淺談預應力在大跨度框架梁中的應用

文／歐陽恒 廣東博意設計院有限公司長沙分公司 湖南長沙 410000

1、預應力混凝土結構概述

所謂預應力混凝土就是在混凝土構件承受使用荷載前的制作階段，預先對使用階段的受拉區施加壓應力，造成一種人為的應力狀態。當構件承受使用荷載而產生拉應力時，首先要抵消混凝土的預壓應力，然后隨著荷載的增加，受拉區混凝土產生拉應力，因此可以推遲混凝土裂縫的開展，以滿足使用要求，這種在結構構件承受荷載以前預先對受拉區混凝土施加壓應力的結構構件，就成為預應力混凝土構件。

2、工程概述

某學校配套體育館項目，為四層框架結構，建筑面積為4520m2,其中一層架空，二層、三層為食堂，四層為運動場，屋面為種植屋面，覆土300mm，運動場上方跨度為23.8m，結構設計使用年限50年，結構安全等級二級，抗震設防類別乙類，場地抗震設防烈度6 度?；镜卣鸺铀俣葹?.05g，建筑場地類別Ⅰ類，基本風壓為0.35KN/m2,地面粗糙度為B 類。

3、設計思路

3.1 結構方案選擇

方案一：采用常規混凝土框架梁，結構布置詳圖3.1.1。因為大跨度框架梁，我們按1/400 控制撓度，梁截面選取為650mm×2600mm，撓度控制在59mm，且梁底鋼筋超過了三排，凈高也不滿足建筑要求。

方案二：對比方案一，在大跨度方向增加次梁，結構布置圖3.1.2，以減少主框架梁的荷載，依然是按照1/400 控制撓度，梁截面選取為650×2400，撓度控制在59mm，梁底鋼筋控制在了兩排，凈高依然不滿足建筑要求。相較方案一，本方案成本更高，控制梁高的效果不理想，而且密集的大梁使得體育館上空更顯壓抑。

圖3.1.2

方案三：采用預應力混凝土框架梁，結構布置詳圖3.1.1。梁截面控制在了650mm×2000mm，撓度控制在57mm，梁底鋼筋控制在了兩排。因左側樓梯上空懸挑梁與右側大跨度框架梁受力差別較多，考慮到預應力施工的特殊性，為了避免配筋遠大于受力要求，造成超筋以及預應力度不滿足要求，故本次設計將左側部分屋面下沉，與預應力屋面錯開1.5m，預留大跨度預應力框架梁的張拉施工空間。同時預應力梁與懸挑梁有500mm 的重疊區域，保證了懸挑梁彎矩能夠將一部分彎矩傳遞到內跨大跨度框架梁。本次就以運動場上方的大跨度框架梁，來談一談后張法預應力結構在房建中的應用。

圖3.1.1

3.2 預應力梁的設計

結構型式采用框架結構，與預應力相連的結構柱截面尺寸為1100mm×550mm，柱混凝土等級為C35，預應力梁截面取650mm×2000mm，預應力梁混凝土等級為C45，其余構件采用C30，預應力筋采用φS15.2 低松弛預應力鋼絞線，預應力筋強度標準值1860Mpa,非預應力筋采用HRB400 鋼筋。屋面荷載取值恒載為9kN/m2,活載取3.0kN/m2。

本工程采用PKPM 結構設計軟件中三維預應力模快設計，應力效應按荷載平衡法估算。以YKLa 為例，根據YKLa 的受力特點預應力束采用拋物線型，考慮到張拉施工，兩端張拉端的高度設置在梁面往下700mm，拋物線最低點設置在跨中部位距離梁底200mm，拋物線垂度e=700-200=500mm。荷載平衡法是把預應力鋼絲束看作是直接抵抗荷載，用鋼絲束對橫梁產生向上的壓力去平衡掉一部重力，通常這部分重力包括結構自重+恒載+30%～60%的活荷載。此時鋼絲束張力的合力通過孔道中心，對鋼絲束兩端點連線的力矩正好平衡掉荷載在梁跨中的彎矩，由此可估算出預張拉力的大小。

圖3.2.1

設預應力筋能抵消全部結構自重+恒載+活載的30%,預估張拉力

采用φS15.2 低松弛預應力鋼絞線，單根Ap=140mm2，fptk=1860N/mm2，假定張拉控制應力取0.75 fptk，預估預應力損失為0.3σcon：

考慮到本工程，預應力僅用于減少大跨度梁的撓度裂縫，選用采用2-11φS15.2 進行PKPM 預應力模塊試算，經計算左右支座非預應力鋼筋As=4300 mm2，配置925，跨中底筋非預應力鋼筋As=10700mm2，配置1828。

核算支座預應力強度比：

核算梁底鋼筋面積：

根據設計配筋，復核梁的受彎承載力極限，根據PKPM電算結果，左支座最大負彎矩包絡為5839.5KN·m，右支座最大負彎矩包絡為4119.0KN·m，梁底最大彎矩包絡11795.8 KN·m，驗算YKLa 彎矩承載力（見圖3.2.2）滿足設計要求。

圖3.2.2

在設計承載能力滿足要求后，我們繼續對預應力結構梁的變形進行驗算，本此依然采用PKPM 結構設計軟件中的預應力模塊進行驗算，驗算結果詳見下圖3.2.3 ～圖3.2.5。

圖3.2.3

圖3.2.4

圖3.2.5

3.3 錨具的設計

錨具的選用，應根據預應力筋品種和錨固部位的不同來進行選用。本工程采用的是有粘結預應力鋼絞線，因此張拉端和固定的都應選用夾片式錨具。

本工程采用的是OVM 夾片式錨具（見圖3.3.1），該錨具主要用于先張、后張法施工的預應力混凝土結構中和構件中。該錨具體系具有良好的張放自錨性能，夾片跟進平齊，夾持性能穩定，錨固效率系數高，可選擇范圍廣，施工操作方便，廣泛應用于公路、鐵路及市政橋梁、房屋建設、水工建筑、電視塔、大型容器、巖錨和地錨等工程。

圖3.3.1 OVM 錨具M15-7

在預應力混凝土梁的設計中，錨具的設計屬于比較重要的一環。梁的截面尺寸的確定，除考慮結構方案、荷載等條件外，還應考慮預應力束及錨具的布置要求。

OVM 系列錨具選用原則根據圖集《 后張預應力混凝土結構施工圖表示方法及構造詳圖》(06 SG429 )來布置，本次選用的錨具為M15-11,孔邊距Ab≥170mm，孔中心距amin≥G+K=182mm,錨板直徑G=166mm。原梁寬滿足要求，孔道按照對稱布置的原則布置，布置詳見圖3.3.2。

圖3.3.2 預應力錨具布置圖

錨具的設計還需要進行混凝土的局壓驗算，本工程選用的OVM 系列錨具，它的抗壓性能是通過實驗確定的，所以本工程在選用OVM 系列錨具的時候，應按照圖集《 后張預應力混凝土結構施工圖表示方法及構造詳圖》(06 SG429 )中的面積來選用。本工程預應力梁的混凝土等級為C45，應根據圖集中C40 與C45 的受壓面積A0計算，插值計算可知局壓面積應大于等于145322mm2，根據圖3.3.2 可知局部受壓的計算底面積Ab=186177.665mm2，滿足局壓要求。

結語:

本次最終實施的為方案一，預應力混凝土結構的設計綜合考慮結構的變形、應力等特點，施工的場地、預應力張拉等多方面因素。對比普通混凝土結構，預應力混凝土結構梁砼標號較高，梁高較小，結構的截面尺寸變小、鋼筋使用數量明顯減少，而建筑的使用空間不變。