无粘结部分预应力多层多跨框架的设计应用
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摘 要：预应力混凝土结构作为一种高强材料和一种有效的技术手段, 起初主要用于桥梁、厂房屋面、储仓、维、管、轨枕、电杆和桩等结构和构件, 后来逐步扩大到居住建筑、公共建筑、高层建筑、高耸结构、地下结构、海洋结构、压力容器和大吨位船舶结构等各个方面。目前预应力混凝土已成为土建工程的主要结构材料之一, 它的应用不再是简单的代替钢结构、木结构和钢筋棍凝土结构, 而是出现了一些独特的结构形式, 结构体系和施工方法,并开辟了一些其它结构材料所能替代的应用领域。 介绍了无枯结预应力技术在工业建筑的重载多层多跨部分顶应力框架结构中应用。其设计采用了应力比“ 预应力度法” , 概念明确、计算简便。
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
一、前言：
预应力混凝土结构作为一种高强材料和一种有效的技术手段, 起初主要用于桥梁、厂房屋面、储仓、维、管、轨枕、电杆和桩等结构和构件, 后来逐步扩大到居住建筑、公共建筑、高层建筑、高耸结构、地下结构、海洋结构、压力容器和大吨位船舶结构等各个方面。目前预应力混凝土已成为土建工程的主要结构材料之一, 它的应用不再是简单的代替钢结构、木结构和钢筋棍凝土结构, 而是出现了一些独特的结构形式, 结构体系和施工方法,并开辟了一些其它结构材料所能替代的应用领域。
随着预应力混凝土结构的大量实践, 逐步暴露出由于顶加应力过大而引起的一些缺陷, 如: 反拱过大, 裂缝仍然无法避免,结构延性差而对抗震不利等, 这就迫使人们去更多地探求使用性能更好的结构。奥地利的恩王格(V.Emperger)于一九三八年提出对普通钢筋混凝土附加少量预应力高强钢丝, 以改善裂缝和挠度性能的观点。一九四零年阿贝勒斯(P.w.Abeles)从“全” 预应力混凝土出发进一步提出在使用荷载作用下容许混凝土上出现拉应力或细微裂缝的所谓“ 部分” 预应力混凝土概念。“部分”预应力的概念一经提出, 立刻得到世界各国的普遍关注和广泛应用。例如：前苏联和我国于50年代采用抗裂安全系数法设计的严格要求或一般要求不开裂的顶应力混凝土结构基本上就是“部分” 预应力的, 按60年代美籍华人林同炎教授提出的荷载平衡法设计的结构很多也是部分预应力的。
部分预应力混凝土结构与全预应力混凝土结构相比, 具有反拱小、节约钢材、有利于抗震等优点;部分预应力混凝土结构与普通钢筋混凝土结构相比又具有挠度小和裂缝更易于控制等优点。因此, 部分预应力混凝土结构既是全顶应力的优化, 又是普通钢筋混凝土的优化。在以往的多层工业厂房中, 结构型式多采用柱网的钢筋硷框架, 由于柱子太多, 不利于工艺和技术的不断更新改造, 如采用网架结构虽然轻巧, 但建筑高度较高且耗钢里较大,使用维护费用高,而预应力结构不但可以做到大跨度, 满足使用功能, 而且建造和维护费用较同类钢结构低。在预应力结构中, 全预应力结构由于抗裂度要求高, 结构配筋往往不是受强度控制, 而是为满足抗裂度要求耗费了较多的高强度钢材, 部分预应力硷既具有较好控制开裂、裂缝宽度和变形的能力,又具有增加结构延性, 节省高强钢筋耗量的优点。结合所设计研究的武汉热水器厂地处飞机场附近, 建筑高度受到限制的情况下和在使用阶段对裂缝并无严格要求的特点, 经过反复比选, 认为采用部分顶应力硷结构是合适的。
此外, 考虑到简化预应力施工的埋管、穿束、灌浆等工序。采用了无粘结预应力筋和有枯结非预应力筋混合配筋的高效预应力结构, 这不仅能满足生产工艺所需的大跨度和建厂条件所限制的层高,而且还可提高无枯结预应力筋在承载能力极限状态时的极限应力, 大大改善了结构裂缝的分布与开展, 增加了结构的延性, 并加快了工期。所研究实践的武汉热水器厂主厂房平面轴线尺寸为36X68m，二跨二层, 每跨18m, 柱距7.5m, 总高13.8m, 建筑面积为。
二、结构设计构造若干处理
（一）无粘结预应力筋采用中 , 其标准强度为了 , 考虑到无粘结筋在梁的破坏阶段其工作状态在各截面的钢筋应变仍趋于一致, 以平均应变代替, 因此梁破坏时无枯结筋强度并未能充分利用。在二程设计工作中, 按“ 预应力度法” 意见无粘结筋极限强度为。
（二）无粘结预应力筋在梁内依外荷载弯矩图形状, 按二次抛物线布置。21根钢铰线分成3束,与非预应力筋同时绑扎就位, 在距端部1500mm处散开, 分批对称张拉, 并利用中国建研院夹片式锚具锚固在锚板上。张拉完毕后, 应力筋将锚具外露留长200mm, 并用加细石硷封头。框架梁跨中梁断面及无粘结筋的配置情况如图3所示。
（三）框架在外荷载作用下, 梁中支座的弯矩为跨中弯矩近约1 .6倍。本工程中, 采用了加宽梁支座, 由350mm 增至500mm , 来增加抗弯能力, 同时也调整各控制截面的预应力度及支座截面多配非预应力筋等措施。而没有采用梁高度方向加腋的方案。这主要是为了克服由预应力引起的次弯矩在加高梁局部时的不利影响, 使得次弯矩减少了支座弯炬, 同时使跨中弯矩略有增加, 整个结构配筋趋于合理。
( 四) 层柱与屋面梁交接处设计为铰结, 以防止屋面梁端部产生的弯矩对柱形成大偏心的影响而配筋过多。构造如图4 所示。
三、拉术经济效果
本工程根据建筑物所处位置和场地限制及工艺布置要求采用了无粘结部分预应力大跨框架结构, 设计控制了使坪状态下的裂缝宽度与挠度, 与。一般同类 钢般硷厂房结构相比, 工艺布里的实际有效面积增加8.59% , 地面以上用钢,土建造价.包括基础与水电在内,费用不超过10%,为工艺灵活布局及产品更新提供了良好的大空间与大通间条件。
四、结语
通过武汉热水器厂工程设计和施工的实践, 我们认为:
1 .无枯结部分预应力技术在多层多跨框架结构中应用是成功的, 为进一步推广该技术提供了有益的经验。
2．采用应力比“ 预应力度法” 设计, 概念明确, 实用性强, 利于设计人员根据不同的使用功能, 选择合适的预应力度, 使结构设计能真正做到受力合理, 经济效益好, 并具有应力、拉应力限制系数、抗裂系数等优点。
3． 二无粘结部分预应力结构采用混合配筋改善了结构受力性能和裂缝的分布, 增加了结构的延性。
4. 设计中采用的梁端加宽等构造措施来调整支座截面应力, 有利于克服次弯矩减小对梁支座截面产生的不利影响, 从而使结构受力合理。
5. 本工程采用无粘结部分预应力框架结构, 满足了建厂条件的约束( 厂区面积狭小, 建筑高度受到限制等) , 有利于工厂灵活地布置工艺生产线,提高了有效使用面积约10% , 降低了结构高度30cm以上, 综合技术经济效益显著。
6．施工程序简化, 加快了施工进度, 有利于保证工程质量和组织文明生产。