缓粘结预应力大梁结构设计和施工

张宝勤,王国权

1.中国电子工程设计院,北京 100840

2.北京市住宅建筑设计研究院有限公司,北京 100005

1 工程概况

某教学楼为十一层框架剪力墙结构，结构总高度44m。五层为报告大厅，大梁最大跨度净距为26.4m，为了控制裂缝和挠度，同时也为了施工的可靠性和可行性，采用了新型的缓粘结预应力技术。部分结构平面布置图如图1，本文取其中典型的大梁（H轴）进行分析。

图1 部分结构平面图

2 结构设计

2.1 材料

混凝土强度等级C40，抗拉强度标准值ftk=2.39N/mm2；轴心抗压强度设计值fc=19.1N/mm2，混凝土弹性模量Ec=3.25×104N/mm2；

预应力筋采用1860级低松弛钢绞线，强度标准值fptk=1860N/mm2；单束面积Ap=140mm2；弹性模量Ep=1.95×105N/mm2；预应力张拉控制应力为conσ=0.75×fptk=0.75×1860=1395N/mm2。

锚具采用夹片式单孔锚，锚具进行静载锚固性能试验，锚固效率系数为0.99；

普通钢筋为HRB400级热轧钢筋，强度设计值fy=360N/mm2。

2.2 结构形式和断面选择

由于跨度大，荷载大，经过分析设计和结构空间的限制，确定框架大梁截面尺寸为600mm×1700mm，梁跨为28m。

2.3 摩擦系数取值

预应力采用缓粘结预应力筋，它是采用专用缓粘结胶粘剂和塑料外包护套涂包的预应力钢绞线，在张拉适用期内，与被施加预应力的混凝土之间可保持相对滑动，张拉适用期和固化时间期间，粘结效果逐渐增强，达到固化时间以后，与被施加预应力的混凝土之间达到一定强度的粘合。

缓粘结预应力筋的有效预应力σpe应按公式（1）计算：

预应力损失值应取下列五项：1）张拉端锚具变形和缓粘结预应力筋内缩σl1；2）缓粘结预应力筋的摩擦σ

l2；3）缓粘结预应力筋的应力松弛σ

l4；4）混凝土的收缩和徐变σl5；5）采用分批张拉时，张拉后批缓粘结预应力筋所产生的混凝土弹性压缩损失。

由于只有摩擦损失与胶粘剂有关，因此摩擦损失是计算预应力有效应力需要着重考虑的因素。由于工程期限的影响，并考虑到张拉适用期内，胶粘剂的不稳定因素，摩擦系数取大值：摩擦系数k=0.01/m，µ=0.25/rad。此时的第二项损失也属于大值，扣除损失后的有效应力属于小值。本文中第二项摩擦损失σ

l2为259.4MPa，总损失为425.1MPa，预应力有效应力为σpe为969.9MPa。

2.4 预应力配筋

预应力筋用量的计算，根据抗裂要求进行计算；然后再根据《预应力混凝土结构抗震设计规程》相关约束条件进行普通钢筋的选择。由计算得，预应力钢筋：36φs15.2，分成4束：4×9φs15.2；考虑梁截面宽度的允许，预应力钢筋一排布置；各束预应力均采用一端张拉，2束预应力筋在左柱端张拉，另2束预应力筋在右柱端张拉；根据该框架大梁标准弯矩图，预应力筋线形要尽可能与标准弯矩图相一致，因此预应力曲线形式均设为四段抛物线，反弯点取0.1L处；为了获取较大的截面抵抗矩，控制截面处的预应力筋应尽可能靠近受拉边缘布置。

普通钢筋下铁为24Φ25（2/11/11），上铁为18Φ25（9/9）。

2.5 抗裂验算

由标准弯矩图，控制截面选取跨中和一边支座截面，首先计算截面控制应力，看是否满足二级抗裂要求。

在荷载效应的标准组合下应符合下列规定：

在荷载效应的准永久组合下应符合下列规定：

抗裂验算是由标准弯矩及等效弯矩和次内力综合决定的。内力和预应力各弯矩均可计算得到。具体结果如表1：

表1 内力计算结果

因此，预应力框架大梁抗裂验算结果：大梁在两端支座处不满足二级抗裂，而在跨中截面处，梁底满足放宽的二级抗裂要求。针对支座处，在不满足二级抗裂情况下进行三级裂缝宽度验算，得到预应力框架大梁的裂缝宽度如图2。

图2 裂缝宽度

3 施工措施

为了抵消预应力损失，施工张拉时3%超张拉。

为了有效减小因摩擦而产生的损失，预应力4束分成2束在左端2束在右端进行张拉。同时，尽量提前预应力张拉的时间并且控制胶粘剂的粘结时间，以减小摩擦损失。

为了防止预应力筋对结构的反拱，应进行采取严格的张拉步骤，进行分级循环张拉，而且必须控制张拉速度，不能过快。

由于普通钢筋过多，同时由于预应力筋一排铺设，在梁端支座处应首先保证预应力的矢高，理论计算和工程实践都说明，施工中如果保证不了预应力筋的线形，预应力筋很有可能起不到应有的效果甚至起到相反作用。

[1]混凝土结构设计规程（GB50010-2010）[M].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2]预应力混凝土结构抗震设计规程（JGJ140-2004）[M].北京：中国建筑工业出版社，2004.

[3]杜拱辰.部分预应力混凝土[M].北京.中国建筑工业出版社，1990.