預應力混凝土梁式轉換層與桁架轉換層結構設計研究

摘要：高層建筑中采用預應力技術可帶來許多結構和施工上的優點，如減小截面尺寸、控制裂縫和撓度，控制施工階段的裂縫及減輕支撐負擔等。本文對預應力混凝土梁式轉換層與桁架轉換層結構設計進行了研究。

關鍵詞：高層建筑；轉換層；結構設計

近年來我國高層建筑發展迅速，現代高層建筑越建越高、越建越大，其建筑向著體型復雜、功能多樣的綜合性方向發展，目的在于為人們提供良好的生活環境和工作條件。在同一座建筑中，沿房屋高度方向建筑功能要發生變化，這種不同用途的樓層需要采用不同形式的結構。高層建筑轉換層結構中采用預應力技術的情況越來越多。預應力混凝土結構非常適合于建造承受大荷載、大跨度的轉換層，且有自重輕，節省鋼材和混凝土的優點。

1 預應力混凝土梁式轉換層

1、預應力混凝土轉換梁

預應力混凝土轉換梁可分為托墻和托柱兩種形式。托柱形式的轉換梁內力計算可直接采用桿系有限元法，截面設計與一般框架梁相同。托墻形式的轉換梁需進行局部應力分析，配筋按偏心受拉構件計算，并輔以應力配筋法。轉換梁的截面尺寸常常由抗剪承載力控制的，施加預應力能夠提高其抗剪承載力，但截面尺寸減小的幅度要比普通框架梁要小。預應力混凝土轉換梁的設計步驟可歸納為：(1)選擇截面形式和截面尺寸；(2)采用現有結構分析軟件計算各截面在各種工作情況下的內力；(3)預應力鋼筋數量的估算及其形狀的確定；預應力鋼筋數量的估算可利用荷載平衡法來設計，即選擇需要被預應力鋼筋產生的等效荷載“平衡”掉的荷載。一般地說，當活荷載較小時，平衡荷載宜選“全部或部分恒載”；當活荷載較大時，宜選“全部恒載十部分活載”。(4)計算預應力損失，校正初始假定值，得到預應力鋼筋的有效預應力；(5)計算等效荷載，利用計算機程序計算各截面次內力；(6)驗算各控制截面的極限承載力，確定非預應力鋼筋的數量；(7)使用階段抗裂、變形驗算；(8)局部受壓承載力驗算。

2、預應力鋼骨混凝土轉換梁

鋼骨混凝土轉換梁是在鋼筋混凝土梁中埋置型鋼或焊接工字鋼，形成一體，共同發揮作用的組合梁。對鋼骨混凝土轉換梁施加預應力具有下列優點：（1）避免非結構裂縫的出現與鋼筋混凝土轉換梁相比，由于鋼板表面光滑，與混凝土之間的粘結力不足，發生在鋼骨拉壓部分的混凝土橫向裂縫寬度一般比鋼筋混凝土梁表面裂縫大，施加預應力可有效地控制橫向裂縫。(2)增加長期使用的耐久性鋼骨混凝土梁中的混凝土外包鋼骨使其免受環境的侵蝕，施加預應力可有效地限制裂縫的出現或控制裂縫的開展，對鋼骨混凝土梁的耐久性是有益的。(3)改善轉換梁的受力性能施加預應力產生的軸向壓力可提高轉換梁的受剪承載力。預應力鋼筋取代相當數量的非預應力筋，避免非預應力鋼筋過多造成的混凝土與鋼骨之間粘結力的下降。(4)鋼骨混凝土梁有利于結構抗震用鋼骨混凝土梁替代一般鋼筋混凝土梁，可減小截面高度，改善造成短柱的情況，使柱子的延性有所提高。鋼骨混凝土梁的鋼骨部分，在承載力極限狀態下，由于鋼有較強的塑性性能(不包括型材薄壁情況)，進入塑性階段仍具有較高的承載能力，因此具有一定的延性，起到耗能效果，提高抗震性能，避免脆性破壞，這是一般鋼筋混凝土梁難以比擬的。鋼骨部分腹板能吸收較大的剪力，從而減輕混凝土部分的負擔，提高鋼骨混凝土梁的抗剪承載力。梁混凝土的完整性，在支座處也增加了對柱子節點區域的約束作用，提高了節點延性。因此鋼骨混凝土梁有利于結構的抗震。

3、預應力混凝土曲線轉換梁

眾所周知，曲線梁與直線梁是不同的，簡支直梁在非偏心的豎向荷載作用下，扭矩引起的變形和內力均為零；同樣，在扭矩荷載的作用下，涉及彎矩因素的變形和內力均為零。在豎向荷載作用下，曲線梁中的扭矩是不可以忽略的。轉換曲梁與曲線梁橋也有很大的不同。曲線梁橋按結構體系分類一般有靜定懸臂梁、簡支超靜定曲線梁、連續曲線梁橋等等，其超靜定結構中的支承一般采用抗扭簡支支座，而轉換梁一般采用普通的梁柱連接方式。曲線梁橋很寬，而轉換梁的寬度一般要受到柱寬度的限制。另外，曲線梁橋的荷載形式與轉換梁也不相同，對托柱形式的轉換曲梁上作用相當大的集中荷載。

綜上所述，曲線轉換梁與直線轉換梁受力特征是不同的。在曲線轉換梁中施加預應力對抗彎和抗剪、抗扭都有利。對受彎構件，施加預應力可在裂縫及撓度得到有效控制的前提下顯著地降低梁高。對曲線梁的抗扭，施加預應力具有特殊的優勢，可以利用其抵抗部分甚至全部外扭矩。

2 預應力混凝土桁架轉換層

采用桁架替代轉換梁來承托上部結構傳來的巨大豎向荷載不僅使充分利用該轉換層的建筑空間成為可能，同時也使結構設計更為合理。它可以避免將較大的內力集中于一根大梁上，也可避免大梁造成的“強柱弱梁”的后果，對提高結構的抗震性能有利。但當轉換桁架的跨度或承擔的豎向荷載較大時，勢必會造成下弦桿的軸向拉力進一步增大，采用普通鋼筋混凝土不能滿足轉換結構抗裂要求時，一般可以考慮在桁架下弦桿施加預應力，形成預應力混凝土桁架。

在轉換桁架中采用預應力技術概念類似于屋架受拉的下弦桿中施加預應力。由于轉換桁架的上、下弦桿與剛度極大的樓面整澆，使桁架斜腹桿傳遞下來的水平推力由樓面分配到建筑物的各抗側力構件上，這些“附加力”的影響范圍主要是集中在角區，如果能隨著建筑物不斷增加的施工荷載，在力N的形成、增大過程中，同步張拉配置于桁架下弦的預應力筋，在該處提供一對與推力N大小相等方向相反的力，就可以在角區就地完成力的平衡，中斷或減小通過樓面向外傳遞的荷載。

在受拉的腹桿中也可施加預應力，若能在受拉腹桿中形成折線形預應力鋼筋布置則更為合理。為減小桁架在施工張拉階段與使用階段之間受力狀態的差異，解決超靜定結構受力狀態變化且內力變幅過大時，構件間變形難以協調，以致開裂的問題，預應力桁架轉換層結構宜采用擇期張拉工藝施工。擇期張拉技術是指分期分批施加預應力或選取經計算合適的施工樓層進行張拉，在此之前轉換桁架下的支撐必須加強。采用“擇期張拉”法張拉施工時，為避免因轉換桁架下弦長度大，預應力筋長時波紋管破損而導致漏漿和孔道堵塞的現象，預應力筋可在下弦混凝土澆筑前就穿入金屬波紋管中，但此時必須采取有效的措施保護孔道內預應力鋼筋在施工期間不生銹。

轉換桁架下弦桿的預應力度的取值不宜過高，以避免因張拉預應力給桁架及上、下層框架帶來較大的次內力。考慮到桁架轉換層是整個結構受力的關鍵部位，對裂縫的控制要求較高，而且轉換桁架恒載的比重較大。混凝土強度等級對預應力桁架轉換層來說是至關重要的，因為斜腹桿是受壓構件和下弦施加預應力，建議預應力桁架轉換層的混凝土強度等級不應低于C40。由于預應力桁架轉換層結構在桁架節點區(特別是預應力錨固區)鋼筋稠密，混凝土應充分搗實，以防止錨固區混凝土局部破壞和節點發生破壞。施工時應對典型節點鋼筋按圖試綁，以防節點處鋼筋“打架”，然后成批下料，全面施工。為防止預應力高強混凝土轉換桁架下弦端部受壓區混凝土由于預應力而出現沿構件長度方向裂縫，其局部受壓承載力應按高強混凝土結構技術規程中的有關規定進行計算。

參考文獻

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