浅谈预应力在大跨度框架梁中的应用
2022-06-26欧阳恒广东博意设计院有限公司长沙分公司湖南长沙410000
文／欧阳恒 广东博意设计院有限公司长沙分公司 湖南长沙 410000
1、预应力混凝土结构概述
所谓预应力混凝土就是在混凝土构件承受使用荷载前的制作阶段，预先对使用阶段的受拉区施加压应力，造成一种人为的应力状态。当构件承受使用荷载而产生拉应力时，首先要抵消混凝土的预压应力，然后随着荷载的增加，受拉区混凝土产生拉应力，因此可以推迟混凝土裂缝的开展，以满足使用要求，这种在结构构件承受荷载以前预先对受拉区混凝土施加压应力的结构构件，就成为预应力混凝土构件。
2、工程概述
某学校配套体育馆项目，为四层框架结构，建筑面积为4520m2,其中一层架空，二层、三层为食堂，四层为运动场，屋面为种植屋面，覆土300mm，运动场上方跨度为23.8m，结构设计使用年限50年，结构安全等级二级，抗震设防类别乙类，场地抗震设防烈度6 度。基本地震加速度为0.05g，建筑场地类别Ⅰ类，基本风压为0.35KN/m2,地面粗糙度为B 类。
3、设计思路
3.1 结构方案选择
方案一：采用常规混凝土框架梁，结构布置详图3.1.1。因为大跨度框架梁，我们按1/400 控制挠度，梁截面选取为650mm×2600mm，挠度控制在59mm，且梁底钢筋超过了三排，净高也不满足建筑要求。
方案二：对比方案一，在大跨度方向增加次梁，结构布置图3.1.2，以减少主框架梁的荷载，依然是按照1/400 控制挠度，梁截面选取为650×2400，挠度控制在59mm，梁底钢筋控制在了两排，净高依然不满足建筑要求。相较方案一，本方案成本更高，控制梁高的效果不理想，而且密集的大梁使得体育馆上空更显压抑。
图3.1.2
方案三：采用预应力混凝土框架梁，结构布置详图3.1.1。梁截面控制在了650mm×2000mm，挠度控制在57mm，梁底钢筋控制在了两排。因左侧楼梯上空悬挑梁与右侧大跨度框架梁受力差别较多，考虑到预应力施工的特殊性，为了避免配筋远大于受力要求，造成超筋以及预应力度不满足要求，故本次设计将左侧部分屋面下沉，与预应力屋面错开1.5m，预留大跨度预应力框架梁的张拉施工空间。同时预应力梁与悬挑梁有500mm 的重叠区域，保证了悬挑梁弯矩能够将一部分弯矩传递到内跨大跨度框架梁。本次就以运动场上方的大跨度框架梁，来谈一谈后张法预应力结构在房建中的应用。
图3.1.1
3.2 预应力梁的设计
结构型式采用框架结构，与预应力相连的结构柱截面尺寸为1100mm×550mm，柱混凝土等级为C35，预应力梁截面取650mm×2000mm，预应力梁混凝土等级为C45，其余构件采用C30，预应力筋采用φS15.2 低松弛预应力钢绞线，预应力筋强度标准值1860Mpa,非预应力筋采用HRB400 钢筋。屋面荷载取值恒载为9kN/m2,活载取3.0kN/m2。
本工程采用PKPM 结构设计软件中三维预应力模快设计，应力效应按荷载平衡法估算。以YKLa 为例，根据YKLa 的受力特点预应力束采用抛物线型，考虑到张拉施工，两端张拉端的高度设置在梁面往下700mm，抛物线最低点设置在跨中部位距离梁底200mm，抛物线垂度e=700-200=500mm。荷载平衡法是把预应力钢丝束看作是直接抵抗荷载，用钢丝束对横梁产生向上的压力去平衡掉一部重力，通常这部分重力包括结构自重+恒载+30%～60%的活荷载。此时钢丝束张力的合力通过孔道中心，对钢丝束两端点连线的力矩正好平衡掉荷载在梁跨中的弯矩，由此可估算出预张拉力的大小。
图3.2.1
设预应力筋能抵消全部结构自重+恒载+活载的30%,预估张拉力
采用φS15.2 低松弛预应力钢绞线，单根Ap=140mm2，fptk=1860N/mm2，假定张拉控制应力取0.75 fptk，预估预应力损失为0.3σcon：
考虑到本工程，预应力仅用于减少大跨度梁的挠度裂缝，选用采用2-11φS15.2 进行PKPM 预应力模块试算，经计算左右支座非预应力钢筋As=4300 mm2，配置925，跨中底筋非预应力钢筋As=10700mm2，配置1828。
核算支座预应力强度比：
核算梁底钢筋面积：
根据设计配筋，复核梁的受弯承载力极限，根据PKPM电算结果，左支座最大负弯矩包络为5839.5KN·m，右支座最大负弯矩包络为4119.0KN·m，梁底最大弯矩包络11795.8 KN·m，验算YKLa 弯矩承载力（见图3.2.2）满足设计要求。
图3.2.2
在设计承载能力满足要求后，我们继续对预应力结构梁的变形进行验算，本此依然采用PKPM 结构设计软件中的预应力模块进行验算，验算结果详见下图3.2.3 ～图3.2.5。
图3.2.3
图3.2.4
图3.2.5
3.3 锚具的设计
锚具的选用，应根据预应力筋品种和锚固部位的不同来进行选用。本工程采用的是有粘结预应力钢绞线，因此张拉端和固定的都应选用夹片式锚具。
本工程采用的是OVM 夹片式锚具（见图3.3.1），该锚具主要用于先张、后张法施工的预应力混凝土结构中和构件中。该锚具体系具有良好的张放自锚性能，夹片跟进平齐，夹持性能稳定，锚固效率系数高，可选择范围广，施工操作方便，广泛应用于公路、铁路及市政桥梁、房屋建设、水工建筑、电视塔、大型容器、岩锚和地锚等工程。
图3.3.1 OVM 锚具M15-7
在预应力混凝土梁的设计中，锚具的设计属于比较重要的一环。梁的截面尺寸的确定，除考虑结构方案、荷载等条件外，还应考虑预应力束及锚具的布置要求。
OVM 系列锚具选用原则根据图集《 后张预应力混凝土结构施工图表示方法及构造详图》(06 SG429 )来布置，本次选用的锚具为M15-11,孔边距Ab≥170mm，孔中心距amin≥G+K=182mm,锚板直径G=166mm。原梁宽满足要求，孔道按照对称布置的原则布置，布置详见图3.3.2。
图3.3.2 预应力锚具布置图
锚具的设计还需要进行混凝土的局压验算，本工程选用的OVM 系列锚具，它的抗压性能是通过实验确定的，所以本工程在选用OVM 系列锚具的时候，应按照图集《 后张预应力混凝土结构施工图表示方法及构造详图》(06 SG429 )中的面积来选用。本工程预应力梁的混凝土等级为C45，应根据图集中C40 与C45 的受压面积A0计算，插值计算可知局压面积应大于等于145322mm2，根据图3.3.2 可知局部受压的计算底面积Ab=186177.665mm2，满足局压要求。
结语:
本次最终实施的为方案一，预应力混凝土结构的设计综合考虑结构的变形、应力等特点，施工的场地、预应力张拉等多方面因素。对比普通混凝土结构，预应力混凝土结构梁砼标号较高，梁高较小，结构的截面尺寸变小、钢筋使用数量明显减少，而建筑的使用空间不变。
