預應力混凝土梁在轉換層中的運用
——蘇州西山賓館預應力承托框架大梁結構的設計

李遠建

（CCDI悉地（蘇州）勘察設計顧問有限公司，江蘇蘇州 215000）

預應力混凝土梁在轉換層中的運用
——蘇州西山賓館預應力承托框架大梁結構的設計

李遠建

（CCDI悉地（蘇州）勘察設計顧問有限公司，江蘇蘇州 215000）

結合工程實例，介紹了預應力混凝土梁在轉換層中的運用，有關經驗可使相關專業人員參考。

預應力混凝土梁；轉換層；承托框架

1　問題的提出及工程概況

現代建筑向多功能，綜合用途發展，在同一豎向直線上，頂部樓層布置住宅，旅館，中部樓層作為辦公用房，下部樓層作為商店，餐館，文化娛樂設施，不同用途的樓層，需要大小不同的開間，需用不同的結構形式。為了滿足建筑功能的要求，結構必須以與常規方式相反進行布置，上部布置小的空間，下部布置大空間；上部布置剛度大的剪力墻，下部布置剛度小的框架柱。為了實現這種結構布置，就必須在結構轉換的樓層設置轉換層。按轉換層所實現的結構轉換，可分為三類：（1）上層和下層結構類型轉換。（2）上，下層的柱網，軸線改變。（3）同時轉換結構型式和結構軸線布置。本文將用一工程實例對設計和施工簡單，受力明確，運用最廣泛的梁式轉換作一淺析。

蘇州西山賓館1998年完成設計，1999年完工，建筑面積22 500 m2。高度35.3 m。由于建筑設計上在建筑首層（結構第二層）在中庭處要求共享空間的需要，結構利用三，四層間的設備層高度做了19.7 m跨度的上面承托七層框架（包括屋頂機房，水箱間）及設備層共八層的荷載的預應力混凝土大梁，梁的截面尺寸750 mm×3 000 mm?？拐鹪O防裂度六度，抗震等級三級。

預應力大梁上承托七層框架是一個復雜的超靜定結構，預應力的設置能提高大梁的剛度，減小大梁變形，提高大梁的抗裂度，但預應力的張拉對超靜定的框架體系也會帶來復雜的次彎距和其他附加影響，設計時應給予必要的重視。另外對預應力束的數量，預應力的大小，預應力束的形狀等也需要精確科學地設計。

2　預應力結構設計計算

2.1預應力鋼筋數量的估算

（1）預應力平衡彎距內力的確定

該工程采用TBSA5.0版程序進行整體內力分析，計算結果見表1。

表1　計算結果匯總表

本工程構造上利用設備層層高作為大梁梁高，梁高3.0 m，梁本身有較強的抗彎能力，所以預應力數量不必太多。考慮到若預應力度較高，則預應力產生的平衡荷載會遠大于結構自重，預應力會在上部結構中產生較大的次內力，在上部結構橫梁內引起較大的拉力，這容易使上部結構產生裂縫。所以本工程的平衡彎距取總荷載下的彎距的50%，即預應力平衡彎距為：M0=0.5×37 677=18 839 kN·m。

（2）預應力束數量的估算

預應力大梁使用OVM系列錨具，采用集束布置，每個集束分別有12和9根鋼絲束，每根鋼絲束由7s15.2組成。公稱面積9s15為1 260 mm2;12s15為1 680 mm2。

fptk=1 860 kN/mm2；fpy=1 200 N/mm2；混凝土C60 ftk=2.95 N/mm2；

σco n=0.75fptk=0.75×1 860=1 395 N/mm2。

總預應力損失按30%估計；有效預應力為1 395×（1-0.3）=976.5 N/mm2。

Ms=28 437 kN·m考慮次彎距影響取MS’= 1.2×28 437=34 124 kN·m。

Ml=25459kN·m；Ml’=1.2×25459=30551kN·m。

支座截面、跨中截面見圖1、圖2。

圖1　支座截面

圖2　跨中截面

（3）預應力損失計算：本工程均按當時規范進行計算。總損失為21%。原估算可用。

2.2預應力框架結構內力計算及分析

預應力框架結構的內力計算與非預應力框架結構內力計算是完全不同的，預應力框架結構的內力大小與施工，使用各階段的實際情況有關。在框架結構個別大梁上施加預應力，結構分析必須按施工，使用各階段及施工實際支撐分批張拉等分別進行計算，才能體現結構內力和變形的真實情況。

在框架結構的局部大梁上施加預應力，不能簡單地使用單根簡支梁來進行分析計算，其原因是框架結構本身是一個復雜的超靜定結構，施加預應力時，由于框架結構的約束作用，形成較大的次內力。尤其值得注意的是在張拉預應力剛完成時，預應力損失尚未全部完成，這時預應力張拉對上部結構的影響較大，設計人應慎重復核這個階段上部結構桿件的強度和抗裂。

2.3預應力的抗震配筋

對預應力框架抗震設計由于當時規范（GBJ10-89,JGJ3-91）中還沒有預應力混凝土抗震設計條款，因此實際工程是參照普通混凝土框架進行抗震設計和構造，對抗震設計的指導思想是：（1）框架梁要有良好的延性與耗能能力，成為主要耗能構件。（2）柱應比其他構件具有較大的安全儲備。（3）梁柱節點與連接要有足夠的受剪承載力。PRC框架只是RC框架的一種特殊情況，RC框架的抗震設計原則和構造措施，例如：強柱弱梁，強剪弱彎，實現梁鉸機制，控制柱軸壓比，加強對臨界截面混凝土的約束和受力鋼筋的錨固等等對預應力框架都是適用的。

本工程控制兩個指標來滿足框架橫梁抗震要求：配筋指數w其反映了達到極限時截面上混凝土平均壓應力的大小與受壓高度X之間有實質上的對應關系，受壓區高度X控制了配筋指數W，也就是控制了X/h。本工程W<0.2、X/h<0.25均滿足現行GB50011-2010的要求。預應力度PPR反映預應力大小對結構受力性能影響從抗裂看：PPR大一些較好，從抗震角度看PPR不宜過大，對與PPR=0.5～0.7的部分預應力框架，若設計合理，其抗震性能與RC框架十分相似，可同樣實現梁鉸機制，當梁端受壓區高度X/h<0.2時，梁端塑性鉸具有滿意的塑性轉動能力，可以滿足位移延性的要求，本工程梁端X/h=0.11實現了較好的延性和耗能。

3　結　語

根據現行規范《GB50011-2010》及《JGJ140-2004》中所關預應力抗震設計的要求，雖然過去了十多年，該工程的設計原則，參數和計算結果，施工張拉過程中的監測數據都表明該設計完全符合要求。

通過蘇州西山賓館預應力承托框架大梁結構的設計的分析，證明在建筑功能上十分需要時，用預應力大梁來承托幾層框架結構是可行的，但在設計過程中則必須十分慎重，應認真考慮預應力張拉對超靜定框架體系產生的次內力，應慎重考慮預應力度，預應力束的形狀，位置，并進行必要的強度，變形，抗裂的計算。

TU31

B

1009-7716（2016）10-0156-02

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.10.049

2016-06-20

李遠建（1965-），男，江蘇蘇州人，高級工程師，從事結構設計工作。