21.6 m预应力混凝土框架梁结构设计

齐 秋 波

(合肥市规划设计研究院，安徽 合肥 230041)



21.6 m预应力混凝土框架梁结构设计

齐 秋 波

(合肥市规划设计研究院，安徽 合肥 230041)

以某公共建筑工程为例，从预应力筋布置、内力计算、预应力筋与非预应力筋的确定等方面，阐述了预应力混凝土框架梁的结构设计方法，并总结了一系列设计经验，为同类工程结构设计提供参考。

混凝土框架梁，预应力筋，结构设计，裂缝宽度

1 工程概况

某公共建筑为6层钢筋混凝土框架结构房屋，底层层高6 m，2层层高5.4 m，3层层高5.1 m，4层～6层层高4.6 m，平面尺寸为37.7 m×29.5 m。2层，3层楼面活荷载标准值为5 kN/m2，其他楼层活荷载标准值按规范取值，基础采用柱下桩基，抗震设防类别为乙类，钢筋混凝土框架抗震等级为二级，抗震设防烈度为7度(抗震措施8度)，设计基本地震加速度值为0.10g(第一组)。该工程东(右)面及南(下)面均有已建建筑，为充分利用该地块，拟建建筑紧贴已有建筑布置。平面(2层)布置如图1所示。

根据使用功能要求，1层～4层中间21.6 m×27.0 m的范围内为开敞的大空间，不得设柱。在此大空间内若采用普通混凝土梁板结构设计，则21.6 m跨的框架梁截面要比其他小跨的梁截面

大得多，这会对使用空间造成很大影响，且影响到设备管道的布置。为使结构设计更好的满足建筑及使用功能的要求，对21.6 m跨的框架梁采用预应力混凝土主梁，在其他轴跨采用普通混凝土框架梁的结构方案。

2 结构设计

下面以2层③轴线预应力框架梁的要素来进行说明，其他楼层雷同。

2.1 结构选型

为了保证结构具有足够的承载力、刚度和抗裂性以及抗震要求和延性，有效控制使用荷载作用下的裂缝和挠度，本工程采用有粘结后张部分的预应力混凝土框架结构，采用预应力筋与非预应力筋混合配筋。预应力框架主梁设计成容许开裂(分析程序的裂缝计算公式)的部分预应力结构，既满足使用要求，又经济合理，此结构结构性能好且在大震作用时具有较高的延性。

2.2 预应力筋的布置

由于本工程的南面紧贴已有建筑，只能在北面进行一端张拉，南面梁端设为预应力筋的锚固端，在21.6 m跨段预应力筋的曲线坐标与该段梁的外荷弯矩图相近，这样构件受力较为合理，该跨预应力筋曲线的反弯点设在跨段的1/10处，预应力筋束形控制点的保护层厚度取55 mm;而在5.2 m跨段由于该跨较小，预应力筋线型按变曲率后顺接直线段布置在梁中部，然后伸出柱端，作为张拉端。预应力筋线型曲线尽量平缓，这样预应力损失相对较小，预应力筋线型见图2。

2.3 内力计算

21.6 m跨部分预应力混凝土梁的截面高度取h=1 300 mm，高跨比为1/17；梁宽根据预应力筋和锚具的安放要求取b=500 mm，现浇楼板厚110 mm,预应力梁混凝土强度等级均为C40。本工程结构计算采用中国建筑科学研究院编制的PK，PM(PREC)系列电算软件。 结构计算算得：跨中最大弯矩设计值为4 732 kN·m,梁端最大弯矩设计值为5 118 kN·m。

2.4 预应力筋和非预应力筋的确定

框架梁预应力筋采用低松弛钢绞线φs15.2，fptk=1 860 MPa，fpy=1 320 MPa；非预应力筋纵向筋为Ⅲ级钢筋，箍筋为Ⅰ级钢筋，孔道留设采用金属波纹管。 预应力筋张拉控制应力：

σcon=0.7fptk=0.7×1 860=1 302 MPa。

框架梁最大弯矩设计值发生在梁端，即控制弯矩。由于程序自动估算的预应力筋用量往往偏大，设计人员应根据经验及估算将预应力筋用量调整到合适的用量，笔者认为，一般情况下可按预应力筋承受75%～85%的控制弯矩值来估算预应力筋数量，本工程据此算得约需预应力筋2×11φs15.2，将此值输入程序后算得：梁上部需普通钢筋3 600 mm2，梁下部需普通钢筋1 600 mm2。考虑到预应力混凝土结构从浇筑到张拉完毕有很长的过程，而且在此期间因混凝土的胀缩、支撑的沉降、配筋构造等因素的影响，因此梁上部普通钢筋实配8φ25，梁下部普通钢筋实配10φ25。预应力度:

由于PK，PM(PREC)电算软件的裂缝宽度公式为简支构件(即规范公式)，框架梁直接套用不合适，此处需结合实际经验，裂缝宽度限值按0.2 mm控制。预应力筋产生的反拱基本抵消了外荷载及自重产生的挠度，计算出挠度15.6 mm，底层框架柱的最大轴压比为0.56。

2.5 构造措施

本工程采用先穿预应力筋后浇梁混凝土的施工方法，由于预应力筋较长，为二跨多波二次曲线，梁柱结点处钢筋较多，当预应力钢束与梁柱的普通钢筋相碰时应保证预应力钢束位置不变,普通筋位置适当调整。预埋波纹管(2根波纹管并排，直径均为90 mm)的定位坐标应详细，在波纹管的转角处稳定波纹管的井字架间距需适当加密。

与预应力框架梁垂直方向的普通框架梁，其侧向筋即腰筋宜适当加强，这是由于预应力框架梁在张拉时会有轴向变形，会对与预应力框架梁垂直方向的普通框架梁产生侧向效应，效应大时会导致该普通框架梁侧面开裂。

张拉端及锚固端OVM型锚具的安放应避开框架柱的纵筋，框架柱的纵筋宜尽量布置在柱的四角。

本工程在框架梁混凝土强度达设计强度的80%后,方可张拉预应力筋，采用一端对称张拉，张拉程序：0→0.1σcon(5 min)→1.05σcon(2 min)→σcon(锚固)。预应力筋张拉后，孔道应及时(张拉后14 d以内)灌注水泥浆，水灰比宜为0.40～0.45，为增加孔道灌浆的密实性,须掺入水泥用量5%的JEA-S膨胀剂；灌浆前孔道应湿润、洁净;灌浆应缓慢均匀地进行并排气通顺;灌浆后应从检查孔抽查灌浆的密实情况，如不密实应采用二次灌浆。灌浆结束后，冲洗锚具周围混凝土并凿毛，浇筑封端混凝土。

3 设计体会

1)后张预应力框架梁能增加混凝土结构的经济跨度，特别适用于大跨度结构中，可节约大量投资资金，降低造价。为大柱网、大开间的使用创造了条件，且降低了楼层中主次梁高度，提高了层高净空利用率，增强了建筑结构的整体性和抗震性能。

2)选择布置合适的预应力筋曲线及张拉与锚固端的位置，预应力筋的曲线坐标要与该段梁的荷载弯矩图相近，调整预应力筋的曲线形态使预应力筋的各项预应力损失力求最小；预应力筋张拉及锚固端的位置要考虑施工方便和安全。

3)对计算出的裂缝宽度应全面分析，程序在进行框架梁的裂缝计算时，其计算公式采用GB 50010—2010混凝土结构设计规范的公式，而该公式仅适用单向简支受弯构件，与框架梁的实际受力情况不符，与预应力框架梁的实际受力情况更不符，用该公式计算出的裂缝值远大于工程实际值，从而导致框架梁端实配钢筋偏大。《混凝土结构设计规范》中对预应力结构的最大裂缝宽度的限值比普通混凝土要严，但规范的本意是对采用预应力钢丝、钢绞线及预应力螺纹钢筋的预应力混凝土构件，考虑到钢丝直径较小等原因，一旦出现裂缝会影响结构耐久性，故适当加严。规范同时指出，对混凝土保护层厚度较大的构件，当在外观的要求上允许时，可根据实践经验，对规范的裂缝宽度允许值作适当放大。因此，在实际工作中可根据具体情况对预应力框架梁的裂缝宽度允许值作出适当调整。

4)框架柱的轴压比限值：保证框架柱在大震作用下具有一定的延性性能，对于整个结构来说是至关重要的。框架柱的轴压比值是决定框架延性的一个重要因素，轴压比越低则柱子的延性越好，在延性框架的设计中除加强框架柱的配筋构造外，另一个重要的手段就是控制框架柱的轴压比。一般情况下，预应力结构的底层框架柱的轴压比宜控制在0.6以内。

5)本工程的预应力框架的施工与张拉均很顺利，已交付使用多年，建设使用单位反映良好。

[1] 华东预应力技术联合开发中心.部分预应力混凝土现浇多层框架结构设计与施工[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

齐秋波(1957- )，男，高级工程师

TU378.4

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