大跨预应力混凝土结构的设计

混凝土 2009-06-24

　　摘要：介绍了某大型火力发电厂4 层跨度为18 米单跨部分预应力混凝土框架梁的设计计算情况。结构采用预应力度法进行计算，概念明确，设计方便，适用于各类预应力混凝土框架结构的计算，选择预应力度、确定预应力配筋。

　　关键词：预应力框架，大跨度，预应力度

　　1. 引言

　　某火力发电厂主厂房除氧煤仓间单跨18 米，四层总高为46 米。一、三、四层有楼板，二层无楼板。根据工艺专业所提供的单框架参数，采用普通混凝土框架结构在理论上是可行的。通过采用中国建筑科学研究院PKPM 系列分析与设计软件的PK 模块进行计算，分析计算结果发现：由于作用于梁上的荷载较大，二层梁采用截面尺寸为700mmx4000mm 进行承载力计算时，梁下部受力需筋33549mm2,需要33 根直径36 的三级钢筋，按照混凝土构造要求，底部钢筋的排数将达到7 排以上；一层梁采用截面尺寸为700mmx3000mm，梁下部受力需配筋10248mm2,需要11 根直径36 的三级钢筋。在保证满足裂缝宽度要求和考虑多层钢筋的折减因素，需加大梁的截面高度和受力钢筋面积，如此大的钢筋用量在实际工程中是十分不合理的（钢筋的配筋率达到将近2.3％），因此采用常规的现浇钢筋混凝土框架结构是不可取的。通过结构分析发现，采用常规现浇框架结构主要是在框架梁的挠度、裂缝控制和受力钢筋面积过大方面不能满足要求。

　　在目前常用的混凝土结构中，特别在大跨度混凝土结构，预应力结构被广泛地运用。由于预应力结构采用高强度钢筋可以减小受力钢筋面积；在混凝土梁上施加预应力使受拉区混凝土产生预压应力，并使混凝土梁产生向上的反拱，从而改善混凝土梁的裂缝宽度和挠度。

　　预应力结构可以使大跨度框架梁的挠度、裂缝宽度得到较大的改善，受力钢筋面积和梁截面尺寸可以大幅度减少，从而满足工程实际的要求，因此本工程拟采用后张法有粘结部分预应力框架梁结构，两端张拉，裂缝等级按三级控制。一二层梁布预应力筋，一三层梁截面尺寸为800mm×2500mm ,二层为800mm×3400mm ，四层为800mm×2000mm,一、二、三层柱截面尺寸为800mm×1800mm，四层截面尺寸为800mm×1400mm。图1 为框架立面图：

　　2. 设计计算

　　2.1 材料

　　2.2 预应力筋的布置

　　预应力筋线形不宜采用折线形预应力筋线[1]，主要是因为较多的折角使预应力筋穿束施工困难，梁内预应力采用曲线布置：由三段抛物线组成，以尽可能减少预应力筋的孔道摩擦损失，提高截面的有效应力。采用sap2000 计算出梁在各种荷载情况下的内力，绘出弯矩图，根据弯矩形状，合理地布置预应力筋曲线，见图2：

　　2.3 预应力筋的估算

　　采用部分预应力比为指标的预应力度法进行计算，并在长期荷载下满足抗裂要求。预应力度法[2]即混凝土结构由以往被动的校核预应力抗裂系数，发展为主动根据性能要求设计并满足承载能力，按预应力度的大小设计结构。

　　故上述各运算均属部分预应力，在标准荷载下有发丝裂缝出现，无需计算裂缝。按预应力度法计算预应力筋概念简明，计算方便优化了结构的设计。

　　3. 张拉方案[4]

　　1)现场同条件养护下的混凝土试块达到设计强度的100%，且下达张拉通知单后方可张拉。两端张拉，先张拉第一层，张拉完毕再张拉第二层。

　　2)张拉时按控制应力值和变形伸长值进行双重控制，以应力为主，复核伸长值。

　　4. 结论

　　1)应力比“预应力度法”[1]通过大量的工程实践，已反应出按预应力度法来计算各种高效有粘结或无粘结的全预应力、有限预应力或部分预应力混凝土框架结构是一种概念简明、计算方便，对于超静定结构也是一种应力定量的荷载平衡法，即通过使用状态所需预应力度、应力大小、荷载确定预应力筋，通过预应力度、拉应力限制系数。抗裂系数和预应力比的定量分析，可对结构进行优化设计。

　　2)配置部分非预应力筋，即承担了部分抗弯承载性能，又增加了结构的延性，有较好的抗震性能。

　　3)采用部分预应力混凝土结构与其他结构相比，减小了截面的尺寸，降低了层高，节省了钢材，节约了工程造价。

　　参考文献

　　[1] 赵勇，程浩，李伟兴，季跃.超长预应力混凝土框架梁的布索方案[J].结构工程师,2004,20(6):6-10.

　　[2] 陈惠玲.部分预应力结构设计的应力比“预应力度法”[J].建筑结构,1993,(1):3-9.

　　[3] 房贞政.预应力结构理论与应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2005.

　　[4] 原丰亭，李树昌.多层大跨预应力混凝土结构的应用[J].建筑结构，2002，32(6):26-28.

　　[5] 预应力混凝土结构抗震设计规程（JGJ140-2004）[S].北京：中国建筑工业出版社，2004.