曲线及悬挑预应力混凝土转换梁在实际工程中的设计与应用

陈劲 李志飚

【摘要】预应力混凝土转换梁的设计有别于常规混凝土结构，本文简要介绍了后张预应力混凝土转换梁在实际工程中的应用，探讨了结构整体分析和构件设计中需要注意的关键问题，提出相应的解决办法，为其他类似工程提供一定的参考。

【关键词】预应力转换梁；实际工程；结构设计

Design and Application of Prestressed Concrete Transfer Beam

in a Practical Engineering

Chen Jin1

（1. Zhejiang Prov. Institute of Architectural Design and Research 310000）

Abstract： The design of prestressed concrete transfer beam is different from normal concrete structure. A brief introduction of post-tensioned prestressed transfer beam in a practical engineering is used to discuss the key issues in the whole structure analysis and design， and to put forward corresponding solution， which is of relevant engineering significance to similar engineering projects.

Keywords： prestressed transfer beam； practical engineering； structural design

引言

随着社会的不断进步以及生活水平的提高，人们对建筑功能提出了越来越高的要求，使得工程师们面临越来越多的挑战，为实现特殊复杂的功能要求，需对结构进行非传统的力学分析与构件设计。

1.工程概况

该项目为浙江某高校行政楼，总建筑面积48208平方米，地下一层，地上十二层，整个平面接近半月形，南面展开体长168米，北面展开体长218米，结构高度51米。由于该楼的特殊位置以及立面、景观的需求，建筑设计要求在大楼西侧形成宽38米，进深20米，高16米的通道，如图1所示。门洞顶为六层楼面梁底，而该通道范围内建筑要求只布置两肢不超过0.9米宽，6.8米长的竖向承重构件，以承托其上七层6米x9米的普通柱网框架。由于竖向构件不连续，从而在六层结构楼层上局部形成一个纵向为三跨圆弧曲线梁（10米+18米+10米三跨），横向两侧均各悬挑6.9米的双向转换梁结构，如图2、图3所示。通过对该局部转换层的受力模式进行分析，对比不同方案的经济性和技术性，最终采用后张有粘结双向预应力转换梁混凝土结构。

图1、建筑门洞外立面

图2、六层结构平面布置（局部）

图3、七层结构平面布置（局部）

2.结构的设计特点

预应力弧形转换大梁是本项目的设计难点，国内科技查新表明，本工程为国内较早采用大跨度预应力混凝土曲梁作为转换梁的项目，而同时在垂直方向两边各悬挑6.9米亦采用转换大梁确为国内罕见。

2.1设计特点：

2.1.1弧形转换大梁位置高，跨度大。

根据使用功能和建筑效果要求，在六层结构平面标高19.450处16～18×A～D轴范围竖向构件不连续，设置转换构件将上部框架柱传递的内力转换到16和18轴中部布置的钢筋混凝土柱，六层楼面以下16～18轴间仅保留图1中16和18轴中部的钢筋混凝土竖向构件。通过沿B轴、C轴布置弧型转换梁实现17×B轴和17×C轴框架柱的转换。沿B轴、C轴布置的弧型转换梁跨度分别达到18.84米和17.82米。

2.1.2转换梁受力大，施工要求高，技术难度大。

转换构件需要承担六层楼面荷载及六层以上楼层（7～12层和屋面）通过16～18×A和D轴、17×B和C轴框架柱传递的内力。由于柱网尺寸大、上部楼层多，柱轴力设计值大。为有效控制转换构件的变形，转换梁采用后张有粘结预应力技术。预应力索布置的数量多，为减少预应力张拉对上部结构的影响并方便施工，预应力筋分批张拉。

2.1.3部分转换构件为悬挑梁，悬挑端作用力大。

悬挑转换梁悬挑长度达6.9米，悬挑端承受的集中力为上部结构框架柱的轴力，在悬挑梁根部产生的弯矩大。应采取措施严格控制悬挑端的变形和悬挑构件根部的裂缝，确保构件安全、正常使用。

2.1.4转换构件受力复杂，构造要求高。

17轴处悬挑梁先传力至沿B轴、C轴布置的弧型转换梁，再通过弧型转换梁传力至六层楼面下在16和18轴中部布置的钢筋混凝土柱。设计中还应考虑17×A轴和17×D轴柱的柱脚内力不等对弧型转换梁受力的不利影响。

2.2 优缺点：

本工程采用转换层结构是根据建筑美观和适用的功能需要并考虑到结构设计和施工技术具有合理性和可操作性而确定的，建成后达到了预期的经济效益和社会效益。

采用预应力混凝土结构，转换构件体量较大，较之钢结构自重偏大，混凝

土浇捣要配合高空支撑系统要求，考虑到该位置的特殊性，采用混凝土结构耐久性好，同时可减少使用期间的日常维护。

雖然竖向构件不连续，但整个结构楼层为12层，高度50米，转换层高度接近20米，整个结构构件抗震等级大部分为三级，采用带转换层的结构安全可靠，同时具备多种可选方案，施工亦有可操作性。

我们经过对该结构体系的分析计算及深化设计，包括模拟计算施工过程和分次分批张拉过程中各种可能的工况和模型，参与转换层高空施工的支撑方案和大跨度预应力弧梁与大悬挑转换梁的张拉方案的比选，从最终施工顺利完成并交付使用的结果来看已体现出其技术成熟先进，施工方便可靠的优点。

该技术成果已对我院近年来设计的多个高位弧形转换梁或弧形巨型框架结构起到了有效的指导作用。如已建成的杭州福雷德广场主楼项目，该项目主楼共32层，总高度99.9米，主入口建筑功能要求采用巨型框架，转换层位于四层结构楼面，跨度19.2米，系弧形转换大梁，截面1200MMx3600MM，上承托27层框架，采用该技术合理解决了高位大跨度弧形转换梁的技术难点，现建成至今已近两年，从监测结果及使用情况来看，均能满足要求。

3.设计步骤与内力分析

3.1 结构转换层方案的确定

16～18×A和D轴的框架柱的转换可采用两种方案：方案一是在16、17和18轴布置悬挑梁，16和18轴处悬挑梁悬挑长度短且悬挑梁直接传力至六层楼面下在16和18轴中部布置的钢筋混凝土柱，而17轴处悬挑梁悬挑长度较长且传力不直接，悬挑梁先传力至沿B轴、C轴布置的弧型转换梁，再通过弧型转换梁传力至六层楼面下在16和18轴中部布置的钢筋混凝土柱；方案二是结合六层、七层结构布置形成横向空腹桁架实现16～18×A和D轴框架柱的转换，横向桁架的布置将影响六层平面的使用且构造较为复杂。经分析和比较，并结合上部结构的功能，确定采用第一方案，即在16、17和18轴布置悬挑梁以实现16～18×A和D轴框架柱的转换，并对转换施加预应力以控制结构的变形。本工程结构转换方案的比较与确定，对类似工程有借鉴意义和指导作用。

3.2 结构计算与分析

施工期间，在转换层底部设置了可靠的竖向临时支承构件，这些临时支承构件待全部预应力筋张拉完成后才拆除。在设置转换构件范围可不考虑六层以下柱墙的竖向变形，采用SATWE计算六层以上结构得到第六层标高处框架柱的柱端内力，并用于转换构件内力计算及截面设计。上述简化计算概念较为清晰，结构传力直接，但由于未考虑A轴和D轴的柱向B轴和C轴柱卸荷，17轴的柱向16和18轴的柱卸荷的影响，导致得到的边柱、转换梁跨中柱轴力偏大，因而简化计算得到的转换梁内力偏大，以此進行截面设计偏安全。

结构整体分析采用SATWE软件，六层结构楼板采用弹性板，基于软件编制原理，预应力等效荷载的作用与其它荷载及作用应分开考虑，并采用不同的加载模式。仅考虑在六层转换构件的预应力等效荷载作用下进行结构内力分析时，可选择一次加载模式，考虑预应力筋张拉对六层及以上构件的影响；考虑其它荷载和作用下进行结构内力分析时，选择模拟施工加载模式。两次计算结果组合后用于构件截面设计。

本工程转换构件内力的简化分析方法、结构整体分析的原则概念清晰，分析方便，安全可靠，具有创新性，解决了有预应力转换构件的复杂高层建筑结构的设计难题，对类似工程结构设计具有指导作用，对提高建筑结构设计水平具有指导意义。

3.3预应力转换构件的设计与构造

预应力筋采用高强低松弛钢绞线，规格，强度等级，非预应力纵向钢筋采用HRB400热热轧钢筋。锚具采用夹片式群锚体系。钢绞线的设计张拉控制应力，两端张拉。孔道留孔采用高密度聚乙烯塑料波纹管。孔道采用真空辅助灌浆工艺进行灌浆，水泥浆强度等级M35。悬挑梁转换构件裂缝控制等级为二级，弧型转换梁裂缝控制等级为三级。

以17轴在A-B轴间的悬挑梁为例说明悬挑梁的设计。悬挑梁的预应力筋布置采用三段直线，直线之间通过光滑圆弧连接，布置8孔。满足规范构件裂缝控制等级为二级的要求。17轴线悬挑梁预应力束的布置如图4所示。

图4、17轴悬挑梁预应力束布置图

以B轴线弧型转换梁为例说明弧型转换梁的设计。该弧型转换梁主要承受17×B轴框架柱的柱脚反力和17轴在A-B轴间的悬挑梁根部作用的反力，16和18轴柱对转换梁的约束较小，且施工过程中在15至16轴间、18至19轴间设置了施工后浇带，该转换梁弯矩图与受集中力作用的简支梁相似，因此预应力筋采用两端直线中间用圆弧相连的布置方式，圆弧与直线相切。该梁布置10孔，预应力束的布置如附图5所示。考虑六层以上及六层的作用，按简支梁计算得到跨中截面弯矩设计值为66227kN.m，预应力等效集中力为4609kN，预应力施加后跨中截面弯矩设计值为40233kN.m。

图5、B轴转换梁预应力束布置图

附图6为该梁非预应力筋布置的典型断面。按荷载效应的标准组合并考虑长期作用影响计算得到转换梁的最大裂缝宽度为0.03mm，跨中挠度为24mm，最大挠度与跨度比为1/783，均满足规范要求。为抵抗由于内外圆弧悬挑端受荷不等对B、C轴弧形转换梁的不利影响，在B、C轴弧形转换梁底部布置300mm厚混凝土板，与六层楼板（B、C轴间为300mm）和沿B、C轴的弧形转换梁形成封闭箱形截面，并增设了300mm厚的横隔板，大大增强了弧形转换梁的抗扭性能，同时在转换梁侧面布置了适量的抗扭纵筋。

图6、B轴转换梁非预应力筋布置

本工程预应力筋布索方式、孔道留孔与灌浆技术、截面设计和抗扭构造加强措施等，具有针对性和实用性，对类似工程具有借鉴意义。

3.4 转换构件的施工说明

本工程预应力转换梁处的竖向支承构件的压缩变形与地基的变形之和不大于4mm，支模架系统设计要求高、难度大，施工单位对支模架系统进行了专门的设计并对施工过程中支模架内力和变形进行了监测。考虑到上部结构分层施工，荷载分层逐步施加的特点，为方便施工并减少预应力张拉对上部结构的影响，预应力筋分两批张拉，第一批预应力筋张拉在九层楼面施工完成，且15-19轴八层楼面梁、板混凝土强度达到90%设计强度后进行；第二批预应力筋张拉在屋面施工完成，且15-19轴屋面梁、板混凝土强度达到70%设计强度后进行，每批预应力筋张拉时先张拉悬挑梁的预应力筋，再张拉弧型转换梁的预应力筋。

4. 转换构件的实际使用情况

为检测该转换梁的施工情况，以及进行后续的跟踪研究，本工程委托专业监测单位采用专用传感器对预应力筋张拉过程及使用过程中的结构性状（包括弧形转换大梁与悬挑转换大梁的变形和裂缝，以及预应力的施加值、预应力摩擦力损失值、锚固损失值和非预应力钢筋的应力）进行了监测。目前该项目竣工已超过三年，从监测结果及使用情况来看，均能满足要求，达到了预期的效果。

本工程高位预应力转换梁处支模架系统设计具有创新性，对类似工程有指导作用，预应力筋张拉顺序的确定，既能确保结构安全，又方便施工，对类似工程有借鉴意义。

参考文献：

[1] 混凝土结构设计规范（GB50010-2002）[S]，北京：中国建筑工业出版社，2002；

[2] 袁用道，祁广周等，大跨度预应力混凝土转换梁结构技术研究[J]，湖北民族学院学报（自然科学版），2010.28（1）：104-107；

[3] 中国建筑科学研究院PKPMCAD工程部，SATWE用户手册及技术条件[M]；

[4] 浙江大学土木工程测试中心，浙江工商大学行政楼预应力检测报告，2005。