在设计预应力框架时应注意的若干问题

摘要：预应力混凝土结构与普通混凝土结构相比有跨度较大、挠度和裂缝较小的优点；和钢结构相比能降低造价和日常的维护费用，而且防火性能较好。因此，大力发展预应力混凝土结构是与现阶段我国国情相适应的。但在设计中有一些问题不容忽视。本文在这方面提出了作者的一些观点供大家参考。
关键词：预应力 框架 抗震
一、 前言
采用预应力混凝土是改善结构使用性能、节约钢材和能源、满足建筑空间要求、提高综合经济效益的重要措施。然而笔者在这几年的工作实践中发现在预应力框架的设计中存在着以下几方面的问题需要引起重视：
1、许多设计人员只知道通过预应力技术可以加大梁的跨度、降低梁的挠度、减小梁的裂缝，但对预应力混凝土的基本概念、对不同阶段荷载作用下预应力筋及非预应力筋的应力变化情况和裂缝的开展等情况并不清楚。
2、设计人员在设计预应力框架时，设计步骤如何？计算模型应如何建立？预应力等效荷载应如何应用等问题上有许多模糊的认识需加以澄清。
3、由于上述1、2条的原因，因此设计人员实际设计过程中往往采取以下两种方案：
（1） 在结构方案阶段尽量加柱子避免出现大跨度框架。
（2） 实在避免不了，就将预应力的设计委托给预应力施工单位来完成。
笔者认为这两种方案都不可取，第一种方案不能满足建筑的要求，而且不利于结构在设计上的创新。第二种方案亦不可取，因为它存在着如下隐患：
（1） 预应力筋虽然是施工单位帮助算了出来，但是预应力筋的配置是否合理，是偏大还是偏小，设计人员往往心中无数，而且有关预应力筋部分的施工图纸最后要由设计人员签字和盖章，因此设计人员要为此承担相应的设计风险。
（2） 由于预应力筋的设计与施工全部交给施工单位，设计人员往往按普通混凝土梁、柱的设计方法来设计预应力框架的梁和柱。而实际上预应力框架的梁、柱配筋由于有预应力筋的存在使其配筋构造和普通混凝土框架的梁、柱有所区别。而且会给施工带来许多麻烦，使预应力框架的质量难以保证。
（3） 预应力筋的设计和施工全部由预应力施工单位来完成，在施工现场，由于设计图纸上对预应力的相关技术参数要求不详细，给监理的现场监督带来困难。
二、 预应力框架设计中应注意的若干问题
1、设计人员应注意在使用荷载作用下预应力混凝土梁截面各阶段的应力变化和梁裂缝开展的情况，下面以预应力简支梁的跨中截面为例加以简要说明：
第一阶段：加载至混凝土上边由拉变压，下边压应力减小到零，钢筋拉应力略有增加，构件反拱减小，略有挠度。
第二阶段：加载至裂缝即将出现，混凝土上边压应力增加，下边拉应力达到ftk,钢筋拉应力增加了2αE ftk，构件挠度增加。
第三阶段：加载至破坏，截面下部裂缝开展，构件挠度剧增，预应力钢筋拉应力增加到fpy,，非预应力钢筋拉应力增加到fy,混凝土上面压应力增加到fcm。
第四阶段：在破坏前，卸去荷载，裂缝将闭合，混凝土重新受压。
由上述可知，预应力混凝土梁在各个阶段的内力变化情况与普通混凝土梁有所不同，我们在设计预应力框架时应考虑到这个因素。
2、预应力框架的计算 ：
预应力框架梁在正常使用条件下一般不开裂，使得整个结构在使用阶段处于弹性工作状态，因此采用结构力学杆系模型的计算理论来计算预应力框架是切实可行的，换句话说，采用现有的TBSA、TAT、SATWE等计算程序可以进行预应力框架的内力分析，其内力分析结果是安全可靠的。
4、“荷载平衡法”在实际应用中应注意的问题 ：
“荷载平衡法”是林同炎先生对预应力理论的重大贡献，为超静定预应力结构的计算提供了一种简化工具。但是在实际应用中应注意其使用范围是有局限性的。“荷载平衡法”只是为结构的内力分析提供了一种简化手段，将预应力所起的作用折算成等效荷载参与结构计算，这种计算方法的理论基础是当预应力混凝土梁在正常使用条件下处于弹性工作时，预应力筋的应力变化幅度很小，可近似地认为是一个定值，即：
бpe=бcon –бl
其中 ： бpe ：有效预应力
бcon ：张拉控制应力
бl ：预应力损失
通过实验证明，在正常使用状态下，其计算结果与试验结果吻合很好。但是在极限承载力状态下，梁已接近破坏，预应力筋的应力比在弹性条件下增加了许多。这时候，“荷载平衡法”的理论基础已不存在。因此在极限状态下用“荷载平衡法”进行配筋计算是不妥的。
“荷载平衡法”的使用范围只能是用于计算预应力梁的挠度和裂缝，而计算梁的极限承载力时，不能考虑预应力等效荷载的作用，只能按照普通混凝土框架的计算方法求出梁柱的内力，再套用预应力的相关公式分别计算出预应力钢筋和非预应力钢筋。
5、在计算梁的极限承载力时中是否需考虑次弯矩的不利影响
由于框架结构属于超静定结构，在预应力等效荷载作用下，会产生次弯矩。一般情况，次弯矩对梁支座是有利的，对梁跨中是不利的。在梁的极限承载力状态下是否需考虑次弯矩的影响，这个问题在工程界一直有争议，至今也没有一个定论，但从同济大学和东南大学的大量试验研究证明，在极限承载力状态下仍然存在着次弯矩，但其大小只有正常使用状态下的30%-60%。因此从工程实用的角度来说，可以得出如下结论：当次弯矩对结构有利时，可以不考虑；当次弯矩对结构不利时，在极限承载力计算时应当考虑。
6、用正常使用状态和极限承载力状态两种方法所计算出得预应力筋差别较大的原因浅析：
设计人员在进行预应力框架的设计时会发现这样一种现象：用正常使用状态下的计算公式计算的预应力筋数量比用极限承载力状态下的计算公式所计算的结果要大得多，这里面的原因是什么？通过笔者这几年查阅国内外资料发现，主要是由以下两方面的原因造成的。
（1） 我国的规范所规定的裂缝宽度的限值要求过严，通过分析《混凝土结构设计规范》中有关最大裂缝的控制规定可以发现，规范中对预应力结构的最大裂缝宽度的限值比普通混凝土要严。规范的出发点是对采用预应力钢丝、钢绞线及热处理钢筋的预应力混凝土构件，考虑到钢丝直径较小和热处理钢筋对锈蚀比较敏感，一旦出现裂缝，会严重影响结构耐久性，故规定在室内正常环境下采用二级裂缝控制，在露天环境下采用一级裂缝控制。但是在实际工程中用的最多的是后张法有粘结或无粘结预应力体系，一般情况下预应力筋是摆在普通钢筋里面，其保护层较厚，混凝土即使开裂对于无粘结预应力筋来说它的外面有油脂和塑料套管的保护，对于有粘结预应力筋来说，它的外面有砂浆和波纹管的保护。而且预应力筋在卸去荷载后其裂缝会自动闭合。因此，在实际工作中可根据具体情况作出适当调整。
（2） 我国的荷载规范中恒载的分项系数是1.2，活载的分项系数是1.4，而美国规范中恒载的分项系数是1.4，活载的分项系数是1.7，通过以上对比可以发现，与美国规范相比，用我国规范进行极限状态下的配筋计算结果偏低。
由上述分析可得出以下结论：当采用后张法无粘结或有粘结预应力体系的预应力梁，它的裂缝宽度可按同级的普通混凝土梁的要求来控制，在有经验的前提下还可进一步放松。
7、框架柱在设计中应注意的问题
（1） 框架柱在极限承载力计算时，是否考虑梁中预应力等效荷载的有利影响。
框架在预应力等效荷载作用下，其所产生的综合弯矩对于框架柱来说是有利的，那么在计算框架柱的极限承载力时是否考虑这一有利因素呢？笔者专门就这一问题向东南大学吕志涛院士进行了请教，得出的结论是，由于预应力在柱子上所产生的综合弯矩比起柱子本身在竖向荷载作用下所受的弯矩要小的多，可以偏安全的不考虑这种有利影响。
(2) 框架柱的轴压比限值 ：
框架柱在抗震时是否有足够的延性对于整个结构来说是至关重要的。决定框架延性的一个重要因素就是框架柱的轴压比，轴压比越低则柱子的延性越好，因此，在设计中除加强框架柱的配筋构造外，另一个重要的手段就是控制框架柱的轴压比。一般情况下，预应力结构的底层框架柱的轴压比宜控制在0.6以内。
（3） 在进行框架柱的极限承载力计算时，柱截面计算高度h0的取值：
由于预应力框架的跨度一般都比较大，因此框架柱所受的弯矩较大，计算所需配筋较多，同时在梁柱节点处还要给预应力锚具留出位置。这时，框架柱往往选用较粗的钢筋甚至要配双排钢筋。
在利用TBSA或PKPM的柱配筋计算结果时一定要慎重，因为程序内定的柱截面高度隐含值h0=h-35（或40），计算出来的柱配筋会偏小，一定要将柱内力取出后用手工方法进行配筋验算复核。

三、 预应力框架的结构布置及配筋构造 ：
1、 预应力框架的结构布置 ：
框架梁的截面高度h可采用1/12~1/18 L，梁截面宽度b=(1/3~1/5)h，当截面配置一束预应力筋时，b=250~300mm；当在同一截面高度配置二束预应力筋时，b=300~400mm。
框架柱多为矩形截面，按轴压比小于0.6来确定截面尺寸。此外，柱宽尚应满足梁的预应力筋和柱纵筋的布置要求。在平面布置中，柱子较长的一边宜垂直于梁的轴线方向，
这样布置框架柱的目的在于：
（1） 便于排放预应力锚具和柱子的纵向钢筋。
（2） 使得柱子所分配的弯矩较小，计算所需的钢筋较少，便于柱纵筋的排放。
2、 框架梁的配筋构造 ：
框架梁中有关预应力筋和锚具的构造在许多资料中已有详细的介绍，本文不再重复。下面将重点介绍梁中普通钢筋的构造，这往往是设计人员容易忽略的问题。典型的预应力梁的截面配筋，在设计中应注意以下几点：
（1） 梁中受拉区配置的纵向普通钢筋的最小截面面积As应符合下列规定：
Asfy/( Asfy+ AsσP)%26gt;0.25
或 As=0.3%bh
取以上两式计算结果的较大值。纵向非预应力钢筋应均匀分布在梁的受拉区，并靠近受拉边缘，其直径不应小于14mm，长度应符合钢筋锚固长度的要求。
（2） 梁箍筋不仅起着抗剪的作用，而且在施工时还起着固定波纹管的作用，因此，箍筋的直径不宜过细，一般取10~16mm。箍筋间距100~200mm.
（3） 由于温度应力和不均沉降的影响，即使在预应力张拉完成后，沿梁长方向也会出现若干条较细的垂直裂缝，这种裂缝一般是沿梁长均匀分布。为防止这种裂缝的出现，梁两侧宜放置直径为10~16mm的普通钢筋，间距控制在100~150mm。长度应符
合钢筋锚固长度的要求。
3、 框架柱的配筋构造 ：
典型的框架拄配筋，在设计中应注意以下几点 ：
（1） 在排列柱纵向钢筋时，必须首先考虑预应力锚具的布置。
（2） 柱的纵向钢筋应尽量选用较粗的直径，以减少钢筋的根数便于施工。当选用直径在28mm以上的钢筋时，应在设计中特别注明要采用机械连接，以保证施工质量。
4、 框架节点的配筋构造 ：
框架边柱节点构造，在设计中应注意以下二点与普通框架的不同之处：
（1） 梁顶纵筋伸至柱边后应向上弯折，这是为了避免与预应力锚具和局部承压钢筋网片发生矛盾。
（2） 框架柱宜伸出屋面与女儿墙同高，便于梁顶纵筋和柱纵筋的锚固。