21.6 m預應力混凝土框架梁結構設計

齊 秋 波

(合肥市規劃設計研究院，安徽 合肥 230041)

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21.6 m預應力混凝土框架梁結構設計

齊 秋 波

(合肥市規劃設計研究院，安徽 合肥 230041)

以某公共建筑工程為例，從預應力筋布置、內力計算、預應力筋與非預應力筋的確定等方面，闡述了預應力混凝土框架梁的結構設計方法，并總結了一系列設計經驗，為同類工程結構設計提供參考。

混凝土框架梁，預應力筋，結構設計，裂縫寬度

1 工程概況

某公共建筑為6層鋼筋混凝土框架結構房屋，底層層高6 m，2層層高5.4 m，3層層高5.1 m，4層～6層層高4.6 m，平面尺寸為37.7 m×29.5 m。2層，3層樓面活荷載標準值為5 kN/m2，其他樓層活荷載標準值按規范取值，基礎采用柱下樁基，抗震設防類別為乙類，鋼筋混凝土框架抗震等級為二級，抗震設防烈度為7度(抗震措施8度)，設計基本地震加速度值為0.10g(第一組)。該工程東(右)面及南(下)面均有已建建筑，為充分利用該地塊，擬建建筑緊貼已有建筑布置。平面(2層)布置如圖1所示。

根據使用功能要求，1層～4層中間21.6 m×27.0 m的范圍內為開敞的大空間，不得設柱。在此大空間內若采用普通混凝土梁板結構設計，則21.6 m跨的框架梁截面要比其他小跨的梁截面

大得多，這會對使用空間造成很大影響，且影響到設備管道的布置。為使結構設計更好的滿足建筑及使用功能的要求，對21.6 m跨的框架梁采用預應力混凝土主梁，在其他軸跨采用普通混凝土框架梁的結構方案。

2 結構設計

下面以2層③軸線預應力框架梁的要素來進行說明，其他樓層雷同。

2.1 結構選型

為了保證結構具有足夠的承載力、剛度和抗裂性以及抗震要求和延性，有效控制使用荷載作用下的裂縫和撓度，本工程采用有粘結后張部分的預應力混凝土框架結構，采用預應力筋與非預應力筋混合配筋。預應力框架主梁設計成容許開裂(分析程序的裂縫計算公式)的部分預應力結構，既滿足使用要求，又經濟合理，此結構結構性能好且在大震作用時具有較高的延性。

2.2 預應力筋的布置

由于本工程的南面緊貼已有建筑，只能在北面進行一端張拉，南面梁端設為預應力筋的錨固端，在21.6 m跨段預應力筋的曲線坐標與該段梁的外荷彎矩圖相近，這樣構件受力較為合理，該跨預應力筋曲線的反彎點設在跨段的1/10處，預應力筋束形控制點的保護層厚度取55 mm;而在5.2 m跨段由于該跨較小，預應力筋線型按變曲率后順接直線段布置在梁中部，然后伸出柱端，作為張拉端。預應力筋線型曲線盡量平緩，這樣預應力損失相對較小，預應力筋線型見圖2。

2.3 內力計算

21.6 m跨部分預應力混凝土梁的截面高度取h=1 300 mm，高跨比為1/17；梁寬根據預應力筋和錨具的安放要求取b=500 mm，現澆樓板厚110 mm,預應力梁混凝土強度等級均為C40。本工程結構計算采用中國建筑科學研究院編制的PK，PM(PREC)系列電算軟件。 結構計算算得：跨中最大彎矩設計值為4 732 kN·m,梁端最大彎矩設計值為5 118 kN·m。

2.4 預應力筋和非預應力筋的確定

框架梁預應力筋采用低松弛鋼絞線φs15.2，fptk=1 860 MPa，fpy=1 320 MPa；非預應力筋縱向筋為Ⅲ級鋼筋，箍筋為Ⅰ級鋼筋，孔道留設采用金屬波紋管。 預應力筋張拉控制應力：

σcon=0.7fptk=0.7×1 860=1 302 MPa。

框架梁最大彎矩設計值發生在梁端，即控制彎矩。由于程序自動估算的預應力筋用量往往偏大，設計人員應根據經驗及估算將預應力筋用量調整到合適的用量，筆者認為，一般情況下可按預應力筋承受75%～85%的控制彎矩值來估算預應力筋數量，本工程據此算得約需預應力筋2×11φs15.2，將此值輸入程序后算得：梁上部需普通鋼筋3 600 mm2，梁下部需普通鋼筋1 600 mm2。考慮到預應力混凝土結構從澆筑到張拉完畢有很長的過程，而且在此期間因混凝土的脹縮、支撐的沉降、配筋構造等因素的影響，因此梁上部普通鋼筋實配8φ25，梁下部普通鋼筋實配10φ25。預應力度:

由于PK，PM(PREC)電算軟件的裂縫寬度公式為簡支構件(即規范公式)，框架梁直接套用不合適，此處需結合實際經驗，裂縫寬度限值按0.2 mm控制。預應力筋產生的反拱基本抵消了外荷載及自重產生的撓度，計算出撓度15.6 mm，底層框架柱的最大軸壓比為0.56。

2.5 構造措施

本工程采用先穿預應力筋后澆梁混凝土的施工方法，由于預應力筋較長，為二跨多波二次曲線，梁柱結點處鋼筋較多，當預應力鋼束與梁柱的普通鋼筋相碰時應保證預應力鋼束位置不變,普通筋位置適當調整。預埋波紋管(2根波紋管并排，直徑均為90 mm)的定位坐標應詳細，在波紋管的轉角處穩定波紋管的井字架間距需適當加密。

與預應力框架梁垂直方向的普通框架梁，其側向筋即腰筋宜適當加強，這是由于預應力框架梁在張拉時會有軸向變形，會對與預應力框架梁垂直方向的普通框架梁產生側向效應，效應大時會導致該普通框架梁側面開裂。

張拉端及錨固端OVM型錨具的安放應避開框架柱的縱筋，框架柱的縱筋宜盡量布置在柱的四角。

本工程在框架梁混凝土強度達設計強度的80%后,方可張拉預應力筋，采用一端對稱張拉，張拉程序：0→0.1σcon(5 min)→1.05σcon(2 min)→σcon(錨固)。預應力筋張拉后，孔道應及時(張拉后14 d以內)灌注水泥漿，水灰比宜為0.40～0.45，為增加孔道灌漿的密實性,須摻入水泥用量5%的JEA-S膨脹劑；灌漿前孔道應濕潤、潔凈;灌漿應緩慢均勻地進行并排氣通順;灌漿后應從檢查孔抽查灌漿的密實情況，如不密實應采用二次灌漿。灌漿結束后，沖洗錨具周圍混凝土并鑿毛，澆筑封端混凝土。

3 設計體會

1)后張預應力框架梁能增加混凝土結構的經濟跨度，特別適用于大跨度結構中，可節約大量投資資金，降低造價。為大柱網、大開間的使用創造了條件，且降低了樓層中主次梁高度，提高了層高凈空利用率，增強了建筑結構的整體性和抗震性能。

2)選擇布置合適的預應力筋曲線及張拉與錨固端的位置，預應力筋的曲線坐標要與該段梁的荷載彎矩圖相近，調整預應力筋的曲線形態使預應力筋的各項預應力損失力求最小；預應力筋張拉及錨固端的位置要考慮施工方便和安全。

3)對計算出的裂縫寬度應全面分析，程序在進行框架梁的裂縫計算時，其計算公式采用GB 50010—2010混凝土結構設計規范的公式，而該公式僅適用單向簡支受彎構件，與框架梁的實際受力情況不符，與預應力框架梁的實際受力情況更不符，用該公式計算出的裂縫值遠大于工程實際值，從而導致框架梁端實配鋼筋偏大。《混凝土結構設計規范》中對預應力結構的最大裂縫寬度的限值比普通混凝土要嚴，但規范的本意是對采用預應力鋼絲、鋼絞線及預應力螺紋鋼筋的預應力混凝土構件，考慮到鋼絲直徑較小等原因，一旦出現裂縫會影響結構耐久性，故適當加嚴。規范同時指出，對混凝土保護層厚度較大的構件，當在外觀的要求上允許時，可根據實踐經驗，對規范的裂縫寬度允許值作適當放大。因此，在實際工作中可根據具體情況對預應力框架梁的裂縫寬度允許值作出適當調整。

4)框架柱的軸壓比限值：保證框架柱在大震作用下具有一定的延性性能，對于整個結構來說是至關重要的。框架柱的軸壓比值是決定框架延性的一個重要因素，軸壓比越低則柱子的延性越好，在延性框架的設計中除加強框架柱的配筋構造外，另一個重要的手段就是控制框架柱的軸壓比。一般情況下，預應力結構的底層框架柱的軸壓比宜控制在0.6以內。

5)本工程的預應力框架的施工與張拉均很順利，已交付使用多年，建設使用單位反映良好。

[1] 華東預應力技術聯合開發中心.部分預應力混凝土現澆多層框架結構設計與施工[Z].

The structure design of 21.6 m pre-stressed concrete frame beam

Qi Qiubo

(HefeiCityPlanningDesignandResearchInstitute,Hefei230041，China)

Taking a public construction engineering as an example, from the pre-stressed reinforcement layout, inner force calculation, pre-stressed reinforcement and non-pre-stressed reinforcement determination and other aspects, elaborated the structure design method of pre-stressed concrete frame beams, and summarized a series of design experience, provided reference for similar engineering design.

concrete frame beam, pre-stressed reinforcement, structure design, crack width

1009-6825(2016)11-0028-02

2016-02-01

齊秋波(1957- )，男，高級工程師

TU378.4

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