21.6 m預(yù)應(yīng)力混凝土框架梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

齊 秋 波

(合肥市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，安徽 合肥 230041)

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21.6 m預(yù)應(yīng)力混凝土框架梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

齊 秋 波

(合肥市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，安徽 合肥 230041)

以某公共建筑工程為例，從預(yù)應(yīng)力筋布置、內(nèi)力計(jì)算、預(yù)應(yīng)力筋與非預(yù)應(yīng)力筋的確定等方面，闡述了預(yù)應(yīng)力混凝土框架梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，并總結(jié)了一系列設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，為同類工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

混凝土框架梁，預(yù)應(yīng)力筋，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)值為5 kN/m2，其他樓層活荷載標(biāo)準(zhǔn)值按規(guī)范取值，基礎(chǔ)采用柱下樁基，抗震設(shè)防類別為乙類，鋼筋混凝土框架抗震等級為二級，抗震設(shè)防烈度為7度(抗震措施8度)，設(shè)計(jì)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(jù)使用功能要求，1層～4層中間21.6 m×27.0 m的范圍內(nèi)為開敞的大空間，不得設(shè)柱。在此大空間內(nèi)若采用普通混凝土梁板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(shè)備管道的布置。為使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(yù)應(yīng)力混凝土主梁，在其他軸跨采用普通混凝土框架梁的結(jié)構(gòu)方案。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

下面以2層③軸線預(yù)應(yīng)力框架梁的要素來進(jìn)行說明，其他樓層雷同。

2.1 結(jié)構(gòu)選型

為了保證結(jié)構(gòu)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(jié)后張部分的預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)，采用預(yù)應(yīng)力筋與非預(yù)應(yīng)力筋混合配筋。預(yù)應(yīng)力框架主梁設(shè)計(jì)成容許開裂(分析程序的裂縫計(jì)算公式)的部分預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，既滿足使用要求，又經(jīng)濟(jì)合理，此結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)性能好且在大震作用時(shí)具有較高的延性。

2.2 預(yù)應(yīng)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(jìn)行一端張拉，南面梁端設(shè)為預(yù)應(yīng)力筋的錨固端，在21.6 m跨段預(yù)應(yīng)力筋的曲線坐標(biāo)與該段梁的外荷彎矩圖相近，這樣構(gòu)件受力較為合理，該跨預(yù)應(yīng)力筋曲線的反彎點(diǎn)設(shè)在跨段的1/10處，預(yù)應(yīng)力筋束形控制點(diǎn)的保護(hù)層厚度取55 mm;而在5.2 m跨段由于該跨較小，預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力筋線型曲線盡量平緩，這樣預(yù)應(yīng)力損失相對較小，預(yù)應(yīng)力筋線型見圖2。

2.3 內(nèi)力計(jì)算

21.6 m跨部分預(yù)應(yīng)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(jù)預(yù)應(yīng)力筋和錨具的安放要求取b=500 mm，現(xiàn)澆樓板厚110 mm,預(yù)應(yīng)力梁混凝土強(qiáng)度等級均為C40。本工程結(jié)構(gòu)計(jì)算采用中國建筑科學(xué)研究院編制的PK，PM(PREC)系列電算軟件。 結(jié)構(gòu)計(jì)算算得：跨中最大彎矩設(shè)計(jì)值為4 732 kN·m,梁端最大彎矩設(shè)計(jì)值為5 118 kN·m。

2.4 預(yù)應(yīng)力筋和非預(yù)應(yīng)力筋的確定

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

σcon=0.7fptk=0.7×1 860=1 302 MPa。

框架梁最大彎矩設(shè)計(jì)值發(fā)生在梁端，即控制彎矩。由于程序自動估算的預(yù)應(yīng)力筋用量往往偏大，設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及估算將預(yù)應(yīng)力筋用量調(diào)整到合適的用量，筆者認(rèn)為，一般情況下可按預(yù)應(yīng)力筋承受75%～85%的控制彎矩值來估算預(yù)應(yīng)力筋數(shù)量，本工程據(jù)此算得約需預(yù)應(yīng)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?？紤]到預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)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(gòu)造等因素的影響，因此梁上部普通鋼筋實(shí)配8φ25，梁下部普通鋼筋實(shí)配10φ25。預(yù)應(yīng)力度:

由于PK，PM(PREC)電算軟件的裂縫寬度公式為簡支構(gòu)件(即規(guī)范公式)，框架梁直接套用不合適，此處需結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，裂縫寬度限值按0.2 mm控制。預(yù)應(yīng)力筋產(chǎn)生的反拱基本抵消了外荷載及自重產(chǎn)生的撓度，計(jì)算出撓度15.6 mm，底層框架柱的最大軸壓比為0.56。

2.5 構(gòu)造措施

本工程采用先穿預(yù)應(yīng)力筋后澆梁混凝土的施工方法，由于預(yù)應(yīng)力筋較長，為二跨多波二次曲線，梁柱結(jié)點(diǎn)處鋼筋較多，當(dāng)預(yù)應(yīng)力鋼束與梁柱的普通鋼筋相碰時(shí)應(yīng)保證預(yù)應(yīng)力鋼束位置不變,普通筋位置適當(dāng)調(diào)整。預(yù)埋波紋管(2根波紋管并排，直徑均為90 mm)的定位坐標(biāo)應(yīng)詳細(xì)，在波紋管的轉(zhuǎn)角處穩(wěn)定波紋管的井字架間距需適當(dāng)加密。

與預(yù)應(yīng)力框架梁垂直方向的普通框架梁，其側(cè)向筋即腰筋宜適當(dāng)加強(qiáng)，這是由于預(yù)應(yīng)力框架梁在張拉時(shí)會有軸向變形，會對與預(yù)應(yīng)力框架梁垂直方向的普通框架梁產(chǎn)生側(cè)向效應(yīng)，效應(yīng)大時(shí)會導(dǎo)致該普通框架梁側(cè)面開裂。

張拉端及錨固端OVM型錨具的安放應(yīng)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(qiáng)度達(dá)設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%后,方可張拉預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力筋張拉后，孔道應(yīng)及時(shí)(張拉后14 d以內(nèi))灌注水泥漿，水灰比宜為0.40～0.45，為增加孔道灌漿的密實(shí)性,須摻入水泥用量5%的JEA-S膨脹劑；灌漿前孔道應(yīng)濕潤、潔凈;灌漿應(yīng)緩慢均勻地進(jìn)行并排氣通順;灌漿后應(yīng)從檢查孔抽查灌漿的密實(shí)情況，如不密實(shí)應(yīng)采用二次灌漿。灌漿結(jié)束后，沖洗錨具周圍混凝土并鑿毛，澆筑封端混凝土。

3 設(shè)計(jì)體會

1)后張預(yù)應(yīng)力框架梁能增加混凝土結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)跨度，特別適用于大跨度結(jié)構(gòu)中，可節(jié)約大量投資資金，降低造價(jià)。為大柱網(wǎng)、大開間的使用創(chuàng)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(qiáng)了建筑結(jié)構(gòu)的整體性和抗震性能。

2)選擇布置合適的預(yù)應(yīng)力筋曲線及張拉與錨固端的位置，預(yù)應(yīng)力筋的曲線坐標(biāo)要與該段梁的荷載彎矩圖相近，調(diào)整預(yù)應(yīng)力筋的曲線形態(tài)使預(yù)應(yīng)力筋的各項(xiàng)預(yù)應(yīng)力損失力求最??；預(yù)應(yīng)力筋張拉及錨固端的位置要考慮施工方便和安全。

3)對計(jì)算出的裂縫寬度應(yīng)全面分析，程序在進(jìn)行框架梁的裂縫計(jì)算時(shí)，其計(jì)算公式采用GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的公式，而該公式僅適用單向簡支受彎構(gòu)件，與框架梁的實(shí)際受力情況不符，與預(yù)應(yīng)力框架梁的實(shí)際受力情況更不符，用該公式計(jì)算出的裂縫值遠(yuǎn)大于工程實(shí)際值，從而導(dǎo)致框架梁端實(shí)配鋼筋偏大?！痘炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中對預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的最大裂縫寬度的限值比普通混凝土要嚴(yán)，但規(guī)范的本意是對采用預(yù)應(yīng)力鋼絲、鋼絞線及預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋的預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，考慮到鋼絲直徑較小等原因，一旦出現(xiàn)裂縫會影響結(jié)構(gòu)耐久性，故適當(dāng)加嚴(yán)。規(guī)范同時(shí)指出，對混凝土保護(hù)層厚度較大的構(gòu)件，當(dāng)在外觀的要求上允許時(shí)，可根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對規(guī)范的裂縫寬度允許值作適當(dāng)放大。因此，在實(shí)際工作中可根據(jù)具體情況對預(yù)應(yīng)力框架梁的裂縫寬度允許值作出適當(dāng)調(diào)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(jié)構(gòu)來說是至關(guān)重要的?？蚣苤妮S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(shè)計(jì)中除加強(qiáng)框架柱的配筋構(gòu)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(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的底層框架柱的軸壓比宜控制在0.6以內(nèi)。

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

[1] 華東預(yù)應(yīng)力技術(shù)聯(lián)合開發(fā)中心.部分預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆多層框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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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