预应力混凝土梁在转换层中的运用
——苏州西山宾馆预应力承托框架大梁结构的设计

李远建

（CCDI悉地（苏州）勘察设计顾问有限公司，江苏苏州 215000）

预应力混凝土梁在转换层中的运用
——苏州西山宾馆预应力承托框架大梁结构的设计

李远建

（CCDI悉地（苏州）勘察设计顾问有限公司，江苏苏州 215000）

结合工程实例，介绍了预应力混凝土梁在转换层中的运用，有关经验可使相关专业人员参考。

预应力混凝土梁；转换层；承托框架

1　问题的提出及工程概况

现代建筑向多功能，综合用途发展，在同一竖向直线上，顶部楼层布置住宅，旅馆，中部楼层作为办公用房，下部楼层作为商店，餐馆，文化娱乐设施，不同用途的楼层，需要大小不同的开间，需用不同的结构形式。为了满足建筑功能的要求，结构必须以与常规方式相反进行布置，上部布置小的空间，下部布置大空间；上部布置刚度大的剪力墙，下部布置刚度小的框架柱。为了实现这种结构布置，就必须在结构转换的楼层设置转换层。按转换层所实现的结构转换，可分为三类：（1）上层和下层结构类型转换。（2）上，下层的柱网，轴线改变。（3）同时转换结构型式和结构轴线布置。本文将用一工程实例对设计和施工简单，受力明确，运用最广泛的梁式转换作一浅析。

苏州西山宾馆1998年完成设计，1999年完工，建筑面积22 500 m2。高度35.3 m。由于建筑设计上在建筑首层（结构第二层）在中庭处要求共享空间的需要，结构利用三，四层间的设备层高度做了19.7 m跨度的上面承托七层框架（包括屋顶机房，水箱间）及设备层共八层的荷载的预应力混凝土大梁，梁的截面尺寸750 mm×3 000 mm。抗震设防裂度六度，抗震等级三级。

预应力大梁上承托七层框架是一个复杂的超静定结构，预应力的设置能提高大梁的刚度，减小大梁变形，提高大梁的抗裂度，但预应力的张拉对超静定的框架体系也会带来复杂的次弯距和其他附加影响，设计时应给予必要的重视。另外对预应力束的数量，预应力的大小，预应力束的形状等也需要精确科学地设计。

2　预应力结构设计计算

2.1预应力钢筋数量的估算

（1）预应力平衡弯距内力的确定

该工程采用TBSA5.0版程序进行整体内力分析，计算结果见表1。

表1　计算结果汇总表

本工程构造上利用设备层层高作为大梁梁高，梁高3.0 m，梁本身有较强的抗弯能力，所以预应力数量不必太多。考虑到若预应力度较高，则预应力产生的平衡荷载会远大于结构自重，预应力会在上部结构中产生较大的次内力，在上部结构横梁内引起较大的拉力，这容易使上部结构产生裂缝。所以本工程的平衡弯距取总荷载下的弯距的50%，即预应力平衡弯距为：M0=0.5×37 677=18 839 kN·m。

（2）预应力束数量的估算

预应力大梁使用OVM系列锚具，采用集束布置，每个集束分别有12和9根钢丝束，每根钢丝束由7s15.2组成。公称面积9s15为1 260 mm2;12s15为1 680 mm2。

fptk=1 860 kN/mm2；fpy=1 200 N/mm2；混凝土C60 ftk=2.95 N/mm2；

σco n=0.75fptk=0.75×1 860=1 395 N/mm2。

总预应力损失按30%估计；有效预应力为1 395×（1-0.3）=976.5 N/mm2。

Ms=28 437 kN·m考虑次弯距影响取MS’= 1.2×28 437=34 124 kN·m。

Ml=25459kN·m；Ml’=1.2×25459=30551kN·m。

支座截面、跨中截面见图1、图2。

图1　支座截面

图2　跨中截面

（3）预应力损失计算：本工程均按当时规范进行计算。总损失为21%。原估算可用。

2.2预应力框架结构内力计算及分析

预应力框架结构的内力计算与非预应力框架结构内力计算是完全不同的，预应力框架结构的内力大小与施工，使用各阶段的实际情况有关。在框架结构个别大梁上施加预应力，结构分析必须按施工，使用各阶段及施工实际支撑分批张拉等分别进行计算，才能体现结构内力和变形的真实情况。

在框架结构的局部大梁上施加预应力，不能简单地使用单根简支梁来进行分析计算，其原因是框架结构本身是一个复杂的超静定结构，施加预应力时，由于框架结构的约束作用，形成较大的次内力。尤其值得注意的是在张拉预应力刚完成时，预应力损失尚未全部完成，这时预应力张拉对上部结构的影响较大，设计人应慎重复核这个阶段上部结构杆件的强度和抗裂。

2.3预应力的抗震配筋

对预应力框架抗震设计由于当时规范（GBJ10-89,JGJ3-91）中还没有预应力混凝土抗震设计条款，因此实际工程是参照普通混凝土框架进行抗震设计和构造，对抗震设计的指导思想是：（1）框架梁要有良好的延性与耗能能力，成为主要耗能构件。（2）柱应比其他构件具有较大的安全储备。（3）梁柱节点与连接要有足够的受剪承载力。PRC框架只是RC框架的一种特殊情况，RC框架的抗震设计原则和构造措施，例如：强柱弱梁，强剪弱弯，实现梁铰机制，控制柱轴压比，加强对临界截面混凝土的约束和受力钢筋的锚固等等对预应力框架都是适用的。

本工程控制两个指标来满足框架横梁抗震要求：配筋指数w其反映了达到极限时截面上混凝土平均压应力的大小与受压高度X之间有实质上的对应关系，受压区高度X控制了配筋指数W，也就是控制了X/h。本工程W<0.2、X/h<0.25均满足现行GB50011-2010的要求。预应力度PPR反映预应力大小对结构受力性能影响从抗裂看：PPR大一些较好，从抗震角度看PPR不宜过大，对与PPR=0.5～0.7的部分预应力框架，若设计合理，其抗震性能与RC框架十分相似，可同样实现梁铰机制，当梁端受压区高度X/h<0.2时，梁端塑性铰具有满意的塑性转动能力，可以满足位移延性的要求，本工程梁端X/h=0.11实现了较好的延性和耗能。

3　结　语

根据现行规范《GB50011-2010》及《JGJ140-2004》中所关预应力抗震设计的要求，虽然过去了十多年，该工程的设计原则，参数和计算结果，施工张拉过程中的监测数据都表明该设计完全符合要求。

通过苏州西山宾馆预应力承托框架大梁结构的设计的分析，证明在建筑功能上十分需要时，用预应力大梁来承托几层框架结构是可行的，但在设计过程中则必须十分慎重，应认真考虑预应力张拉对超静定框架体系产生的次内力，应慎重考虑预应力度，预应力束的形状，位置，并进行必要的强度，变形，抗裂的计算。

TU31

B

1009-7716（2016）10-0156-02

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.10.049

2016-06-20

李远建（1965-），男，江苏苏州人，高级工程师，从事结构设计工作。