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部分预应力框架结构设计中的几个问题

顾健钱世楷

杭州市城建科研所中国联合工程公司杭州设计院

【摘要】预应力计算程序的开发和逐步成熟，使预应力这一新技术在工程设计中得到了推广和应用。本文结合作者在多年预应力设计工作中的体会和经验，着重论述了目前较多采用的现浇钢筋混凝土框架结构中部分预应力形式的灵活运用。

【关键词】预应力、计算程序、现浇框架结构、工程设计

1．引言

现浇钢筋混凝土框架结构或框剪结构因其布局灵活、造价低廉、结构刚度好、使用维护简单方便等优点成为工业与民用建筑中最为普遍采用的一种结构形式，但当柱网达到8、9米以上或楼面荷载较大时就存在结构强度、刚度和使用空间之间的矛盾，这时采用部分预应力框架结构是比较合适的，设计中也比较容易处理。有时由于形成大空间的需要，设计中也经常遇到顶层抽柱或下部几层拔柱等情况，柱网在此产生了突变，继续采用普通钢筋混凝土梁板显然不合适，假如空间较规则整齐，顶层作为屋面可以采用网架、轻钢等结构形式，下部可以按转换大梁设计。问题在于有时抽掉的柱子不很多，形成的空间不很大，且不太规则，采用网架、轻型桁架等结构不经济；或者有时屋面需作为屋顶花园或运动场地，采用网架、轻型桁架等结构既不经济又不合适。针对这样的情况，在需要的屋面或楼面梁中适当配置预应力钢筋，既减小了梁高，又能有效地控制裂缝，同样不失为设计中一种较好的处理手段。

预应力作为一项新技术，在预应力钢筋、锚具、配套张拉设备等方面已经得到了良好的发展，形成了种类多样、规格齐全的局面，为设计及施工创造了有利的外部环境。随着预应力结构计算程序的开发，结构设计师在工程中采用预应力的积极性也大为提高，然而，笔者通过多年的工程实践，深感预应力设计不能光依赖于程序计算，自己一定要学习手算复核的技巧，必须掌握判别电算结果正确与否的能力，不能简单地将程序计算结果运用到图纸上，预应力设计要谨慎，要全面考虑工程特点，确定正确的预应力方案，有时预应力配筋过多不仅仅浪费，而且会对结构产生不利影响，以致降低承载能力甚至损伤。

2．预应力混凝土结构设计软件问题

目前国内应用较多、影响较大的预应力混凝土结构设计软件有两个：最早开发面世的是合肥工业大学陈小宝博士所编的PRCS程序，另一是中国建科院开发的PREC程序，这两个程序各有其特

点，但都还不够成熟，需进一步完善。

PRCS和PREC两程序在设计中较多地用于平面框架、连续梁板的计算，PRCS具有与PKPM 及TBSA两软件的接口，PREC则是PKPM系列中的一个子模块。

PRCS是在DOS操作系统中开发的，界面相对较幼稚，运用程序时需人工输入预应力筋布置信息，确定预应力索构件、预应力筋的排数，然后逐排填写各索的定位数据及预应力筋曲线形状的参数等，这就要求设计师首先进行估算，新手运用时显得较困难，但正因为人工参与较多，每一跨预应力筋的排数及数量可灵活改变，PRCS的计算结果得到了较有力的保证，结果的可信度较高，一般应力、裂缝、挠度等均能满足规范及设计要求，预应力筋及普通钢筋的数量较合理。实际操作中需要注意之处是：在将PKPM或TBSA的数据转化成PRCS的格式后，荷载类型号为0时应纠正为PRCS的荷载类型。

PREC可谓与PRCS相辅相成，它是在WINDOWS操作系统中开发的，人机界面亲切，某根梁若需设计为预应力，只要点一下，程序便自动生成曲线筋形状信息，计算出预应力筋及非预应力筋的数量，并绘制成图，显然其智能化水平较高。但问题正在这里，对一根多跨连续梁，各跨控制截面内力往往大小不同，只要某一截面的某一项验算内容不符合要求，程序就会自动增加预应力筋的数量，其结果之悬殊有时不能用于设计，因为太多的预应力筋对受力小的截面不仅仅是浪费，有时甚至会产生不利影响。所以，设计师务必做到心中有数，对任何计算结果一定要有正确的判断力。

目前在设计中，较多将两个程序配合使用，即运用PRCS的计算结果，配合PREC自动生成的图形，适当调整配筋。笔者认为，运用程序进行预应力设计计算，应当建立如高层建筑的结构设计那样的规定，即采用两种程序进行复核互校，综合分析，正确应用。

3．多层单跨框架梁预应力设计问题

某鼓风机厂核电仓库系四层单跨现浇框架结构，楼面采用梁板结构形式，跨度为15米，柱距6米，二、三层楼面活荷载达30kN/m2、四层楼面活荷载达10kN/m2 ，且底层设有5t电动单梁桥式起重机，二、三层设有3t电动单梁桥式起重机。由于每层净高和总高24米的限制，框架梁按一般钢筋混凝土梁设计无法满足规范要求，钢结构造价则太高，比较后决定在各层框架大梁中采用有粘结预应力高强低松弛钢筋，设计成部分预应力结构。二、三层框架梁高取为500x1200mm，配置4束6φj15.2钢绞线，四层梁高取为400x1000mm，配置2束6φj15.2钢绞线。本工程框架梁配筋图见附图1。

对于如本工程这一类活荷载大、楼盖厚重、跨度也较大的多层单跨框架结构，有几点值得注意：（1）在普通钢筋混凝土结构中，极限破坏时支座混凝土受压区高度限制为x≤ξh0，一般ξ≤0.45很容易满足，但在预应力结构中这一条件控制为ξ≤0.35h0甚至更小，因荷载大，往往不容易满足，所以在详细计算前，特别是采用手算时，对这一条件进行估算就能少走重复之路。（2）因活荷载所占比例较大，梁板截面刚度不宜过小，以防活荷的不均匀分布造成结构扭转，配筋时也需注意梁上

部非预应力筋不能太少，以免预应力产生过大反拱造成上部梁面开裂。（3）柱截面及与柱相交的连梁截面均不宜太小，柱截面太小因柱大偏压配筋过多，使梁柱节点钢筋过分拥挤，影响混凝土浇捣密实性；笔者认为这一类框架梁与柱的线刚度比宜控制在0.5~1.2之间，对结构整体刚度较有利。本工程柱截面为600x900m，由于柱截面足够大，梁柱节点可采用刚接，梁高可减小，符合使用要求。

4．双向多跨框架梁预应力设计问题

某通讯有限公司标准厂房，平面尺寸为128x106米，柱网为12x10米，共两层，二层楼面活荷载为12 kN/m2 。设计中二层楼面采用现浇钢筋混凝土井字梁结构，在双向框架梁中配置了无粘结预应力筋，屋面则采用轻钢结构，围护墙采用夹芯彩钢板。根据预应力张拉行程及施工特点，在结构平面两个方向中间各设置了一条后浇带，将结构分成四个单元，预应力筋在后浇带处断开，使各单元的预应力筋均为两端张拉方式。后浇带处的预应力筋须按照两阶段进行验算：在施工阶段按悬挑梁验算并按悬挑梁配置预应力筋和非预应力筋，然后再按使用阶段的连续梁内力进行复核，将配筋不足的断面用非预应力筋补足。后浇带范围的钢筋构造节点见附图2。与常规后浇带不同的是，在这儿非预应力钢筋应处理为断开，不断开既影响张拉，又对预应力的建立有约束。

本工程特点是平面尺寸较大，预应力筋波段较多，若预应力筋在后浇带处不断开而通长布置，中间几跨的预应力损失可达40%以上。经过分析比较，采用上述分单元施工的方案，若预应力筋在中间某支座处断开，采用如附图3所示的交叉搭接锚固张拉方式，对张拉缺口处的构件有削弱，同时因后浇带尚未封闭，也存在预应力筋（束1）局部曲率产生较大变化的缺陷。而图2所示构造较好地利用了后浇带位于各跨的中间、弯距值较小、配置非预应力筋能够满足受力要求的特点，为从整体上合理构造、方便施工、缩短周期创造了条件。