大跨度厂房结构设计探讨

秦耐尔

中图分类号：TU2 文献标识码： A 文章编号：

摘要：本文结合某工厂厂房实例，进行了设计，采用后张法预应力混凝土技术，有效解决混凝土结构在大跨度、重荷载建筑结构中应用的难题，并研究了预应力混凝土框架梁的设计过程及相关构造措施，具有重要的意义和价值，供参考借鉴。

关键词：预应力混凝土；后张法；预应力筋；框架梁

Abstract: combining with a factory workshop examples, the design, the law after a prestressed concrete technology, effectively solve the concrete structure in the large span and heavy load building structure of the applications of the problem, and the prestressed concrete frame beams of the design process and related structural measures, and has important significance and value, for reference for reference.

Keywords: prestressed concrete; This method; Prestressed; Frame beams

1工程概况

某公司装配车间共2层，建筑面积约6.1×104m2，主要柱网尺寸为12m×12m、12m×15m，底层层高9.5m，2层平均层高9.58m（檐口高度18m，屋脊高度20.16m），底层局部设有夹层，作为设备及办公用房。2层楼面考虑小吨位叉车运行，活荷载按9.0kN/m2取值；屋面活荷载2.0kN/m2。横向长度205.9m，分为A、B、C三个区段（5m×12m、6m×12m、6m×12m），伸缩缝宽150mm；纵向长度144m（12m+8×15m+12m）,纵向不设缝。车间典型剖面如图1所示。

图1某装配车间剖面图

2结构设计基本参数

本工程场地土类别为Ⅱ类，建筑抗震设防类别为丙类，地震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为第一组；基本风W0=0.35kN/m2,地面粗糙度为B类；基本雪压S0=0.60kN/m2，设计使用年限50a，建筑结构安全等级为二级。

根据工程实际情况，经分析比较，2层楼面及屋面框架梁采用后张法预应力混凝土梁，框架柱、次梁及板采用普通钢筋混凝土结构。

楼面及屋面纵向预应力框架梁截面尺寸为500mm×1200mm、横向预应力框架梁截面尺寸为500mm×1000mm；次梁为3m×3m区格的井字梁结构，2层楼面次梁截面尺寸300mm×800mm，屋面次梁截面尺寸250mm×600mm；框架柱截面尺寸800mm×800mm，楼面板厚120mm，屋面板厚110mm。预应力筋选用高强度低松弛预应力钢绞线φS15.2mm，强度标准值fptk＝1 860N/m m2，非预应力筋采用HRB400级热轧钢筋。预应力梁混凝土强度等级为C40，非预应力梁板混凝土强度等级C30。预应力筋的孔道留设采用预埋金属波纹管。预应力筋锚具采用QM型锚具系列，张拉端采用夹片锚具，固定端采用挤压锚具。锚具为预应力体系中的重要的部件，必须严格要求，出厂前应按规定进行检验并提供质量证明书，进场后应抽样进行外观检查，并进行组装试验，确认合格后方能使用。

3预应力框架梁设计

主体结构采用多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件SATWE进行内力分析，计算得各控制截面内力如表1。

3.1预应力筋束形

框架梁预应力筋的线型应尽可能与竖向荷载产生的弯矩图相一致，预应力筋按正、反抛物线形布置，反弯点的位置取距梁端0.15倍的跨度处。边支座处的预应力筋在满足抵抗截面负弯矩的前提下适当下移，以减少中间支座处的摩擦损失。同时预应力筋下移，梁端约束次弯矩增大，次弯矩越大对顶层边柱的影响越有利。该工程为双向预应力布置，纵横向的预应力筋在支座处形成交叉，根据弯矩值的大小，纵横向预应力筋距梁顶分别定为150mm和250mm，并在计算预应力筋面积时加以考虑。纵横向框架梁预应力线型如图2、图3所示。

3.2框架梁预应力筋估算

对处于室内正常环境，跨度为一跨、两跨及三跨的框架梁，预应力筋的面积按满足最大弯矩截面抗裂要求估算。楼面梁按在荷载效应的标准组合下，构件边缘混凝土拉应力满足下述限值要求估算预应力筋：

楼面梁的预应力筋面积估算公式：

屋面梁按在荷载效应的准永久值组合下，构件边缘混凝土不产生拉应力，满足下式要求估算预应力筋：

屋面梁的预应力筋面积估算公式：

式中，为荷载效应的标准组合下抗裂验算边缘的混凝土法向应力；为荷载效应的准永久组合下抗裂验算边缘的混凝土法向应力；为由预加力产生的混凝土法向应力；为混凝土轴心抗拉强度标准值；β为预应力次弯矩影响系数，框架梁的支座截面取0.9，框架梁的跨中截面取1.2；为荷载效应的标准组合弯矩值；为荷载效应的准永久组合弯矩值；为预应力筋重心至截面重心轴的距离；为预应力筋的有效预加力，对单跨框架梁，可取；对二跨和三跨框架梁的内支座截面，可取，边跨跨中及边跨支座截面，可取，三跨内跨中，可取。

各控制截面按上述公式估算的预应力筋面积见表2。

3.3预应力损失的控制

本工程纵横向均为连续多跨，纵向为10跨共144m长，横向最大的分段为6跨共72m长。合理的进行张拉分段，尽可能将预应力损失控制在一定范围内，节约锚具、方便施工。张拉控制应力，超张拉3%。图4、图5为2层楼面框架梁两端张拉时，有效预应力与连续梁跨数关系曲线。

横向设置伸缩缝处无法进行预应力筋的张拉，只能设为固定端。一端固定一端张拉，张拉段为12m时，跨中预应力损失为；张拉段为2×12m时，支座和跨中最大的预应力损失分别为、。

根据上述分析，纵向共分为4个张拉段（12m+15m、3×15m、3×15m、15m+12m），均为两端张拉。横向伸缩缝处，只能一端张拉时，控制分段长度不大于两跨；可以两端张拉的，控制分段长度不大于三跨。施工过程中严格控制波纹管的定位偏差，保证预应力筋线形平滑无转折，减少预应力筋的孔道摩擦损失。为减少混凝土收缩和徐变引起的预应力损失，梁混凝土内掺入适量的膨胀剂，并适当延缓张拉时间，要求梁混凝土强度等级达到90%方可进行张拉。

3.4非预应力筋计算

预应力框架梁中配置的非预应力筋，一方面与预应力筋共同作用满足承载力强度的要求，另一方面配置了非预应力筋能够增加结构的延性，有利于改善裂缝和提高能量吸收能力，对结构抗震有利。

按正截面受弯承载力计算非预应力筋时，应考虑张拉预应力引起的变形受到约束产生的次弯矩M2，次弯矩与框架结构恒载及活载产生的弯矩进行组合，支座处考虑次弯矩对框架梁的有利影响，跨中考虑次弯矩对框架梁的不利影响。正截面承载力计算：Mu≥Md-M2（支座截面）、Mu≥Md+M（2跨中截面）。

实际工程中采用预应力混凝土结构设计软件PREC将施加的预应力作为等效荷载与结构恒载、活载组合，利用SATWE核心计算模块进行结构计算，得出施加预应力后的全楼梁、柱计算配筋。

按上述方法计算的非预应力筋，应满足《预应力混凝土结构抗震设计规程》中对预应力混凝土框架梁的受压区高度、钢筋配筋率等构造要求。

3.5预应力混凝土梁的各项验算

采用预应力混凝土结构设计软件PREC，按实配的预应力筋及非预应力筋进行正截面承载力、抗裂、挠度、裂缝宽度、预应力度验算。反复试算使各项验算指标满足规范要求。本工程控制截面实配预应力筋、非预应力筋见表3。

4构造措施

4.1框架梁加腋

对两跨和两跨以上的框架梁，在竖向荷载的作用下，中间支座弯矩比边支座和跨中弯矩大很多，因此受弯承载力和裂缝控制的截面都在中间支座处，为了保证所有控制截面在预应力筋数量相同的情况下，各控制截面均有比较接近的承载能力和抗裂性能，可在中间支座处加腋。本工程加腋高度0.2h，长度为0.1倍梁跨度，内力分析和配筋计算时不考虑加腋的有利作用。

4.2连续梁预应力筋张拉

预应力筋分段张拉，在支座处搭接，支座处钢筋较密，张拉方案既要方便预应力筋和非预应力筋的敷设、绑扎，又要方便张拉设备的安装及操作。本工程连续梁中间张拉端在梁侧预留张拉孔，待张拉完成后再浇筑预留部分的混凝土，具体做法见图6。

5结语

本工程于2009年竣工并投入使用，主体结构未出现超出规范的变形及裂缝，屋面无渗漏，达到了预期的设计效果。通过预应力筋和非预应力筋的合理配置，能有效控制使用荷载作用下的结构裂缝和挠度，在承载能力极限状态下框架有较好的延性和吸收能量的能力，满足地震区对预应力框架抗震性能的要求。

参考文献：

【1】JGJ 140-2004预应力混凝土结构抗震设计规程[S].

【2】施岚青，陈嵘.预应力混凝土实用技术[M].北京：中国建筑工业出版社，2008.

【3】GB 50010-2002混凝土结构设计规范[S].

【4】GB 50009-2001建筑结构荷载规范[S].

【5】熊学玉，黄鼎业.预应力工程设计施工手册[K].北京：中国建筑工业出版社，2008.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。