢筋的合力变化值，Mp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 = Y^fcH) · b · M当 ⑴ > O 时
i=l>0 时
i=l^当 f；⑴ < O 时
i=lMc = Z/c(/)Hx(/)当 fc ⑴ <0 时
i=l式中，Ft为混凝土截面拉应力的合力，F。为混凝土截面压应力的合力，Mt为混凝土截面的拉力到底部边缘的弯矩，Mc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 = Fsl+Fs2+Ft+Fc+Fp计算截面的弯矩的合力为M = Msl+Ms2+Mt+Mc+Mp>当轴力Nd > 0，弯矩Md < O时将以截面中心为计算点弯矩设计值Md转化为以截面顶部边缘为计算点的弯矩设计值Md= Md|+0. 5 *Nd*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Fsl = fsl · Asl, Msl = Fsl · (h-dcl)Fs2 = fs2 · As2，Ms2 = Fs2 · dc2式中，Fsl为底部钢筋的合力，Fs2为顶部钢筋的合力，Msl为底部钢筋的合力到顶部边缘的弯矩，Ms2为顶部钢筋的合力到顶部边缘的弯矩。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
0 loss = fcon- Y ρ 0 e ' ρ = fp- σ lossFp = (f' ρ- Y P σ e) * ApMp = Fp · (h-dp)式中，Oltjss为预应力损失，张拉应变对应的设计应力，f' 扣除预应力损失后的有效应力，FpS预应力钢筋的合力变化值，MpS预应力钢筋的合力变化值到顶部边缘的弯矩。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
权利要求
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。、轴心抗拉强度标准值ftk、轴心抗拉强度设计值ft、轴心抗压强度标准值f；k、轴心抗压强度设计值f。、立方体抗压强度特征值f；u ; 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Es、强度标准值fyk和强度设计值fy ； 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Ep、fpk、fQlk、屈服后的二次刚度kEP和材料分项系数Y 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Ap、钢筋束中心到截面底部的距离\、张拉控制应力及考虑预应力损失后的有效应力 (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Nd、弯矩设计值Md及预应力组合系数Υρ ； (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Cl1和面积Asl、顶部钢筋的直径d2和面积As2。进而得到截面底部钢筋中心到截面底边的距离Clca和截面顶部钢筋中心到截面顶边的距离(1。2，按下列公式计算=Clel = C1M^jClc2 = 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 cl和顶部应变ε。2赋予初始值及取值范围ε cl max =O.01, ε cl niin = - ε CU, ε c2 max = O. 01，ε c2jlin = _ ε cu，ε cl ■、ε cljlin 为截面底部边缘应变取值范围的最大值和最小值，ε _、L2 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Sca和顶部应变￡。2可得到钢筋的应变及截面任意位置处的应变值 其中，esl、ε s2为底部和顶部钢筋的应变，ερ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
2.根据权利要求I所述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，在步骤(I)中，当罐顶和底板设计不需要预应力钢筋时，其面积Ap取值为O ;在步骤(2)中，轴力设计值Nd的符号为使截面受拉为正受压为负，弯矩设计值Md的符号为使截面顶部受拉底部受压为正和顶部受拉底部受压为负。
全文摘要
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。
文档编号E04H7/20GK102661071SQ201210019559
公开日2012年9月12日 申请日期2012年1月20日 优先权日2012年1月20日
发明者姚国明, 张素枝, 李林凯, 李金光, 郑建华 申请人:中国寰球工程公司