关于大跨度钢筋混凝土结构设计的分析

关于大跨度钢筋混凝土结构设计的分析
摘要：笔者结合现行规范方法，针对某工程预应力混凝土框架进行设计的基础上，全面的论述了竖向及水平构件侧向约束作用，对预应力加载效果的影响程度，目的是结合工程实际正确的分析出设计中应注意的问题。

关键词：有效预应力；侧向约束；变形协调
一、引言
我国城市地区大跨度预应力混凝土楼盖结构，在工程中的应用越来越多，设计人员对其结构受力性能的了解，直接影响着结构设计的合理与否，甚至影响到建筑结构的安全与造价。

对大跨度预应力混凝土楼盖的受力性能的研究可以分析结构的合理形式以及存在的问题，为工程实践提供了可靠的参考依据。

二、设计工程概述
本文是结合某工程设计有3层裙楼其中2 层作为室内运动馆使用，其屋面上设有38m×20m 露天游泳池，水深1.5～1.8采用钢筋混凝土框架结构，顶层设计为3跨，边跨跨度为3.4m，中跨为满足室内运动馆的使用功能需要，跨度达28m。

三、选定建筑结构方案
本工程采用预应力技术，其中屋面大跨度梁采用有粘结部分预应力混凝土结构，截面为边跨500×1500，中跨500×1900，游泳池最大水深1.8m，其活载高达18kn/m2。

在中跨满负载作用下，边框柱处于受拉状态，故采用无粘结部分预应力混凝土柱，截面700×
700，中柱及其余梁则为普通钢筋混凝土结构，中柱截面500×1500，因游泳池水压大，故对其底板防水要求特别严格，采用160mm 厚无粘结预应力混凝土结构，梁、板、柱均为c45混凝土，普通钢筋为ii 级钢，预应力筋为1860级φj15.24高强低松弛钢绞线，施工采用有粘结与无粘结工艺相结合的方法，锚具为ovm系列，张拉控制应力取0.75σcom，见图1。

四、大跨度预应力筋曲线设计
梁预应力筋的布置应尽可能与外弯矩一致，在外荷载弯矩较大的截面处（如跨中、支座等），应尽可能使预应力筋靠近受拉边缘，即尽量增大偏心距ep 使之产生较大的预应力弯矩npep 来平衡外荷载引起的弯矩。

综合考虑梁在外荷载作用下的弯矩，预应力筋采用带反弯点的正反抛物线布置，其分布和中跨梁的配筋分别如图2～3所示。

图2 图3 预应力混凝土梁的配筋
边框柱柱顶偏心弯矩较小，设置预应力筋可避免在中跨满负载作用下边框柱受拉而开裂，故边框柱预应力筋采用直线布置，柱中配3φj15.24 无粘结钢绞线。

板的跨度较小，设置预应力筋有利于抗裂，为便于施工，采用直线布置，板中设φ***********无粘结钢绞线。

梁及柱预应力筋采用一端张拉，板则因预应力筋长度接近50m故采用两端对称张拉。

五、综合分析预应力技术
在超静定预应力混凝土结构中，与预应力构件相连的竖向和水平
构件会产生侧向约束作用，从而限制梁或板的轴向变形，影响预应力向梁或板的传递，此时，梁或板中不仅存在次弯矩和次剪力，还会产生次轴力，特别是竖向构件和相邻水平构件侧向刚度较大时次轴力也较大，导致传递到梁或板的有效预应力大幅折减，实际挠度和裂缝宽度超出计算值，造成安全隐患。

（一）、对采纳轴向变形的结构研究
对轴向变形的结构研究主要是通用的有限元程序ansys对本工程预应力结构进行内力分析，根据结构平面布置选取3榀框架建立混凝土杆系有限元分析模型（见图4），梁、柱均采用ansys 单元库中的beam188 单元（其中梁考虑翼缘作用取t型截面）；考虑到纵向柱列跨数多、纵向抗侧刚度大，计算模型中约束边框架柱顶节点z 向位移。

预应力的作用采用等效荷载法施加在梁上，施工和使用阶段梁的等效荷载。

（详见图5）
图5 梁等效荷载简图
（a）使用阶段；（b）施工阶段ansys 单元库中的beam188 单元（其中梁考虑翼缘作用取t型截面）；考虑到纵向柱列跨数多、纵向抗侧刚度大，计算模型中约束边框架柱顶节点z 向位移。

预应力的作用采用等效荷载法施加在梁上，施工和使用阶段梁的等效荷载。

预应力张拉时设每道梁均为一次性张拉锚固，从中间往两边依次对称进行，即预框梁①→预次梁①→预次梁②→预框梁②→预框梁③。

张拉过程中各预应力梁内的轴力变化具有以下特点：（1）第1道梁（预框梁①）张拉时，其余梁内均产生附加轴力。

对于中跨
预应力梁而言，邻近预次梁内产生的附加轴力最大（约624kn），而平面位置相对较远的预框梁②、③则较小（仅44.6kn）；对于边跨预应力梁而言，其影响趋势与中跨梁相同，但梁内产生的附加轴力则相对要小得多。

同时第1 道梁（预框梁①）张拉时本跨梁内实际建立的轴力与施工张拉力相比，边跨梁中轴力约为后者的84%中跨梁约为59%。

（2）其余梁依次张拉时，相邻已张拉锚固的预应力梁出现轴力增大现象，其中边跨梁增幅相对较小，而中跨梁则增幅较大；平面位置相对较远的预应力梁轴力则有增有减，但变化幅度相当小。

预应力梁受相邻构件侧向约束作用的影响，梁中实际建立的有效轴力有较大的削弱现象。

预应力张拉时会在本层，本跨的预应力梁中产生轴向压缩，同时也会引起本层柱，相邻梁在张拉方向上的变形。

这种变形协调导致本跨梁的变形受到框架柱和纵向框架梁的约束，削弱本跨梁中建立的有效预压力；而且纵向框架梁平面外抗侧移刚度越大，其影响也就越大，如中框架梁（600×2000）平面外抗侧移刚度大于边框架梁（300×1500）相应中跨梁有效预压力降低幅度也比边跨梁要大得多。

本跨梁张拉时与本层柱相邻梁的变形协调同时也有利于在相邻跨梁中建立部分预压力。

以预框梁①的计算为例，受邻近预应力梁张拉的影响，梁最终建立的有效轴力比该梁初始张拉时增大了56%，影响效果非常显著。

对于已张拉锚固的预应力梁，后张拉的相邻跨梁引起该梁在张拉方向上的变形，从而降低已张拉锚固梁中预应力筋的有效预压力，这种变化从性质上说类似于锚具内缩损失。

从该梁的计算结果看来，其余4 道后张
拉的预应力梁对其引起的端节点x 向水平附加位移为0.457mm，相当于锚具内缩值增大0.457mm×0.914mm，据此可算得相应预应力损失增大27.63n/mm2 约为初始张拉应力的2%该影响值较小，施工中可采用分级张拉锚固方法进一步减少其影响。

（二）、抗裂检测与验算
根据结构所处环境状态，本工程屋面预应力梁裂缝控制等级取二级，游泳池底板裂缝控制等级则取一级，经计算各控制截面抗裂及变形均满足规范要求，屋面游泳池范围内的梁面基本处于混凝土受压区内，其余梁面则处于游泳池架空层内，而梁底处于室内状态。

六、结论与效果评价
（一）、侧向约束作用对于梁中实际建立的有效预应力存在削弱现象，因此，在本工程的实施过程中对于有明显侧向约束作用的结构，不仅应采取措施避免或减少其不利影响，设计计算中还应采用考虑轴向变形的结构分析程序进行预应力作用下的结构内力分析。

（二）、同层多道平行布置的预应力混凝土梁，本跨梁预应力筋张拉时在邻近梁内将建立一部分轴力，对邻近预应力梁内实际建立的有效预压力较为有利，设计中应考虑这部分贡献而进行优化设计，从而达到降低工程造价的目的。

本工程已竣工并投入使用，情况良好，证明了在大跨度重荷工程中采用预应力混凝土结构是成功的，也是安全可行，值得推荐的。

本工程由于应用了预应力结构设计方法，有效地解决了结构设计中大跨度和大荷载的难题。

参考文献：
[1]王彦超.大跨预应力混凝土楼盖结构性能研究[d].中国优秀博硕士学位论文全文数据库（硕士），2005，（08）.
[2]薛伟辰.现代预应力结构设计.北京：中国建筑工业出版社，2003.。