成铁工程文化活动楼预应力技术的设计研究

　　工程概况
本工程位于成都市西北桥成都铁路局工程总公司办公楼的侧面。主体建筑A区平面尺寸分别：30.8m×25.2m，柱网开间为7m，跨度分别为5.1、9.3、7.2m.建筑总高度地上23.7m，地上7层，1、2层为客房，3、4层为办公用房，5层为健身、棋牌活动用房，6层为档案室，7层为大会议室，地下室用于停放自行车。
　　A区主体结构型式为纵向框架、横向板柱结构，后张高效预应力混凝土楼屋盖，预应力筋采用无粘结筋。L～7层楼面设预应力纵向框架扁梁，每跨跨度为7m，断面尺寸为1200mm×400mm、800mm×400mm、600mm×400mm三种，楼面板为无粘结预应力板，厚度为230mm，板跨度分别为5.1、9.3、7.2m，屋面为无粘结预应力正交网格梁，柱网为21.6m×2lm，梁断面为300mm×1100mm，网格尺寸为2.33m×2.40mm，屋面板为普通钢筋混凝土板，板厚为80mm.
1结构方案的研究
1.1初设阶段由于建设方要求建筑总高度不超过24m及楼层总数不少于7层，若采用普通混凝土结构，跨度为9.3m的框架梁断面高度需900mm左右，3至6层层高为3.3m的无隔墙大间空仅为3.3－0.9＝2.4m，房间净空很低，效果很差，7层大会议室更无法使用，建筑方案不能实施。预应力结构由于能有效地降低结构构件截面高度，增加室内净空，起到在净空不变的情况下降低层高的作用。经多方案比选论证，最后决定采用高效预应力混凝土结构。
　　1.2施设阶段
3.2.1预应力结构的选择目前普遍采用的预应力结构有无梁楼盖和有梁楼盖两种。无梁楼盖有其顶棚平整、降低层高、易于布设管道等优点，但由于该工程跨度分别为5.1m、9.3m、7.2m，跨度变化较大，楼板与框架柱节点处的较大弯矩使得楼板的抗冲切较难满足。若为了满足楼板的抗冲切要求，需在柱顶加板托，这样在柱顶局部范围出现一个“墩子”，影响不准备设吊顶的客房美观。因此，决定采用有梁楼盖。
　　1.2.2楼盖预应力框架梁的设置由于客房管道井的影响，不能在横向设预应力框架扁梁，因此该工程仅纵向设预应力框架扁梁，跨度为7m，5.1m、9.3m、7.2m跨度的板将荷载直接传给纵向预应力框架扁梁，横向的风、地震等水平荷载在楼板内引起的内力，主要由配置在柱上预应力板带内的普通钢筋承受。
　　1.2.3该结构方案优点
①由于采用了预应力结构，降低了结构的断面高度，在保证室内净空的条件下，有效地降低楼层高度，同样总建筑高度下比采用普通混凝土结构多修了一层（采用普通混凝土结构由于净空原因只能修六层），为建设方多争取了一层的建筑面积，取得了很好的效益。
　　②荷载传力路线为：楼板一纵向预应力框架梁一框架柱一基础，结构受力明确，无多余的传力过程。
　　③由于仅纵向设预应力框架梁，给暖通、给排水、电力管道（线）布置提供了有利条件，减少了暖通、给排水、电力专业的设计难度。
　　2框架结构计算
2.1基本参数①抗震设防7度，抗震等级三级②场地土类别：二类场地土③混凝土：C40④楼、屋面活荷载标准值（kN／㎡）
　　健身、棋牌活动室：2，档案室：3不上人屋面：0.7，上人屋面：1.5客房、办公室、大会议室：2⑤梁、板裂缝控制等级为二级⑥结构内力计算方法：采用PKPM程序进行计算
2.2框架梁参数梁设计以D轴六层框架为例，梁内布置14根d＝15mm无粘预应力钢绞线（ ptk＝1570N／m㎡），支座及跨中均布置8Ф22普通钢筋。无粘结筋张拉控制应力бcon＝0.7×1570＝1100N／m㎡，扣除全部损失后预应力筋的有效应力бpe＝814N／m㎡.扁梁截面1200×400，翼缘板宽取2300，截面积A＝0.733㎡，惯性矩T＝0.00871m4，形心位置y1＝0.17lm，y2＝0.229m.
2.3结构内力分析结果荷载作用下弯矩包络图，预应力等效荷载综合弯矩图。
　　2.4框架梁正截面抗裂度验算
2.4.1混凝土受拉区容许拉应力荷载短期效应组合0.6γ tk＝2580kN／㎡，荷载长期效应组合0.25γ tk＝1070kN／㎡
2.4.2支座截面抗裂度Npe＝1584kN，预应力综合弯矩Mp＝272kN—m荷载短期效应组合弯矩Ms＝497.5kN－m，σsc＝（Ms—Mp）y1／I—Npe／A＝2266＜2580kN／㎡荷载长期效应组合弯矩M1＝439.8kN—m，σ1c＝（M1一Mp）y1／I—Npe／A＝l133kN／㎡（相对误差为（1133—1070）／1070＝5.9％，可）
　　2.4.3跨中截面抗裂度Npe＝1584kN，Mp＝179.6kN—m，Ms＝265.3kN—m，σsc＝92＜2580kN／㎡M1＝234.4kN—m，σ1c＝—718kN／㎡（受压）
　　2.5框架梁正截面强度验算
2.5.1无粘筋应力设计值hp＝400—60＝340mm配筋指标βo＝（Ap6pe十A sy）／（cmbh p）
　　＝0.288＜0.45应力设计值6p＝[σpe十（500—770βo）]／1.2＝910N／m㎡
2.5.2支座截面强度验算次弯矩Mc＝96.2kN—m，设计弯矩M‘＝M—Mc＝544.8kN—m，χ＝（A pбp十A s？y—A s？y）／（b？㎝）＝69mm，承载力Mu＝85l＞M’＝544.8kN—m，开裂弯矩Mcr＝Mp十（Npe／A十γ？tk）W＝600KN—m＜mu＝85lkN—m（可）
　　2.5.3跨中裁面强度验算Mc＝—88kN—m，M‘＝411.5kN—m，χ＝4lmm，Mu＝851＞M’＝411.5，Mcr＝425＜Mu＝85l（可）
　　3楼面板设计
楼板设计以五层楼面为例，板厚h＝230mm，预应力筋采用7Ф？5平行钢丝束（？ptk＝1570N／m㎡），间距为260mm，6con＝0.7×1570＝1100N／m㎡，扣除全部损失后有效应力6pe＝901N／m㎡.普通钢筋（二级钢）板底通长Ф12＠200板面支座负筋Ф12＠150.
3.1计算简图及预应力筋布置
　　（a）板竖向荷载计算简图，kPa；（b）板恒载弯矩图，kN·m； 扳活载弯矩包络图，kN·m；（d）板预应力筋布置；（e）综合弯矩图，kN·m；（f）板活载弯矩包络固，kN·m板截面参数：A＝0.805m2，I＝0.00355m4
3.2板内力分析结果
　　为方便内力组合及配筋计算，在对楼面恒活载内力分析时，板计算宽度取3.5m，与地震荷载内力分析时等宽度。
3.3板正截面抗裂度验算
3.3.1混凝土受拉区容许应力同梁
3.3.2截面抗裂度Ap＝1871mm2，Npe＝1686kN，M活＝54.1kN—m’预应力综合弯矩与恒载弯矩相互抵消，则бsc＝My／I－Npe／A＝—342kN／㎡（受压），б1c＝0.4My／I—Npe／A＝—1393kN／㎡（受压）
　　3.4正截面强度验算（无地震组台）
　 3.4.1无粘结筋应力设计值
　　平均6p＝（бpl十бp2十бp3十бp4）／5＝958N／mm2
3.4.2支座截面强度验算Mc＝35.9kN—m，M‘＝254.9kN—m，χ＝35mm Mn＝484＞M’＝254.9，Mcr＝376＜Mu＝484（可）
　　3.4.3跨中截面强度验算
　　3.5正截面强度验算（有地震组合）
　　3.5.1边支座χ＝12.4mm，Mu＝125＞M‘＝71.8kN—mб
3.5.2中支座M’＝236Kn－m<无地震组合的M‘＝254.9）
　　承载力验算不起控制作用。
　　4结语
4.1预应力度与抗裂度
根据目前的国内设计规范，无粘结预应力混凝土结构一般按二级抗裂度控制。预应力度偏高，有时反向应力较高往往不利于早期裂缝控制，也不利于抗震耗能。如果为了降低预应力度而增加普通钢筋，则总用钢量增大，总体上看不经济，表明大多情况下楼盖结构按二级抗裂度设计偏严。建议适当放宽混凝土受拉允许应力，例如：拉应力限制系数бcts由0.6放宽为0.8～1.0，αctl由0.25放宽为0.4～0.5.这方面还有待进一步研究。
　　4.2实践与展望
本工程于1998年上半年完成设计，1999年底竣工。实践证明这种结构具有节约钢材、减轻自重、改善建筑使用功能和结构受力性能、增大室内空间、提高容积率、综合经济效果好等优点，值得大力推广。可以相信，21世纪的预应力技术将更加普及和全面发展！