预应力预制框架结构设计及应用——结构设计

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

宝业·爱多邦项目商业配套房采用预制预应力框架结构，其特点为跨度大，次梁少，以及多种新工艺和新材料的应用，因此对结构设计和深化设计提出了较高的要求。本文结合该项目的特点，对结构设计、深化设计和BIM技术应用作了详细的阐述。对设计中的若干关键问题，如结构分析、预应力梁柱节点、SP预应力空心楼板及连接等进行了分析。
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，基地木安吉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
结构设计
本建筑为装配整体式预应力框架结构，标准设防（丙类）建筑，设计使用年限50年，抗震设防烈度7度，抗震等级二级，场地类别为Ⅲ类，安全等级为二级。基础采用现浇混凝土结构，基础形式为独立桩基承台基础。-0.100顶板作为上部结构嵌固端，上部为预制框架结构，包括预制混凝土柱、预制叠合梁、SP预应力空心楼板。楼梯为钢结构楼梯，外墙板采用宝业·大和新型外墙板。

图2.结构平面布置图
2.1 结构整体计算分析
预制框架结构的计算分析采用等同现浇的设计方法，个别计算参数选取与现浇结构略有差别[1]，可依据《装配式混凝土结构技术规程》（JGJ 1-2014）选取。本工程中梁刚度放大系数取1.0，弯矩调幅系数取0.85，次梁与主梁的采用铰形式。楼板采用预应力空心楼板（SP板），按照单向板设计，根据搁置方向采用单向导荷传力方式。在进行周期、位移等指标计算时采用刚性楼板假定，在计算内力及配筋等指标时不采用刚性楼板假定。不考虑外墙板对侧向刚度的影响，仅计算外墙板荷载作用。整体内力计算分析时考虑了楼梯的作用。
本工程结构体系计算分析采用SETWE结构空间有限元分析软件。结构前三周期分别为0.604s、0.602s、0.537s，结构周期比为0.889；结构X最大层间位移角为1/956，Y向最大层间位移角为1/737；规定水平力作用下X向的最大位移比为1.01，Y向的最大位移比为1.06。结构体系计算分析均满足现行各结构设计规范的要求。
2.2 预制框架柱
考虑结构抗震等级较高、层高高、梁跨度大、梁柱截面配筋较大，为实现梁柱接头节点钢筋交错排布，减少预制构件类型，柱截面统一取600mm×800mm。

图3 框架柱配筋图
柱筋集中配置，当间距不满足构造要求时，增加构造钢筋。柱子配筋截面形式分两种,形式1为，形式2为；其中为构造配筋，不伸入节点区域。柱箍筋为，柱箍筋全高加密。如图3截面形式1用于角柱，截面形式2用于边柱。
2.3 预制叠合梁
叠合主梁分跨度和作用不同，主要采用以下两种截面：⑴X向为边框梁，计算中不承受楼板荷载，截面形式为400mm×700mm（图4梁截面1），⑵Y向为主框架预应力梁，主要承受楼板荷载，截面为400mm×750mm，加构造牛腿（图4梁截面2），不考虑牛腿对叠合梁整体刚度的增强作用，但预制部分在临时工况下可按照T型截面考虑。由于新型外墙板要求，边跨的Y向主梁牛腿高度需要加大（图4截面2a）。考虑到预应力对梁的影响，如果采用左右不对称的梁截面，梁可能产生平面外的弯曲，因此边跨主梁也采用双牛腿对称布置。

图4 框架梁截面图
叠合主梁的现浇部分高度取楼板厚度200mm。考虑到SP板搁置端需设置20mm厚的垫层，（图4截面2）和（图4截面2a）将现浇层增加到220mm。
叠合梁端部设抗剪槽，作粗糙面处理。截面1抗剪槽尺寸为210×260×40mm（长×宽×深），（图4截面2）和（图4截面2a）抗剪槽尺寸为285×260×40mm（长×宽×深）。
由于X向边框梁不承受楼板荷载，梁受扭问题不明显，可由混凝土单独承担，因此腰筋和构造筋可不伸入节点区。箍筋采用组合封闭箍。
2.4 预制叠合次梁
楼梯位置处，二层楼需要开洞，因此设置次梁作为楼板封边梁，次梁为预制叠合次梁，不承受楼面荷载。截面尺寸为300mm×550mm，其中预制层高350mm，现浇叠合层高200mm。次梁两端铰接，上层筋穿过主梁，抗剪承载力由钢牛腿承担。次梁端面不设抗剪槽，仅做粗糙面处理。

图5.主次梁节点
2.5 预应力空心楼板（SP板）
为实现楼层大空间，减小主次梁数量，本工程楼板及屋面板采用SP预应力空心板。SP空心板按照单向板设计，板端按照铰接节点设计，板端设拉锚钢筋，板面设60mm厚后浇叠合层。板跨o=8m，支承长度a=55mm，允许挠度[a]=o/200；荷载依据楼面荷载标准值[]选用[2]。

图6.SP板节点图
二层楼板均布荷载标准值：3 + 4.5=7.5kN/m2，实际跨度为8m，根据图集（参考文献[2]）选用的SP板型号为SP20A8410。8.4m跨度板的允许均布荷载标准值（不包括板自重及灌缝重）为7.5kN/m，考虑跨度减小的有利因素，均布荷载满足承载力要求。屋面楼板均布荷载标准值：4.37 + 0.5 = 4.87kN/m2 ，满足承载力要求。为增强楼板整体性，为SP楼板增加了60mm厚后浇叠合层，叠合层按构造配筋。
2.6 预应力结构设计
本工程跨度达13米，采用预应力混凝土梁可以降低梁高，减少材料，增大建筑净高，更有利于建筑功能的实现。
2.6.1 预应力混凝土结构
预应力混凝土结构是指在构件受荷载以前预先对混凝土受拉区施加压应力，来抵消或减小受拉区的拉应力，是构件不受或收到较小的拉应力的结构[3]。预应力混凝土可有效地提高构件的刚度和抗裂能力，以实现节约材料、减轻结构自重等效果。
按照施工工艺，预应力混凝土工程可分为先张法预应力和后张法预应力。
先张法预应力的施工顺序如下：a.张拉预应力筋（消除应力钢丝、钢绞线等）；b.浇筑混凝土和构件养护；c.放松或切断预应力钢筋。
后张法预应力的施工顺序如下：a.安装预应力波纹管；b.构件浇筑混凝土；c.穿预应力筋；d.张拉预应力；e.灌浆、锚头处理。
按照预应力筋与混凝土的粘结方式，可分为有粘结预应力，无粘结预应力和缓粘结预应力。
有粘结预应力通过钢绞线和混凝土之间的握裹力将预应力传递给混凝土，预应力钢绞线与相邻的混凝土具有相同的变形。
无粘结预应力钢绞线和混凝土之间可以发生相对滑移，预应力通过锚具传递在混凝土两端。钢绞线和混凝土之间的变形未必协调，一般情况下，当混凝土出现裂缝后，裂缝较宽且分布较为集中，构件的非线性特征明显[3]。
缓粘结预应力是近期兴起的工艺，兼具有粘结和无粘结预应力的特点。

2.6.2 预应力梁设计
本工程采用后张有粘结预应力混凝土，主要是从如下角度考虑：
a.后张法可选用曲线预应力筋，线型选择多样且更加符合力学原理；
b.先张法需要专用台座和张拉设备，一次性投入大；后张法采用千斤顶现场张拉，施工更灵活；
c.先张法将预应力钢筋直接浇筑在混凝土中，依靠预应力筋与混凝土粘结力共同工作；而后张无粘结预应力完全靠端头锚具来传递预应力，如果预应力锚头破坏，则预应力失效；后张有粘结预应力的传递由端头锚具和粘结剂双重保障，可靠性高；
预应力筋采用标准强度fptk＝1860N/mm2，弹性模量Ey＝1.95×105MPa的高强低松弛有粘结钢绞线，其性能满足《预应力混凝土用钢绞线》（GB/T5224-2014）的规定，经计算选定直径钢绞线。锚具采用YM15系列夹片式锚具和挤压锚，包括锚垫板、螺旋筋、锚环、夹片和挤压套，锚具质量应符合国标《钢筋混凝土工程施工质量验收规范》（GB50204—2015）有关规定的要求。
参考文献
[1]卢家森,吴金虎,郑振鹏.庙三110kV变电站预制混凝土框架结构设计[J].建筑结构.2014，44（13）：24-28.
[2]建筑标准设计图集05SG-408. SP预应力空心板[S].中国建筑标准研究院.
[3]苏健.有粘结与无粘结预应力砼梁力学性能比较研究[D].大连海事大学,2012.
[4]JGJ 1—2014装配式混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2014.
[5]赵勇,王晓峰.预制混凝土构件吊装方式与施工验算[J].住宅产业.2013(03)Z1期.
[6] GB 50010—2010混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.
[7]上海建筑产品企业应用标准SQBJ/CT082-2014.RUENTEX预制装配整体式混凝土房屋结构体系技术规程（RUENTEX体系）[S].上海：上海市建筑建材市场管理总站，2014.
[8]王众,樊骅.浅谈建设工程信息管理[J].住宅科技.2014(11).