预应力混凝土结构在坡屋面中的应用

2020-12-03杨建平陈双龙

江西建材 2020年11期

杨建平，陈双龙

宁夏大学新华学院，宁夏银川 750021

1 工程概况

某风雨操场项目为地上一层，框架结构，设计使用年限为50 年，工程所在地抗震设防烈度为八度，设计地震分组为第三组，特征周期为0.45s，设计基本地震加速度为0.2g，框架抗震等级为一级。本工程短向尺寸为32.4m，长向为45.9m，屋顶采用双坡式坡屋面，本项目为了形成大空间结构满足使用以及裂缝和变形的要求，坡屋面采用预应力混凝土折梁结构，折梁的跨度为32.4m。

2 预应力混凝土折梁设计

2.1 材料选择

预应力筋采用缓粘结预应力钢绞线，直径为21.8mm，重量为2.95kg/m，fptk=1860MPa，fpy=1320MPa，弹性模量Ep=195GPa，单束截面面积Ap=313mm2，张拉方式为一端张拉，固定端采用挤压锚，张拉端采用夹片锚，预应力筋张拉控制应力为0.75fptk=1395MPa。混凝土强度等级为C40，，ft=1.71N/mm2，fc=19.1N/mm2，Ec=3.25×104N/mm2。普通钢筋采用HRB400级钢筋，fy=360N/mm2，Es=2×105N/mm2。

2.2 折梁截面估算

梁截面采用矩形截面，预应力折梁的跨度为32.4m，跨度较大，而且屋面荷载较重，根据相关规范及实践经验，梁截面高度取1700mm，跨高比约为1/20，在满足梁截面高宽比的前提下，考虑到方便预应力筋的布置及张拉要求，梁截面宽度取400mm。

2.3 内力计算

本工程整体结构内力分析采用PKPM 软件，其中屋面折梁在恒载、活载及其组合弯矩如下表所示。

表1 折梁计算弯矩及剪力

表2 折梁组合弯矩 kN·m

3 方案比选

钢筋混凝土梁的配筋方案有两种，第一种配筋方案是只配普通钢筋，不配预应力钢筋，这种方案适用于小跨度的梁；第二种方案是同时配置普通钢筋和预应力钢筋，这种方案成本较高，但是适用于大跨度的梁。根据预应力筋对折梁的裂缝、变形、承载力的控制效果，以及规范要求的预应力筋与普通钢筋的配比，最终确本工程折梁中配置8 根缓粘结预应力筋。根据折梁在外荷载作用下弯矩图形状，结合受力情况，同时考虑到方便后期施工时锚具的摆放、预应力筋在梁内的布置等问题，最终确定预应力筋采用曲线布置［2］。

3.1 裂缝验算

本工程中折梁的跨度为32.4m，跨度较大，选用两种不同的方案，在同等配筋率下，即支座折算配筋率为2.0%，跨中折算配筋率为2.5%时，折梁裂缝宽度计算结果如下表所示。

表3 折梁裂缝宽度 mm

根据规范要求，本工程折梁的裂缝控制等级为三级，即最大裂缝宽度小于等于0.1mm。从表3 所示结果可以看出，第一种方案，即只配普通钢筋时折梁的裂缝宽度为0.39mm，明显偏大，不满足规范对最大裂缝宽度的要求，第二种方案，即同时配置普通钢筋和预应力钢筋时，折梁的裂缝宽度为0.089mm，明显小于第一种方案裂缝宽度，满足规范对最大裂缝宽度的要求。

3.2 变形验算

选用两种不同方案时，在同等配筋率下，即支座折算配筋率为2.0%，跨中折算配筋率为2.5%时，折梁变形计算结果如下表所示。

表4 折梁变形值 mm

从表4 所示结果可以看出，采用第一种方案，即只配普通钢筋时折梁的最大变形值为175mm；采用第二种方案，即同时配置普通钢筋和预应力钢筋时，折梁的最大变形值为152mm，所以可以看出配置预应力钢筋后折梁的变形值明显减小。

3.3 抗弯承载力验算

选用两种不同方案时，在同等配筋率下，即支座折算配筋率为2.0%，跨中折算配筋率为2.5%时，Mu 为折梁的抵抗弯矩，M 为折梁在极限状态下的组合弯矩，折梁的抗弯承载力计算结果如下表所示。

表5 折梁抗弯承载力

从表5 所示结果可以看出，采用第一种方案，即只配普通钢筋时折梁的支座处Mu/M 值小于1，即弯矩值大于抵抗弯矩，结构不安全；采用第二种方案，即同时配置普通钢筋和预应力钢筋时，折梁的支座和跨中的Mu/M 均大于1，即弯矩值小于抵抗弯矩，结构安全。所以可以看出配置预应力钢筋后有利于折梁的抗弯承载提高。同时从施工的角度出发，在同等配筋率下，在第一种方案中，由于只配置普通钢筋，钢筋配置的太多，造成了钢筋布置困难，根据规范中对钢筋间距的要求，在同等配筋率下，只配置普通钢筋时折梁下部钢筋最少要布置5 排，这样不但给施工造成麻烦，同时由于上面几排钢筋位置偏上，达不到抵抗梁跨中正弯矩的效果。