淺談?lì)A(yù)應(yīng)力在大跨度框架梁中的應(yīng)用

文／歐陽恒 廣東博意設(shè)計(jì)院有限公司長沙分公司 湖南長沙 410000

1、預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)概述

所謂預(yù)應(yīng)力混凝土就是在混凝土構(gòu)件承受使用荷載前的制作階段，預(yù)先對使用階段的受拉區(qū)施加壓應(yīng)力，造成一種人為的應(yīng)力狀態(tài)。當(dāng)構(gòu)件承受使用荷載而產(chǎn)生拉應(yīng)力時(shí)，首先要抵消混凝土的預(yù)壓應(yīng)力，然后隨著荷載的增加，受拉區(qū)混凝土產(chǎn)生拉應(yīng)力，因此可以推遲混凝土裂縫的開展，以滿足使用要求，這種在結(jié)構(gòu)構(gòu)件承受荷載以前預(yù)先對受拉區(qū)混凝土施加壓應(yīng)力的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，就成為預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件。

2、工程概述

某學(xué)校配套體育館項(xiàng)目，為四層框架結(jié)構(gòu)，建筑面積為4520m2,其中一層架空，二層、三層為食堂，四層為運(yùn)動場，屋面為種植屋面，覆土300mm，運(yùn)動場上方跨度為23.8m，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限50年，結(jié)構(gòu)安全等級二級，抗震設(shè)防類別乙類，場地抗震設(shè)防烈度6 度。基本地震加速度為0.05g，建筑場地類別Ⅰ類，基本風(fēng)壓為0.35KN/m2,地面粗糙度為B 類。

3、設(shè)計(jì)思路

3.1 結(jié)構(gòu)方案選擇

方案一：采用常規(guī)混凝土框架梁，結(jié)構(gòu)布置詳圖3.1.1。因?yàn)榇罂缍瓤蚣芰海覀儼?/400 控制撓度，梁截面選取為650mm×2600mm，撓度控制在59mm，且梁底鋼筋超過了三排，凈高也不滿足建筑要求。

方案二：對比方案一，在大跨度方向增加次梁，結(jié)構(gòu)布置圖3.1.2，以減少主框架梁的荷載，依然是按照1/400 控制撓度，梁截面選取為650×2400，撓度控制在59mm，梁底鋼筋控制在了兩排，凈高依然不滿足建筑要求。相較方案一，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體育館上空更顯壓抑。

圖3.1.2

方案三：采用預(yù)應(yīng)力混凝土框架梁，結(jié)構(gòu)布置詳圖3.1.1。梁截面控制在了650mm×2000mm，撓度控制在57mm，梁底鋼筋控制在了兩排。因左側(cè)樓梯上空懸挑梁與右側(cè)大跨度框架梁受力差別較多，考慮到預(yù)應(yīng)力施工的特殊性，為了避免配筋遠(yuǎn)大于受力要求，造成超筋以及預(yù)應(yīng)力度不滿足要求，故本次設(shè)計(jì)將左側(cè)部分屋面下沉，與預(yù)應(yīng)力屋面錯(cuò)開1.5m，預(yù)留大跨度預(yù)應(yīng)力框架梁的張拉施工空間。同時(shí)預(yù)應(yīng)力梁與懸挑梁有500mm 的重疊區(qū)域，保證了懸挑梁彎矩能夠?qū)⒁徊糠謴澗貍鬟f到內(nèi)跨大跨度框架梁。本次就以運(yùn)動場上方的大跨度框架梁，來談一談后張法預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在房建中的應(yīng)用。

圖3.1.1

3.2 預(yù)應(yīng)力梁的設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)型式采用框架結(jié)構(gòu)，與預(yù)應(yīng)力相連的結(jié)構(gòu)柱截面尺寸為1100mm×550mm，柱混凝土等級為C35，預(yù)應(yīng)力梁截面取650mm×2000mm，預(yù)應(yīng)力梁混凝土等級為C45，其余構(gòu)件采用C30，預(yù)應(yīng)力筋采用φS15.2 低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，預(yù)應(yīng)力筋強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值1860Mpa,非預(yù)應(yīng)力筋采用HRB400 鋼筋。屋面荷載取值恒載為9kN/m2,活載取3.0kN/m2。

本工程采用PKPM 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件中三維預(yù)應(yīng)力模快設(shè)計(jì)，應(yīng)力效應(yīng)按荷載平衡法估算。以YKLa 為例，根據(jù)YKLa 的受力特點(diǎn)預(yù)應(yīng)力束采用拋物線型，考慮到張拉施工，兩端張拉端的高度設(shè)置在梁面往下700mm，拋物線最低點(diǎn)設(shè)置在跨中部位距離梁底200mm，拋物線垂度e=700-200=500mm。荷載平衡法是把預(yù)應(yīng)力鋼絲束看作是直接抵抗荷載，用鋼絲束對橫梁產(chǎn)生向上的壓力去平衡掉一部重力，通常這部分重力包括結(jié)構(gòu)自重+恒載+30%～60%的活荷載。此時(shí)鋼絲束張力的合力通過孔道中心，對鋼絲束兩端點(diǎn)連線的力矩正好平衡掉荷載在梁跨中的彎矩，由此可估算出預(yù)張拉力的大小。

圖3.2.1

設(shè)預(yù)應(yīng)力筋能抵消全部結(jié)構(gòu)自重+恒載+活載的30%,預(yù)估張拉力

采用φS15.2 低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，單根Ap=140mm2，fptk=1860N/mm2，假定張拉控制應(yīng)力取0.75 fptk，預(yù)估預(yù)應(yīng)力損失為0.3σcon：

考慮到本工程，預(yù)應(yīng)力僅用于減少大跨度梁的撓度裂縫，選用采用2-11φS15.2 進(jìn)行PKPM 預(yù)應(yīng)力模塊試算，經(jīng)計(jì)算左右支座非預(yù)應(yīng)力鋼筋A(yù)s=4300 mm2，配置925，跨中底筋非預(yù)應(yīng)力鋼筋A(yù)s=10700mm2，配置1828。

核算支座預(yù)應(yīng)力強(qiáng)度比：

核算梁底鋼筋面積：

根據(jù)設(shè)計(jì)配筋，復(fù)核梁的受彎承載力極限，根據(jù)PKPM電算結(jié)果，左支座最大負(fù)彎矩包絡(luò)為5839.5KN·m，右支座最大負(fù)彎矩包絡(luò)為4119.0KN·m，梁底最大彎矩包絡(luò)11795.8 KN·m，驗(yàn)算YKLa 彎矩承載力（見圖3.2.2）滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3.2.2

在設(shè)計(jì)承載能力滿足要求后，我們繼續(xù)對預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)梁的變形進(jìn)行驗(yàn)算，本此依然采用PKPM 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件中的預(yù)應(yīng)力模塊進(jìn)行驗(yàn)算，驗(yàn)算結(jié)果詳見下圖3.2.3 ～圖3.2.5。

圖3.2.3

圖3.2.4

圖3.2.5

3.3 錨具的設(shè)計(jì)

錨具的選用，應(yīng)根據(jù)預(yù)應(yīng)力筋品種和錨固部位的不同來進(jìn)行選用。本工程采用的是有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，因此張拉端和固定的都應(yīng)選用夾片式錨具。

本工程采用的是OVM 夾片式錨具（見圖3.3.1），該錨具主要用于先張、后張法施工的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中和構(gòu)件中。該錨具體系具有良好的張放自錨性能，夾片跟進(jìn)平齊，夾持性能穩(wěn)定，錨固效率系數(shù)高，可選擇范圍廣，施工操作方便，廣泛應(yīng)用于公路、鐵路及市政橋梁、房屋建設(shè)、水工建筑、電視塔、大型容器、巖錨和地錨等工程。

圖3.3.1 OVM 錨具M(jìn)15-7

在預(yù)應(yīng)力混凝土梁的設(shè)計(jì)中，錨具的設(shè)計(jì)屬于比較重要的一環(huán)。梁的截面尺寸的確定，除考慮結(jié)構(gòu)方案、荷載等條件外，還應(yīng)考慮預(yù)應(yīng)力束及錨具的布置要求。

OVM 系列錨具選用原則根據(jù)圖集《 后張預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)施工圖表示方法及構(gòu)造詳圖》(06 SG429 )來布置，本次選用的錨具為M15-11,孔邊距Ab≥170mm，孔中心距amin≥G+K=182mm,錨板直徑G=166mm。原梁寬滿足要求，孔道按照對稱布置的原則布置，布置詳見圖3.3.2。

圖3.3.2 預(yù)應(yīng)力錨具布置圖

錨具的設(shè)計(jì)還需要進(jìn)行混凝土的局壓驗(yàn)算，本工程選用的OVM 系列錨具，它的抗壓性能是通過實(shí)驗(yàn)確定的，所以本工程在選用OVM 系列錨具的時(shí)候，應(yīng)按照圖集《 后張預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)施工圖表示方法及構(gòu)造詳圖》(06 SG429 )中的面積來選用。本工程預(yù)應(yīng)力梁的混凝土等級為C45，應(yīng)根據(jù)圖集中C40 與C45 的受壓面積A0計(jì)算，插值計(jì)算可知局壓面積應(yīng)大于等于145322mm2，根據(jù)圖3.3.2 可知局部受壓的計(jì)算底面積Ab=186177.665mm2，滿足局壓要求。

結(jié)語:

本次最終實(shí)施的為方案一，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)綜合考慮結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力等特點(diǎn)，施工的場地、預(yù)應(yīng)力張拉等多方面因素。對比普通混凝土結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)梁砼標(biāo)號較高，梁高較小，結(jié)構(gòu)的截面尺寸變小、鋼筋使用數(shù)量明顯減少，而建筑的使用空間不變。