高層建筑結構無粘結預應力混凝土樓板設計探討

王志華

（中國建筑西南勘察設計研究院,四川 成都610000）

前言

在高層建筑中，采用無粘結預應力技術,不但可以降低層高及建筑物的總高度,減少結構在水平荷載作用下的反應,而且能降低房屋的運行費用,能產生顯著的經濟效果。因此,本文作者就高層建筑結構無粘結預應力混凝土樓板設計進行了分析。

1.設計計算基本原理

采用荷載平衡法設計后張無粘結預應力樓板是當前國際上普遍采用的計算方法,此法概念清楚,計算簡單,有利于控制結構撓度,而且有足夠的精度。荷載平衡法的基本原理就是通過張拉預應力鋼筋產生的等效荷載來平衡作用在構件上的一部分荷載,包括全部靜荷載及少量的活荷載,以求達到受彎構件在此階段不產生撓度。等效荷載之所以只平衡一部分活荷載,是因為在大多數結構中,按規范規定的全部活荷載一般很少發生。由預應力平衡靜荷載及全部活荷載,則結構會產生一個永遠向上的反拱,該反拱還會因徐變作用隨時間進一步增長。因此,所平衡的荷載最好是靜荷載加上經常發生的且不超過50%的活荷載。

要平衡掉外荷載就需要選擇一個預加力和它的c1g1s(預應力筋合力作用線)曲線,使它產生的反向等效荷載正好和外荷載相等,這樣受彎構件就處于均勻受壓狀態。等效荷載由兩部分組成,其一是通過錨具在端部產生的結點荷載,一般稱其為等效結點荷載;其二是由于預應力筋線型改變產生的集中和分布荷載,一般稱其為線性等效荷載。

當構件配置拋物線預應力筋時,其等效荷載按下列公式進行計算:

式中qe:預應力筋產生的作用于構件上的分布力;Npe:預應力筋產生的作用于構件上的總有效預加力;σpe:預應力筋的有效預應力;f:拋物線預應力筋的有效矢高;l:構件計算跨度。

如果板上的外荷載比較大,則差額部分荷載猶如作用在勻質彈性板上一樣,在開裂之前,附加的應力可按下式計算:

式中:σpc未平衡的差額荷載在構件中引起的應力;M:差額荷載(等效荷載平衡之外)引起的彎矩;I0:換算截面慣性矩。

在超靜定中,張拉預應力引起的變形受到約束將引起次反力,由次反力產生的彎矩為次彎矩,后張預應力混凝土超靜定結構,在進行正截面受彎承載力計算及抗裂驗算時,在彎矩設計值中次彎矩應參加組合。

按彈性分析計算時,次彎矩宜按下列公式計算:

式中Np:預應力鋼筋及非預應力鋼筋的合力;epn:凈截面重心至預應力鋼筋及非預應力鋼筋合力點的距離;M1:預加力對凈截面重心偏心引起的彎矩值;Mr:由預加力的等效荷載在結構構件截面上產生的彎矩值。

在進行正截面承載力計算時,按下列公式計算:

式中M:計算截面上的彎矩設計值。

Mu:構件正截面受彎承載力設計值。

在對截面進行受彎承載力計算時,當參與組合的次彎矩對結構不利時,預應力分項系數取1.2;有利時取1.0。

2.基本設計步驟

無粘結預應力樓板設計,一般遵循下列步驟;a.確定混凝土強度等級及板厚;b.確定不同階段混凝土拉應力允許值[σ];c.確定由等效荷載平衡掉的外荷載;d.根據所要平衡的荷載值及線形可確定預加力,進而可確定預應力筋數量;e.計算在等效荷載及使用荷載作用下的板面應力設計值σd;f.抗裂驗算應符合σd≤[σ],當不符合時,應增加預應力筋數量,重新驗算;g.受彎承載力計算應符合M≤Mu,當不滿足時,應采用預應力筋補足,M為彎矩設計值,Mu為承載力設計值;h.按部分預應力概念進行樓板截面設計,采用預應力筋和非預應力筋混合配筋,以利于提高結構的延性和抗震性能。

3.設計參數選擇

3.1.樓板厚度

由于預應力混凝土板的撓度比鋼筋混凝土板的撓度小得多,因此,樓板的跨高比可盡量大些,以使結構輕巧、美觀、經濟。根據國內外無粘結預應力平板的工程實踐經驗,跨高比宜采用:單向連續板40～50、單向簡支板35～40,柱支撐雙向板40～45,周邊支撐連續雙向板40～50,周邊支撐簡支雙向板40～55,雙向密肋板 30～35。

3.2.荷載標準值

樓面:恒荷(包括樓板自重、隔墻等效的均布荷載及樓面裝修荷載);活荷載(GB50009,上人屋面2.0KN/m2,不上人屋面取0.5KN/m2)。

3.3.材料力學指標

混凝土強度等級高于C30,一般情況下,采用C40;無粘結預應力筋一般采用高強度低松弛鋼絞線,其性能應符合國家現行標準《預應力混凝土用鋼絞線》GB/T5224的規定。

3.4.張拉控制應力及預應力損失

根據GB50010要求,對采用鋼絲,鋼絞線的后張結構,其σcon應小于0.7fptk,采用熱處理鋼筋的后張法構件其σcon應小于0.65fptk。

無粘結預應力筋的有效預應力按下列公式計算:

式中:σcon無粘結預應力筋張拉控制應力;σIn:第n項預應力損失。

各項預應力損失按"無粘結預應力混凝土結構技術規程"要求計算,無粘結預應力筋損失不應小于80N/mm2。由于預應力損失值的計算十分繁瑣,同時也難以做到精確,為簡化起見,參照國內外的工程實踐經驗,總預應力損失有建議也可近似計算為:

4.內力分析極其有關問題

4.1.引起附加內力

4.1.1.豎向構件的不均勻變形對預應力樓板內力的影響:分析表明,由于豎向構件間存在不均勻的軸向變形,對樓板內力產生影響,并且這種影響隨建筑物高度的增加而增加,尤其對于框筒結構,由于外框架柱的軸壓比要比內筒大得多,因此兩者變形差可能較大,這時,在預應力樓板設計應充分考慮到豎向構件間的沉降差對樓板內力的影響

4.1.2.水平力對樓板內力的影響:在高層建筑結構中,水平荷載組合通常起控制作用。水平荷載的作用將在板內產生正負交變彎矩。一般情況下,對樓板施加預應力主要是用于承受豎向荷載。因此,樓蓋結構采用預應力技術時,整個結構應有較大的抗側剛度抵抗水平荷載的作用以使板內預應力筋主要承受豎向荷載

4.1.3.邊緣構件的約束對預應力樓板內力的影響:由于柱子或墻體的剛度很大,對樓板施加預應力時,一部分力將傳給柱子或墻體,因此在樓板設計中也應充分考慮到邊緣構件的約束作用對邊緣構件自身以及對樓板內力的影響

4.1.4.預應力樓板對邊緣的扭轉作用:傳統小開間樓板,對邊梁的扭轉可以忽略不計,但大跨度的預應力樓板對邊梁的扭轉的影響卻十分顯著,因此在預應力樓板設計時應同時考慮邊梁的設計問題,邊梁設計時應按彎剪扭復合受力構件進行計算。

5.設計中應注意的問題

預應力技術是一門綜合的高新技術,它包括科研、設計、施工、測試等幾個方面,設計時應全盤考慮,一個好的設計應注意運用最新的科研成果。當然,原材料的選擇、施工方案的選擇及測試要求等都應綜合考慮。有效預應力的建立是設計過程中的一個關鍵性問題,其中預應力總損失的計算甚為關鍵,原則上預應力的各項損失應按規范計算,當有豐富的施工經驗時亦可估算。伸縮縫的設置。現代建筑的平面不斷增大,伸縮縫問題日益突出,從理論上說只要預應力筋是連續的就可不設縫,但要注意大噸位張拉可能帶來的一系列問題及預應力損失過大等,因此,綜合考慮長度在150m內的預應力混凝土樓板不設縫還是可行的。但這時要重點考慮混凝土開裂問題,具體可采取以下措施:優化混凝土配合比;適量摻入混凝土膨脹劑;合理設置后澆帶、膨脹帶及伸縮縫;配置適量溫度筋,加強混凝土養護,尤其需要蓄水養護。

6.結束語

無粘結預應力混凝土采用高強材料、先進的預應力工藝和先進的設計方法,節材效果大,結構功能好,最適合建造大柱網、大開間、大空間的建筑樓板。高層建筑樓、屋蓋采用無粘結預應力技術,不僅可以降低層高及建筑物的總高度,減少結構在水平荷載作用下的反應,而且能降低房屋的運行費用,能產生顯著的經濟效果。

[1]趙夕來.無粘結預應力樓板新規范設計方法[J].安徽建筑工業學院學報(自然科學版).2005年05期.

[2]張國慶.后張無粘結預應力混凝土結構的性能分析[J].安徽建筑工業學院學報(自然科學版).2005年06期.

[3]張旭宏,李成河,沈弼國.無粘結預應力樓板的設計方法分析 [J].黑龍江工程學院學報.2005年02期.