厂房多层多跨预应力混凝土框架梁结构设计

关键词：厂房焊装车；多层多跨；预应力混凝土；框架梁；结构设计 

　　1 工程概况 

　　某厂房焊装车间由二层主厂房和八层辅助用房两部分组成，总建筑面积约8800平方米。该工程为现浇混凝土框架结构，其中主厂房横向框架梁采用部分预应力混凝土。在设计上我们把厂房分为A、B两区。其中A区横向框架首层为9米+15米+15米三跨连续、二层为24米+15米两跨连续;B区首层、二层均为15米+15米两跨连续，A、B区之间设伸缩缝。纵向柱距均为5米，首层层高为l0米，二层层高为9米。 

　　除两边框架及伸缩缝两侧框架外，其余横向框架均采用部分预应力混凝土结构，其中24米+15米不等跨连续梁， 在目前国内资料反映的预应力框架结构中，不等跨程度是最大的(跨度的长跨：短跨＝1∶6∶1)。 

　　 焊装车间楼面活载要求较大，为15kN/m2，而且楼面和屋面均有悬挂机械设备之集中荷重。根据厂方使用要求，屋面将用作花园及活动场地，活载为2．5kN/m2(A区)及8kN/m2(B区)。活荷载较大是本工程的特点。 

　　梁柱截面尺寸，其中24米跨梁截面为350×1700mm(高跨比约1/14)。15米跨楼面梁高1400mm，因受工艺地坑深度限制。 

　　预应力体系是采用钢绞线夹片式群锚体系。钢绞线为高强度低松驰钢绞线．规格为ΦJ15.24，强度标准值fptk为1860N/mm2。采用OVM群锚体系。本工程为后张现浇有粘结预应力混凝土。即在框架中用金属波纹管预留孔道,并穿入预应力钢绞线，浇筑混凝土后，张拉预应力筋，再孔道灌浆。本工程单束预应力筋(7-ΦJ15.24)最大张拉力达1303kN(超张拉力为1370kN)。 

　　2 设计依据 

　　本工程根据部分预应力混凝土结构理论进行设计，采用预应力筋和普通钢筋混合配筋。在长期使用荷载组合作用下允许梁中出现拉力，在短期荷载组合下控制截面允许裂缝。 

　　预应力筋在结构中，一方面起受力筋的作用，一方面其等效荷载改变了结构的受力状态。 

　　预应力筋采用曲线形式配置于构件中，当预应力筋张拉后，由于呈曲线形状，预应力筋对构件产生沿预应力筋法线方向的横向力（等效荷载)，同时预应力筋还对构件产生轴向预压力。 

　　等效荷载作用于实际构件，产生的弯矩为综合弯矩Mn，综台弯矩和轴向预压力一起在构件截面的受拉边产生预压应力σpc,即预应力筋产生的效应。 

　　3 使用荷载下框架梁弯矩图 

　　A、B两区框架在最大使用荷载作用下的梁弯矩图见图3、图4所示。 

　　3.1 A区框架梁内力分析 

　　3.1.1 楼面梁(9+15+15米) 

　　 控制截面在中跨内支座处，M＝-2333kN.m，而9米跨的各截面弯矩较小，不起控制作用。 

　　3.1.2 屋面梁(24+15米) 

　　 连续梁控制截面在24m跨的跨内(距边支座为11000mm)，M＝3960kN•m；内支座处弯矩也较大，M＝-3373kN•m；而15米跨的跨中弯矩M＝l181KN.M，其值较小，表现了不等跨梁内力相差悬殊的特点。 

　　3.2 B区框架梁内力分析 

　　楼面梁和屋面梁的控制截面均在内支座处，其中、楼面梁M=-2356kN•m；屋面梁M=-2126kN•m。此外，跨内的最大弯矩也较大，与内支座处弯矩差距不大。其中，楼面梁跨内最大弯距为2366kN•m，距边支座8300mm处；屋面梁跨中最大弯距为1946kN•m，距边支座6000mm处。 

　　4 预应力筋的布置形式及用量估算 

　　4.1 预应力筋的布置形式 

　　 在框架结构设计中，预应力筋位置的合理选择十分重要。一般应使预应力筋的外形位置与最不利的内力组合弯矩基本一致。 

　　4.1.1 A区框架梁预应力筋布置形式分析 

　　(1)楼面梁(9+15+15米) 

　　两束预应力筋在连续梁中分上下层通长布置。 

　　15米跨边跨梁：两束预应力筋均成典型曲线布置，即正、反抛物线相切的曲线，以期在跨中、内支座产生相当的综合弯矩Mn。 

　　15米跨中跨梁；两束预应力筋均成近似理想曲线布置，即正向抛物线曲线，以期在控制截面内支座处产生最大的综合弯矩。 

　　9米跨梁：该跨在使用荷载作用下的弯矩远远小于其它两跨，这是不等距连续梁的特点，从使用性能及承载力要求方面，不需要与其余两跨同样多的预应力筋。但是，如果在该跨将预应力筋切断。会带来构造、施工上的不便，且预应力筋本身节省不多。 

　　因此．在9米跨梁中，预应力筋的布置以平直、减少摩擦损失为原则。一束预应力筋在梁顶部平直通过，另一束预应力筋自跨中开始在梁底部平直通过。 

　　(2)屋面梁(24+15米) 

　　一束预应力筋在连续梁中通长布置，另一束预应力筋布置在24米跨梁内。15米跨梁内支座附近截断，以适应不等跨连续梁的特点。 

　　24米跨梁：整个梁的控制截面在该梁跨内，距边支座l米。为在该处形成最大综合弯矩Mn ，将两束预应力筋均匀布置成双折点折线，其中一个折点在控制截面附近(折点距支座为9000mm) 

　　15米跨梁：该梁的跨中弯矩及边支座弯矩与24米跨梁相比均较小，因此只布置一束预应力筋，呈典型曲线形式。这主要是为了使通长预应力筋在内支座处较为平滑，因为典型曲线在内支座处有一段反向抛物线。 

　　4.1.2 B区框架梁预应力筋布置形式分析 

　　 楼面梁及屋面梁均为两束预应力筋通长布置，且均为双折点折线，折点距支座6000mm。 

　　跨内最大弯矩截面距边支座距离分别为8300mm(楼面梁)，6000mm(屋面梁)，采用所设计的双折点折线，有一个折点距边支座为9000mm，另一个折点距边支座为6000mm，折点正好在最大弯矩截面处或附近，能够在此处产生较大的综合弯矩Mn ，而且二层梁的预应力筋布置形式统一，方便设计、施工。同时，双折点折线在控制截面的内支座处产生相当大的综合弯矩。 

　　4.2 预应力筋用量估算 

　　4.2.1 估算过程 

　　首先说明，本设计是按照规范估算预应力筋的。 

　　规范中，预应力混凝土构件按抗裂设计安全度Kf来控制的，Kf的验算公式为： 

　　Kf＝σpe+ γsKf/ K 

　　式中σ―使用荷载作用下验算截面受拉边缘混凝土拉应力。 

　　 σpe――扣除全部预应力损失后预应力筋在该截面受拉边缘产生的预压应力。 

　　 γs――截面塑性影响系数。 

　　 kf ――混凝土抗裂度。 

　　规范规定，Kf >0.7时，可不验算裂缝宽度，视为满足要求。本工程在估算预应力筋时，将控制截面的kf保持在0.75左右(实际设计中梁控制截面的K1保持在0.76～0.87之间)，预应力筋就是按这个条件估算出来的。 

　　4.2.2 估算结果 

　　本工程预应力筋为高强低松驰钢绞线，规格由ΦJ,15.24，单根钢绞线面积140mm2，强度标准值FYK＝1860MPa，张拉控制应力取σCON=1330Mpa,约为71.5%Fpk，根据结构内力图及选定的预应力筋布置形式，估算出预应力筋用量如下：

　　A区框架；楼面梁，2―6ΦJ，15.24，σy =1680mm2，屋面梁，1―7ΦJ，15.24，通长布置，l一7ΦJ，15.24布置在24米跨梁内，Ay＝1960mm2。 

　　 B区框架：楼面梁、屋面梁均为2―6ΦJ，15.24，Ay＝1680mm2。 

　　5 预应力等效荷载及综合弯矩 

　　5.1 预应力损失σL及有效预应力σPE 

　　5.1.1 计算预应力损失σL时，一些基本参数如下： 

　　张拉控制应力σcon取1330N／mm2。 

　　计算孔道摩擦损失σL2：孔道采用镀锌波纹管留设，K取,0.003，μ取0.35。 

　　计算锚具回缩损失σL4,OVM锚具属夹片式群锚具，回缩值入取6mm。 

　　 计算钢筋松弛钢材。本工程采用的钢绞线为低松驰钢材，长期松驰损失取5.5%σcon。 

　　 计算混凝土收缩徐变损失σLS5:考虑普通钢筋的影响。 

　　5.1.2 计算完各项预应力损失后，再计算出各截面处的有效预应力值σpe。 

　　5.2 等效荷载及综合弯矩 

　　 由有效预应力值σpe，计算预应力等效荷载，并计算综合弯矩Mn。 

　　6 设计构造 

　　本工程选用的OVM钢绞线群锚锚固体系，该体系配套齐全，给设计和施工带来了方便，在构造上有以下特点： 

　　 （1）OVM锚固体系在张拉端承担局部集中力的是锚垫板和螺旋筋，边柱的钢筋应适当向两边集中布置，以便在中间留出放置锚垫板和螺旋筋的空间。 

　　另外，中柱的钢筋排列，也应考虑波纹管通过所需的空间。 

　　 （2）本工程A区屋面梁的固定端锚具，选用OVM―P型锚具，这是一种埋入梁内的粘结式锚具，每根钢绞线端部先用专用挤压器挤压一个专用套筒，其作用类似于钢丝的“墩头”。然后钢绞线穿入孔道，其端部套筒与一个专用锚板一起固定在设计位置的梁混凝土内形成固定端锚具。 

　　7 结 语 

　　 该厂房焊装车间预应力混凝土结构方案，与普通钢筋混凝土结构方案相比，结构性能有所提高，取得良好综合经济效益。通过工程实测，对预应力框架设计时应取的各项系数，有了较深刻的认识。将有助于将来更经济、准确地进行部分预应力混凝土结构设计。 

　　 参考文献 

　　［1］陆益鸣,陆道渊.超长多跨连续预应力混凝土框架梁的设计［J］.建筑科学,2005,2.