45李志飚-预应力混凝土转换梁的工程应用

中国预应力技术五十年暨第九届后张预应力学术交流会论文2006年

预应力混凝土转换梁的工程应用

李志飚1金烈胜2陈劲1

(1. 浙江省建筑设计研究院，浙江杭州 310006；2. 杭州六合房地产开发有限公司，浙江杭州 310007)

提要本文简要介绍了后张有粘结预应力混凝土转换梁在浙江工商大学行政办公楼工程中的应用，探讨了结构整体分析与构件设计中需注意的一些关键问题，提出了相应的解决办法，文中提出的对策和得到的结论对类似工程结构设计有参考意义。

关键词预应力混凝土，转换梁，结构分析

1 工程概况和结构平面布置

浙江工商大学下沙校区行政办公楼工程，地下一层，地上十二层，抗震设防烈度为六度，抗震设防重要性类别为丙类，结构安全等级为二级，采用独立承台桩基础，上部结构为框架—剪力墙结构。结构设计合理使用年限为50年。

根据使用功能和建筑效果要求，在六层平面标高19.450处16~18×A~D轴范围竖向构件不连续，需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，从而在该区域形成一通透空间，具有良好的视觉效果。图1、图2分别为六层和七层结构平面布置简图，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柱。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，传力较明确。16~18×A和D轴的框架柱的转换可采用两种方案，方案一在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；方案二是通过在六层、七层楼层结构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。经初步计算和比较，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。

2 转换构件的特点及其设计简介

李志飚，男，1969.6生，工学博士，教授级高工

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2.1 本工程转换构件设计有以下一些特点

(1)转换构件位置高，跨度大。本工程转换构件设置在六层楼面，自重大，下部空旷，

对转换构件施工的临时支撑模板系统提出了很高的要求；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。

图1 六层结构平面布置（局部）

图2 七层结构平面布置（局部）

(2) 转换构件受力大。转换构件需要承担六层平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。柱网尺寸大，柱轴力设计值大。为确保设计与施工相符，设计对临时支撑的设置提出了明确要求。

(3)部分转换构件为悬挑构件，且悬挑端作用力大。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。

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(4)转换构件受力复杂。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。

(5)为有效控制转换构件的变形，根据结构的重要性，采用后张有粘结预应力混凝土梁。根据上部结构施工的特点，结合预应力筋的布置，根据现有的工程经验，为减少预应力张拉对上部结构的影响并方便施工，预应力筋应分批张拉，并进行必要的测试。

2.2 转换构件设计概况

悬挑梁转换构件裂缝控制等级为二级，按一般要求不出现裂缝的构件进行设计[2]。基于本工程弧型转换梁主要在中部受集中力且集中力相当大的受力特点、预应力筋数量和布置方式，预应力筋的等效荷载仅能部分平衡外部作用，因而构件裂缝控制等级为三级，按允许出现裂缝的构件进行设计，设计中严格控制裂缝的宽度。

六层结构梁、板混凝土强度等级C40。预应力筋采用高强低松弛钢绞线，规格24.15s φ，强度等级MPa f ptk 1860=，非预应力纵向钢筋采用HRB400级。锚具采用夹片式群锚体系，规格为OVM ，并与预应力索根数匹配。钢绞线的设计张拉控制应力ptk con f 7.0=σ，两端张拉，一次超张拉0-105%con σ。为减少预应力筋的孔道摩擦损失，孔道留孔采用高密度聚乙烯塑料波纹管。根据工程经验结合本工程预应力筋布置和施工工艺，预应力筋总的预应力损失值按30%con σ考虑。张拉后孔道采用真空辅助灌浆工艺进行灌浆，水泥浆强度等级M35。

预应力筋张拉时，转换梁混凝土的实际强度不应低于混凝土设计强度的90%，预应力筋张拉施工应对称进行。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。在所有预应力转换梁处设置竖向支承构件，并严格控制竖向支承构件的压缩变形与地基的变形之和不大于4mm 。

3 构件设计与结构整体分析

3.1 作用在转换构件上框架柱的柱脚反力

准确计算第六层框架柱的柱脚反力是进行转换构件设计与计算的前提，也是确保结构安全的重要保证。考虑到实际施工过程中在转换层底部设置了可靠的竖向临时支承构件且这些临时支承构件在全部预应力筋张拉完成后才拆除，同时施加预应力后计算得到的构件竖向变形很小，因此以六层结构平面为基础平面（不考虑六层结构的变形）用SATWE 进行上部结构的计算，得到框架柱的柱脚反力用于转换构件内力计算及设计。应当注意到采用未考虑预应力等效荷载时结构整体分析（12层结构）得到的六层处框架柱的柱脚反力用

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于转换构件设计是不合理的，因为未考虑预应力等效荷载时，在上部荷载作用下悬挑端和弧型转换梁跨中将产生较大的变形（这与实际施工工况不符），会导致上部结构的内力重分配，得到的外柱、17×B 轴和17×C 柱脚反力偏小，从而使预应力构件的设计偏于不安全。

3.2预应力转换构件的设计

采用以上计算方法得到的框架柱的柱脚反力用于转换构件设计。

以17轴在A-B 轴间的悬挑梁为例说明悬挑梁的设计。因17×A 轴框架柱的柱脚反力在悬挑梁根部截面产生的弯矩占悬挑梁根部截面总弯矩比例很大，故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。17轴在A-B 轴间的悬挑梁根部截面取750×3500，该截面在荷载效应的标准组合下m kN M k .32024=，在荷载效应的准永久组合下m kN M q .2939=，布置8孔24.1515s φ。在荷载效应的标准组合下2/39.261.1mm N f tk pc ck =<=-σσ，在荷载效应的准永久组合下011.0<-=-pc cq σσ，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3所示。

图3 17轴线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[1]，圆弧与直线相切，圆弧范围约4米，其等效荷载可视为该作用在圆弧段的均布力，为方便分析可等效为一集中力。该梁布置10孔24.1512s

φ，预应力束的布置如图4所示。计算表明预应力索提供的等效荷载仅能部分平衡作用在转换梁上作用力，构件按裂缝控制等级二级考虑难以满足，故经多次试算和调整，该构件按裂缝控制等级三级考虑，设计中严格控制裂缝的宽度。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

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40233kN.m，按压弯构件计算非预应力筋。图5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。

根据本工程中预应力构件重要性，实施中对预应力筋的预应力损失、构件变形等进行了测试，测试结果表明预应力筋的预应力损失、构件变形满足设计要求[4]。

3.3 结构整体分析

本工程采用SATWE软件进行结构整体分析[3]。考虑上部结构逐层施工，刚度分步形成，荷载分层施加，程序竖向力计算控制参数中，一般选择模拟施工加载，而不采用一次性加载。施加预应力后，进行整体分析时若选用模拟施工加载，则由于转换构件中预应力

图4 B轴线转换梁预应力束布置图

图5 B轴线转换梁非预应力筋布置

等效荷载作用在第六层平面，根据SATWE模拟施工的分析原理该等效荷载仅对六层及其以下楼层构件内力有影响，对六层以上结构梁、柱内力没有影响，因转换构件中的预应力筋分两批进行张拉，且张拉时上部刚度已部分形成，因此分析中不能忽略预应力筋张拉对六层以上结构梁、柱内力的影响。若整体分析时选用模拟施工加载方式，由于计算模型与实际受力存在较大差异，将导致六层转换层构件及以上梁、柱受力与实际不符。根据实际

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施工过程，考虑到在竖向荷载作用下六层以上柱的轴向变形差异不大，为简化计算，采用SATWE软件对结构进行整体分析时，在考虑六层转换层构件的预应力等效荷载情况下，没有选择模拟施工加载，而采用一次性加载。

六层楼板采用弹性楼板以考虑等效荷载中梁轴力对配筋的影响。整体计算得到的六层预应力弧形转换梁的非预应力筋的数量小于前述简化计算结果，且差异较大，我们认为主要是简化计算中未考虑柱脚变形（转换构件的变形）对作用在转换构件上框架柱的柱脚反力的影响，未能考虑A轴和D轴的柱向B轴和C轴柱卸荷，17轴的柱向16和18轴的柱卸荷的作用，因而所得的边柱、跨中柱轴力偏大，简化计算得到的转换梁内力偏于安全。

4 构造措施

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。

根据结构整体分析结果，在17轴的7层和8层楼面梁和16轴、18轴的7层楼面梁中布置了有粘结预应力筋，以有效控制梁的裂缝宽度。转换层楼板厚度加厚至200mm(B、C 轴间为300mm)，七层楼板在16~18×A~D轴间厚度为150mm，6层、7层楼板采用双层双向配筋。

根据弧形转换梁的受力特点, 并为方便张拉施工，自六层开始在15~16轴、18~19轴间设置了施工后浇带，该后浇带在主体结构结顶且预应力张拉完成后封闭。

为降低作用在转换构件上框架柱的柱脚反力，六层以上15~19×A~D 轴范围的填充墙体采用轻质材料。

5 结论

针对工程的特点和使用功能要求，本工程转换构件布置是合理的，对转换构件施加预应力以控制结构的变形是可行的、有效的。

当转换构件为预应力混凝土梁时，应根据结构受力特点和实际施工工况采用符合实际的计算假定，选择合理的分析模型，采取可靠且符合设计要求的措施。

本工程结构设计中得到我院益德清顾问总工、陈冠尧教授级高工和丁浩高工指导，特此致谢！

参考文献

[1] 孙宝俊, 现代PRC结构设计. 江苏：南京出版社,1995.

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

[3] 中国建筑科学研究院PKPM CAD 工程部, SATWE用户手册及技术条件.

[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.