预应力预制框架结构设计及应用——构件设计

来源：宝业集团上海建筑工业化研究所结构所 作者：陈肖朋、恽燕春、陈振

在上篇《预应力预制框架结构设计及应用——结构设计》中我们对宝业·爱多邦项目中的装配整体式预应力框架结构有了部分的了解。接下来，为大家带来《预应力预制框架结构设计及应用——构件设计》。
项目概况
本项目位于上海市青浦区赵巷新城青湖东路南侧，北淀浦河路北侧，基地面积27938平方米，总建筑面积83000平方米，地上建筑面积57000平方米，容积率2.0。本建筑为配套商业建筑，结构形式为预应力框架结构，地上2层（层高4.5米），建筑总高度为11.0米，建筑面积1166平方米，建筑耐火等级二级，屋面防水等级Ⅰ级。

图1.项目效果图
构件设计
1、构件拆分
构件拆分时，需要充分考虑以下要点：①避免拆分对结构产生不利影响；②应充分减小现场吊装、支撑、模板、粉刷等工程量；③应考虑现浇节点位置和节点处理方法。
本工程柱子采用预制柱，梁则采用半预制叠合梁，楼板采用SP 预应力空心叠合楼板（图7、8）。这种拆分方案的优点是现场的模板和粉刷工作量达到最小，缺点则是梁柱节点区钢筋密集，需要考虑钢筋的碰撞问题。

图7.结构构件拆分示意图

图8.结构构件拆分示意图
2、构件的结构设计
根据《规程》，装配整体式框架结构除按照现浇框架结构设计，计算出构件截面配筋和核心区验算外，还需要进行叠合梁竖向接缝的受剪承载力设计，地震状况下的预制柱底水平接缝的受剪承载力设计，预制构件在脱模、翻转、运输、安装等短暂工况下的施工验算，以及水平叠合构件的施工阶段验算。
2.1、接缝抗剪设计
框架柱端和框架梁端面均设置抗剪键槽，键槽抗剪设计计算依据《规程》相应章节，并满足构造要求。
（1） 框架柱底水平受剪承载力与键槽尺寸无关，因此键槽设置以安装便利为原则。本次键槽尺寸为200mm×200mm×40mm(长×宽×深)。结构计算得出柱受压，柱底剪力设计值为430kN，通过截面钢筋为

，

=0.8N +1.65A

=2 209kN＞430kN接缝满足要求。
（2）以预应力梁为例，梁端键槽剪力设计值为900kN，通过截面钢筋为

。

=0.04

+0.06

+1.65A

=1000.9kN＞900kN，未考虑预应力有利作用，接缝承载力满足要求。
2.2 构件计算
预制构件的设计，除满足结构设计要求外，还要对构件制作、运输和堆放、翻转、安装等短暂工况下的承载力、变形、裂缝控制进行验算。装配式混凝土结构的施工验算是预制构件设计的重要内容之一，对结构配筋计算影响较大，有时甚至成为决定性因素。

图9.梁计算模型
对于叠合梁、叠合板等构件的预制部分以及SP 预应力空心楼板，只在梁底和板底设置纵向钢筋，上部不设钢筋或只设构造钢筋。因此，需要严格控制吊点的位置，防止吊点处负弯矩过大，构件顶部开裂。对于不允许出现裂缝的预应力混凝土梁和预制柱，可取正负弯矩相等的原则，此时吊点设置在0.207L处[4]（图9）。预制梁脱模、堆放及吊装工况下支点位置完全相同，脱模、运输、吊装各工况的动力系数均取1.5，由于脱模阶段混凝土强度未达到设计强度，因此仅以脱模工况为例，进行承载力和裂缝验算即可。预制柱还需对构件翻转工况进行验算（图10）。具体计算参考《混凝土结构工程施工规范》（GB—50666）的相关章节。

图10.柱翻转工况力学模型
2.3 预制柱的安装支撑计算
预制柱的安装，需要考虑柱底混凝土的养护强度要求和斜支撑的承载力要求。
2.3.1 柱底现浇混凝土养护强度要求
柱底现浇混凝土养护强度要求的确定，以柱子无法压碎垫块下混凝土为原则，可以按照以下公式确定：

式中，

—— 与施工环节的混凝土立方体抗压强度相对应的抗压强度标准值（MPa）；

—— 预制混凝土柱的等效自重，动力系数取1.2；

—— 垫块的面积。
2.3.2 斜支撑的承载力要求
预制柱斜支撑的数量，原则上中柱设置4 个，边柱设置3 个，角柱设置2 个。柱安装过程中，斜支撑承载力所产生的稳定力矩应当大于重力和风力产生的侧翻力矩，受力模型见图11。

图11 柱支撑工况力学模型图
稳定状态下：



最不利工况下，取e=b/2，则：

此时计算出的T 为斜支撑轴力，同样可以作为斜撑埋件的承载力要求。
2.3.3 水平叠合构件施工计算
《混凝土结构设计规范》（GB50010—2010）中已经对水平叠合构件不同阶段的结构形式和荷载取值作了详尽的规定，但本工程是部分预应力工程，因此预应力梁在预应力施工完成前，应按照第一阶段考虑，荷载与第二阶段中的施工阶段荷载相同。
（1）本工程采用大开间布局，使用阶段的商业活荷载和内隔墙荷载取值3.5+1=4.5kN/m2， 施工活荷载取值1.5kN/m2，荷载取值按使用阶段选取，该阶段结构分析已经给出，不用再次计算。
（2）施工过程中，荷载的传递方式是SP 楼板→梁系→柱，因此需要分别验算各构件，同时控制构件间荷载传递。
（3）要求柱套筒灌浆料达到设计强度（40MPa）才能吊装梁，因此柱子可以按照支座考虑。SP 板在施工阶段不需要进行支撑，但考虑到主梁承担的楼板面积为100.8m2，传递到梁的荷载过大，因此考虑在SP 板两端设楼板支撑，要求能全部承受楼板荷载。预制叠合梁经计算，设置重型盘扣支撑架，步距1.2m，单根立杆承载力100kN。
3、构件的构造和连接
3.1 预制柱的构造
预制柱的构造包括套筒区的箍筋、保护层、净间距等构造，柱端抗剪槽和粗糙面设置，柱底键槽的排气构造，柱底防雷设置，以及主筋避让引起的抗震构造钢筋的设置、吊装引导钢筋的设置等。其中，防雷接地埋件的设计还应考虑到保护预应力筋不受雷击强电流的影响。预制柱顶部设置梁托座，便于调整梁底标高和梁的水平位置。在无支撑叠合梁中，托座需要进行抗剪验算。
3.2 叠合梁的构造
梁柱接头内，梁筋采用搭接方案，因此，需要将梁筋偏置，避免梁柱接头钢筋碰撞。梁筋的不对称布置和X 向梁底筋还需要做抬高布置，尽管经过了抗扭验算和端部强度验算，但不满足构造抗裂要求，需要增加构造钢筋（图12）。

图12.钢筋抬高端增加构造钢筋
3.3 预应力梁柱接头节点构造
合梁的构造由于预应力锚具尺寸较大，不可避免地对柱子钢筋位置造成影响。为了节约空间，本工程采取了预应力筋集中布置的方案，在预制梁中埋设一根80 的预应力波纹管（图13）。该方案有以下优点：①波纹管布置在梁轴线上，不会对箍筋和纵筋造成影响；②柱内侧主筋增大间距，避开预应力锚头。由于主筋开外侧布置，其内部空间相对较大，方便锚具安装。

图13.预应力梁柱接头节点图


图14 预应力筋张拉端和固定端结构图
考虑到预应力筋张拉端锚具需要做保护措施，会形成一个突出的封锚。为减小预应力封锚对建筑的影响，先采用一端张拉、一端固定的方案（图14）。对于顶层边节点，增设插入12 的倒U 型筋，且距离梁筋锚固端最近的倒U 型箍筋应采用并列双层筋（图15）。

图15 顶层边节点做法图
3.4 宝业·大和新型外墙板的连接
由宝业集团和日本Daiwa House 合作的宝业·大和新型外墙板，具有工业化程度高，节能、环保等优点，拥有较好的市场前景（图16）。它与结构体之间采用点式干挂连接，结构体上预埋好埋件，现场焊接或者螺栓连接，施工效率高，同时不破坏外墙板的防水构造和保温性能。

图16 宝业·大和新型外墙板构成图
参考文献
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