PREC软件的功能介绍及其在预应力 混凝土结构设计中的应用
邵光信
中国建筑科学研究院 建筑工程软件研究所
内容提要：
一、预应力结构设计基本概念介绍；
二、PREC软件功能模块介绍；
三、PREC软件计算分析的依据及其流程；
四、用PREC软件做预应力结构设计应注意的问题；
五、结合具体工程介绍如何利用PREC软件做预应力结构设计。
• 可以考虑预应力次轴力对预应力构件承载力的影响
2、三维预应力结构设计
PREC软件利用PMCAD进行全楼建模，输入结构布置 信息和荷载信息，并输入预应力设计的有关信息， 用户可根据结构布置和荷载状况进行预应力筋线型 布置并可人工修改。 预应力三维计算模型采用高层建筑结构空间有限元 分析软件SATWE进行预应力结构整体分析，并针对 预应力计算要求进行扩展 程序在PMCAD建模后，通过人工或自动布置各层梁 的预应力筋线型，自动生成供三维分析用的等效荷 载
3、预应力楼板结构设计
预应力混凝土楼板设计模块的功能和特点： • 可以处理复杂形状的预应力板和各种工况的 荷载等； • 采用等效荷载法处理预应力作用，且逐束计 算预应力筋等效荷载和节点力，采用弹性板 壳有限元法进行分析计算，使结构分析模型 与实际情况接近；
3、预应力楼板结构设计
• 直接采用等效荷载计算的结果（综合内力），按单 位板宽进行抗裂、平均预压应力、挠度和抗冲切验 算，以及普通钢筋的配筋设计； • 可以计算任意预应力筋线形，在不同张拉方式下的 各种预应力损失和张拉伸长值； • 可自动统计锚具用量，并按实际线形统计预应力筋 的下料长度和下料根数； • 可输出预应力筋布置平面图、线形定位图和铺放顺 序图等。
吻合束与非吻合束
主弯矩、次弯矩、吻合束、线性转换的概念
线性转换：
超静定梁中，预加力产生的次弯矩是线形的，由 此引起的混凝土压力线和束筋重心线的偏离也是 线形的；而混凝土梁的压力线只与束筋的梁端偏 心矩和束筋在跨内的形状有关，与束筋在中间支 点上的偏心矩无关。由此可见，只要保持束筋在 超静定梁中的两端位置不变，保持束筋在跨内的 形状不变，只改变束筋在中间支点上的偏心矩， 则梁内混凝土压力线不变，亦即主弯矩不变，这 称为超静定梁中的预应力束筋的线性转换原则。
3)．抗裂与承载力验算
• 采用荷载效应标准组合进行正常使用阶段裂缝验 算，同时进行施工阶段裂缝验算，并验算梁的抗 弯极限承载力。计算以下三种工况下梁的控制弯 矩： • 工况1：荷载效应标准组合（恒载＋活载）＋预 应力等效荷载 • 工况2：自重＋预应力等效荷载 • 工况3：荷载设计值
3)．抗裂与承载力验算
线性转换图示
超静定结构次弯矩的工程意义
现代预应力混凝土超静定结构设计需要准确 地考虑次弯矩的影响；确切一点讲：
①、抗裂计算时，应考虑综合弯矩Mp，它是主弯矩 M1和次弯矩M2的综合迭加值； ②、强度计算时，应将次弯矩M2作为特殊的“内 力”，在荷载组合时迭加到设计弯矩中。
4、预应力结构设计的内容
1、二维预应力结构设计
• 二维结构计算可考虑预应力张拉次序对结构 的影响
• 可根据工程要求设置预应力张拉顺序，进行 张拉模型的定义和张拉过程的分析 • 可对张拉端的位置进行定义
1、二维预应力结构设计
• 用户可自己指定预应力筋的线形、布置和根数，也 可由软件自动布置和估算根数
• 现在软件新增了直接读取SATWE内力直接进行二维 预应力设计的功能 • 可以灵活定义张拉端的类型和位置
4、预应力施工图的绘制功能
• 施工图部分包括:
梁的剖面图
预应力筋束形图
张拉端和固定端的构造详图
局部承压验算
普通钢筋配筋图及剖面图
4、预应力施工图的绘制功能
4、预应力施工图的绘制功能
4、预应力施工图的绘制功能
4、预应力施工图的绘制功能
4、预应力施工图的绘制功能
4、预应力施工图的绘制功能
1、关于理解预应力的三种概念
②、强度概念
预应力钢材的抗拉强度约为普通钢筋的四倍，但一般来说价格则不 到普通钢筋的四倍。预应力钢材是更经济的材料。但高强钢材不能 有效地用于普通钢筋混凝土中，因为钢材的大应变会引起混凝土过 大的裂缝宽度，不能满足正常使用状态的要求，导致高强钢材不能 完全发挥其强度。 而给混凝土施加预加力后，混凝土和高强预应力钢材可以协同工作 至极限破坏状态，从而充分发挥了高强混凝土和预应力钢材的材料 强度。
PREC软件不同模块的适用范围:
• PREC1 体形复杂的多高层建筑或交叉梁体 系 • PREC2 比较规则的框架结构、连续梁结构 及其厂房结构 • SLAB 预应力无梁楼盖结构、复杂板结构
三、PREC软件计算分析的 依据及其流程
ＰＲＥＣ软件的编制依据:
• • • 《混凝土结构设计规范》GB50010—2002 《建筑抗震设计规范》GB50011—2001 《预应力混凝土结构抗震设计规程》JGJ 140— 2004 《无粘结预应力混凝土结构技术规程》JGJ92— 2004 上海市标准《预应力混凝土结构设计规程》 DBJ08—69—97
主弯矩：预加力在每个截面上对重心轴 所产生的弯矩值称为主弯矩。 次弯矩：在超静定结构中，由于多余约 束的存在，约束了结构的变形，产生了赘 余反力，赘余反力在梁内引起的弯矩值称 为次弯矩。
主弯矩、次弯矩、吻合束、线性转换的概念
吻合束： 应用线形原理，将预应力束筋的重心线转 换至压力线上（即把由于次力矩引起的压 力线和束筋重心线之间的偏离调整掉）， 此时可以使预加力的总力矩不变，而次力 矩为零。称这种次力矩为零的束筋位置为 吻合束位置。
2、三维预应力结构设计
应用SATWE软件的核心计算模块对等效荷载 进行计算分析，获得结构的综合内力和次内 力，组合SATWE的恒、活、风、地震作用后， 进而确定出预应力筋和非预应力筋的用量。
三维分析计算完成后，可接续绘出预应力梁 的施工图。
3、预应力楼板结构设计
PREC软件的预应力混凝土楼板设计根据用户 输入的预应力筋的布筋形式及其数量，利用 板壳有限元进行计算分析，用户可通过各种 分析结果来判断该设计方案是否合适，并可 参考软件提供的普力筋的中点，则 预应力筋重心的曲线方程为：
4e 2 y 2 x l
由此，得出任一点剪力
8e Vx P 2 x l
由材料力学的概念可知，
dV x 8P e p 2 dx l
我们还可以从前面的图形中推导出如下两个有用 的概念： 保持预应力筋的形状不变，将其相对于梁的重 心线上下平行移动，那么该预应力筋对梁横向作 用的等效荷载不变，但两端偏心力距将随其偏心 距的变动而变化。
1、二维预应力结构设计
• 二维预应力计算提供了二维预应力框架和连续梁计算，可接续画出预 应力梁的施工图。 • 程序在PMCAD建模，并生成各榀框架和连续梁的预应力计算分析数据文 件。 • 程序可读取PK的数据文件，再补充输入预应力计算信息，或用交互方 式直接输入一榀框架后，生成PREC可计算的数据文件。 • 对每一榀框架和连续梁分别执行二维计算程序，最终计算出梁的预应 力和非预应力钢筋，经过适当的人工干预修改，再分别画出施工图。
二、PREC软件功能模块介绍
预应力混凝土结构设计软件包括:
三维整体预应力结构分析设计
二维框架、连梁预应力结构分析设计 预应力混凝土楼板有限元分析设计 各模块的预应力施工图绘制功能
对普通的以梁为主的结构形式，PREC软件为用户提供了 三维整体分析和二维框架连续梁计算两种计算分析模型， 对不同的实际工程，可任意选择使用。对板柱结构体系， PREC软件为用户提供了先进的有限元分析方法。
•
•
用PREC软件做预应力结构设计的流程
预应力混凝土结构 分析软件(三维)总体流程
结构模型建立
平面网格输入
结构构件定义
结构平面布置
结构荷载输入 施工荷载输入
结构组装
预应力板设计 荷载效应计算
1、关于理解预应力的三种概念
③、弹性概念
通过张拉预应力筋的回弹挤压，使预应力混凝土构件的截面受到某 种量值与分布的内压力，以局部或全部抵消使用荷载应力。在被张 拉的预应力筋中存在预拉应力。 这种概念把预应力看出是预先施加的永久性内应力，钢材中的拉应 力与混凝土中的压应力组成一个自平衡系统。这可以改善结构构件 的裂缝和变形性能，从而使构件更趋于一种弹性材料，提高了其耐 久性和正常使用性能。
一、预应力结构设计基本概念介绍
一、预应力结构设计基本概念介绍
1、预应力混凝土三种不同概念的理解 2、预应力等效荷载相关概念的理解 3、预应力次内力概念的理解 4、预应力结构设计的内容
1、关于理解预应力的三种概念
①、等效荷载概念
预应力筋对混凝土结构的作用力可以将其分解和简化后视为外荷载 考虑。预应力筋引起的等效竖向分布力和水平分力可由预应力筋的 曲率和倾角计算确定。预应力筋引起的等效竖向分布力和水平分力 一起使混凝土结构保持静力平衡，是自平衡的力系。 将预应力筋的作用力视为外荷载作用在结构上进行分析的方法通常 成为等效荷载法。它的概念明确易懂，是目前最常用的概念。
1)．计算模型及参数 2)．预加力效应分析 3)．抗裂与承载力验算 4)．局部承压验算
1)．计算模型及参数
确定梁柱外形和截面尺寸、墙体厚度、层 高等信息，选择合适的结构设计参数和预 应力参数。
2)．预加力效应分析
选择预应力工艺类型，预应力筋的形状， 张拉控制应力，计算长短期预应力损失； 计算预应力引起的等效荷载，计算综合弯 矩和次弯矩。
• • • • • • a．预应力梁正截面抗裂验算 b．预应力梁斜截面抗裂验算 c．抗弯承载力验算 d．挠度验算 e．抗剪承载力验算 f．施工阶段抗裂验算
4)．局部承压验算
选择合适的锚具，确定锚固区的构造配筋， 进行局部承压验算。
预应力相关概念的总结