大跨度混凝土框架梁优化设计

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摘要：本文结合工程实例，介绍了大跨度预应力混凝土框架梁预应力结构的优点，并对预应力混凝土抗裂性能的控制、梁加腋处理、有粘结预应力混凝土构造处理等优化结构设计措施进行详细分析探讨，对其经济性进行了分析比较。

关键词：大跨度混凝土；框架梁；构造处理；设计

中图分类号：S611文献标识码： A 文章编号：

引言：在建筑工程设计中，通过进行优化设计，往往能取得更为良好的工程效果和经济效益，本文拟以某工业厂房结构优化设计进行分析与探讨。

一、工程概况

本工程为6层建筑的工业厂房，平面尺寸45.0m×45.7m（图1）其中A～B及C～D轴间为6层厂房，车间。B～C轴为单层车间,跨度为25m，屋面为厂外空间。结构平面图如图1.

图1工业厂房二层结构平面图

二、结构方案及预应力体系选择

1、结构方案选择

根据建筑功能要求，首层需为大空间布置，二层楼面②～⑨轴上框架主梁跨度为8m+25m+8m（两端各悬挑2.0m），二层楼面为厂外空间，活荷载较大，为6.0KN/m2。由于跨度大、承担荷载重，已超出普通钢筋混凝土经济范围，大跨度方向的框架主梁采用预应力混凝土结构，小开间方向为普通钢筋混凝土次梁、普通钢筋混凝土板（图1）。

预应力框架主梁的经济跨度为12～35m，梁跨高比15～20。在该跨度范围内采用预应力混凝土，可解决大跨度梁的抗裂、挠度问题，扩大柱网，形成大空间，提高建筑物的使用功能。考虑到便于施工和减轻施工难度，建议采用现浇预应力混凝土。

2、预应力体系选择

由于本工程为大跨度（25m）重荷载的梁式承重结构，故采用有粘结预应力混凝土。至于有粘结梁中的预应力孔道与梁、柱普通钢筋的相互矛盾，可以通过精心设计、合理施工来解决。有粘结预应力施工较无粘结多了孔道留设、孔道灌浆两个工序，对有经验的专业施工单位来说并不困难。

三、大跨度预应力混凝土梁的设计优化处理

1、结构内力分析时,对活荷载在不同阶段的取值做了处理

预应力框架主梁跨度：2m+8m+25m+8m+2m（两端跨悬挑），截面尺寸：YKL1-P400mm×1000mm，YKLI-B450mm×1000mm（内支座处加腋高度300mm），YKL1-2450mm×1300mm（支座处加腋高度300mm）。

在荷载取值时，作了如下处理：考虑二层屋面活载（6.0KN/m2）中相当部分为覆土荷载，是长期作业在结构上的，为安全起见，在抗裂性能验算时，将活载中的4.0KN/m2作为恒载考虑，在承载力极限计算时，全部活载作为活载考虑。这样处理符合工程实际情况，对长期荷载组合时的抗裂性能控制较严。

由恒载、活载作用下的弯矩图可知，关键截面在25.0m跨梁的支座处，8.0m跨中支座截面内力也比较大，这两个截面做了加腋。在建筑允许时，关键截面加高是经济的手法。

2、针对各截面所处环境的不同,拉应力控制系数有所区别

在规范允许范围内，本工程设计中，我们参考国内一些权威的研究结果，结合本工程的特点，设计了一组抗裂控制指标。

中等侵蚀性环境预应力框架梁的裂缝控制及抗裂验算公式可按下式：

短期组合：σsc-σpc≤actsγftk，actsγ取2.0。

长期组合：σlc-σpc≤actlγftk，actl取0。

根据本工程的具体情况，对抗裂控制作了特别考虑：本工程2m+8m+25m+8m+2m（两端各悬挑2.0m）的框架主梁的关键截面在25m跨梁的支座处，其上边缘的抗裂性能是整榀梁预应力设计的关键，而且该处露天，其抗裂要求较高；而其余截面的内力均较小，且处于厂内，抗裂要求可适当放松。即按荷载短期效应组合进行计算时，梁截面受拉边缘混凝土产生的拉应力不超过actsγftk，在25.0m跨（露天）支座处acts取不大于0.6，其余截面（室内）取不大于1.4；按荷载长期效应组合进行计算时，梁截面受拉边缘处混凝土产生的拉应力不超过actlγftk，在25.0m跨（露天）支座处actl取不大于0.25，其余截面（室内）取不大于0.8。按上述原则结合预应力筋的合理布置进行设计既保证安全又节省造价。

3、预应力筋的布置

预应力筋采用高强度低松弛钢绞线，强度等级为1860MPa，规格为φj15.24的预应力筋，价格性能比最佳。张拉端锚具采用二夹片式锚具，固定端采用压花锚。混凝土强度等级C40。

当预应力梁为多跨且跨度不等时，预应力筋数量由最大跨度的关键截面控制。预应力筋合理布置的原则是：关键截面预应力筋数量多，其余截面预应力筋数量少，总体上用最少的预应力筋，满足各截面的使用及强度要求，同时其布置方式在施工时是可行的。本工程两边跨为短跨，中间跨为长跨，一般有以下几种预应力筋布置方式：①所有预应力筋均通长布置（图2-a）。这种布置方式构造处理较简单，但不经济。②布置一组通长预应力筋，满足各小跨度截面的要求，大跨度梁处再增加一组短预应力筋（图2-b）。这种布置方式较为经济，但如大跨度梁不是边跨时（如本工程），则增加的短预应力筋往往要在结构内（如梁面开槽）张拉，施工难度大。③布置两组预应力筋，在大跨度范围内形成交叉（图2-c）。这种布置方式较为经济，同时张拉端设在梁端，施工也很方便。本工程采用该布置方式。

梁中布置了4-5φj15.24，其中2-5φj15.24布置在YKL1-P、1、2跨内，伸入YKL1-3内2.4m锚固（如图2-C所示），在YKL1-P悬臂梁端张拉，另一组2-5φj15.24对称布置。这样一来，使25.0m跨及8.0m跨中支座处预应力筋数量为4-5φj15.24其余截面减少一半。与4-5φj15.24通长布置相比，预应力筋长度由45.0m减少到37.5m，减少约17%，锚具减少50%（固定端为压花锚，基本不耗材料）。

图2预应力筋的布置

a：预应力筋通长布置；b：大跨度梁内加一组短预应力筋；

c：实际方案预应力筋在大跨度梁范围内形成交叉布置

4、使用性能

使用阶段各关键截面混凝土应力情况见表1。由表中可见，各截面混凝土拉应力均为超过设计限值，满足要求。预应力梁中的普通钢筋按构造配筋。

表1使用阶段各关键截面混凝土应力情况

四、技术经济分析

本工程在初步设计阶段，曾与采用普通钢筋混凝土方案进行过比较。采用普通方案时。为满足强度极限要求，25.0m跨梁梁宽截面尺寸为450mm×2300mm，支座处加腋尺寸L×H为2760mm×930mm，梁中主要配筋如下：下部通长筋26φ28（四排），上部架立筋6φ25，支座加筋14φ28+7φ28。需说明的是，普通钢筋混凝土梁无法避免开裂，而且普通钢筋太多，难以施工。

预应力混凝土与普通钢筋混凝土相比，梁截面高度可减少1.0m。混凝土量可减少约44.4%，普通钢筋用量可减少约65%，8榀框架梁钢筋、混凝土部分造价可减少约10%。考虑到模板、支撑大量减少，造价还有节省。另外，梁自重减轻44.4%，梁中施加预应力筋后对柱产生有利影响，柱筋配筋有所减少。

不仅如此，同时还具有以下优点：①预应力方案降低梁截面高度。厂内净高增加1.0m，结构轻巧，改善室内观感，使用功能提高；②模板、支撑大量减少，普通钢筋大量减少，梁普钢筋由26φ28（四排）变为8φ25（二排），施工难度大大减轻；③提高了梁的使用性能，在使用期间预应力梁不开裂。如采用普通钢筋混凝土梁，将难以避免开裂，结构将带裂缝工作。

结束语

综上所述，正是由于预应力方案较普通钢筋混凝土方案具有上述优点，同时又进行了优化设计，从而降低了预应力分项工程的造价，产生了显著的工程效益。

参考文献

[1]雷文军,凌育洪.预应力混凝土的裂缝控制[J].昆明理工大学学报(理工版)，2002，(04).

[2]李胜军.多层大跨度部分预应力混凝土框架结构设计[J].建筑结构，2009，(S1).

[3]翁锦华.多层框架结构双向大跨度预应力梁柱设计[J].福建建筑，2010，(02).