２０１０午第２期 总第１４０期 Ｎｏ２・２０１０ Ｖｏ１．１４０ 多层框架结构双向大跨度预应力梁柱设计 翁锦华 （福州｝ 建筑设汁院３５０００１） 摘 要：本文个昭了福州市重霓技瞎多层框架结构双向大跨度有粘结预应力梁柱的设计，说明采用预应力技术能使建筑实现不同 黑、下同 向大跨度、大柱网的结构形式并且是安全可行的。 关键词：大跨度 预应力 结构设计 中图分类号： ＦＵ３７８．１ Ｆ 文献标识码：Ａ 文章编号：ｌＯＯ４ ６１３５（２Ｏ１Ｏ）Ｏ２一【）（）４６～Ｏ４ Ｍｕｌｔｉ－一ｌａｙｅｒ Ｆｒａｍｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｔｗｏ－ｗａｙ Ｌａｒｇｅ－－ｂｅａｍ Ｃｏｌｕｍｎ Ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ 福 Ｗｅｎｇ Ｊｉｎｈｕａ （Ｆｕｚｈｏｕ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ Ｄｅｓｉｇｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ３５０００１） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｍａｉｎｌｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｍｕｌｔｉ—ｌａｙｅｒ ｆｒａｍｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｗｏ—ｗａｙ ｌａｒｇｅ—ｂｅａｍ 建 ｃｏｌｕｍｎ ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ ｏｆ Ｆｕｚｈｏｕ Ｄｉｅ Ｓｃｈｗｅｒａｔｈｌｅｔｉｋ Ｇｙｍｎａｓｉｕｍ，ｗｈｉｃｈ ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｓ ｔｈａｔ ｌａｒｇｅ—ｂｅａｍ ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ ｉｓ ｓａｆｅ ａｎｄ ｃｏｕｌｄ ｎｌａｋｅ ｔｌｍ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｓ ｌａｒｇｅ—ｂｅａｍ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｌａｙｅｒｓ ａｎｄ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ ｃｏｌｕｍｎ ｇｒｉｄ ｂｅａｍ－－ｓｌａｂ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｉ ａｒｇｅ—ｂｅａｍ Ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｄｅｓｉｇｎ 建 筑 １前言 Ｏ 福州市重竞技馆是福州市为迎接福建省运动会兴建的一 毒一： — ：— —｛ 序集训练、比赛为一体的训练馆。一层为身体素质训练馆和跆 拳道馆，二层为拳击训练馆，三层为武术表演馆，四层为散打 馆，详图一一［程根据比赛及训练要求，建筑结构要求层高高、 跨度大；１－－４层层高分别为５．５ｍ、６．５ｍ、７．Ｏｍ、４．５ｍ，高度控 制在２４ｍ以内，二、＿＝＝层设置夹层；工程采用框架结构，二、三 层为东西 １５＋６＋１５ｍ跨度的有粘结预应力混凝土大梁，四 层、 ｑ层屋面为南北向２８．８ｍ跨度的有粘结预应力？昆凝土大 梁，顶层混凝土柱为有粘结预应力混凝土柱。工程为多层框 架，在不 层数采用不同方向的预应力梁、多层预应力梁跨度 在福州至今仍为最大，柱采用预应力在福州至今仍属罕见。工 程峻工后已经过数年的训练、比赛使用，甲方反应良好。本文 针对该工程的技术特点及难点，介绍该工程预应力设计思路及 相关问题处理，说明采用预应力技术能使建筑实现不同层、不 同方向大跨度、大柱网的结构形式并且是安全可行的。 Ｔ 下琏江 ＝ｊ＝＝｝＝盏二ｊ二±＃二葛二 ＝二 ： ２方案确定 工程原考虑为三层，二、三层采用大跨度预应力梁，屋面层 采用网架结构以保证三层大空间的使用；后甲方要求将建筑改 为四层，并要求工程日后运行费用及维修成本低；受资金投入 限制且消防等级控制，根据建筑功能，为保证建筑净高及建设 方空间使用的要求，防止训练比赛时东西向太阳光直射运动 员、裁判员视线，结构定为二、三层为东西向１５＋６＋１５ｍ跨度 作者简介：翁锦华，男，１９６６年８月出生，工业与民用建筑专 业，工学硕士，高级工程师。 收稿日期：２Ｏ１Ｏ—Ｏ１—２５ 二基珊 的预应力混凝土大粱，四层、四层屋面为南北向２８．８ｍ跨度的 预应力混凝土大梁，为保证四层建筑净高及建筑物总高度限制 要求，屋面预应力梁上翻１０５０。 ２０１０年２期总第１４０期 翁锦华・多层框架结构双向大跨度预应力梁柱设计 ・４７・ 中 审 争 层王—咀 ＠ 。 串 ｌｒ十———ｒ—————— ———————————— ——— ——＿——＿———十——ｆ———————————— ——，■Ｌ—————ｌ—＿——＿———— ——— ——————————— ———————————————————— 三 毒 雌鲁 ＿ 毒 弓 Ｒ 三 菩 己 茎 创互 ＼ ＼ ｌ ｎ ● Ｉ １｝矗 Ｌ— １． 【 ｌ ｌ ｝．１Ｊ ｆ ｊ ｆＪ Ｉ ｆ Ｉ 亩 Ｌ ｝Ｊ—————————————｝————————————＋＿—喜 ——— —— 每 —ｍ—— ——— ——— —— —— — 一 ＿Ｅ———— ———————————— —————————————｝—－由 亩 ｅ —｛ 啻 Ⅱ垩盈臣 一 … ． 。。一。 。。。－ － － 。。 。。。。。。 Ｌ Ｉ ＼预应力粱 －－ ——、一 ● ● ■ － Ｉ ＼预应力桑 Ｌ 一 ｌ ＼预应力粱 Ｌ ｌ Ｉ —＆ ＼亟廑由粱 — ｝一 图一 本工程由于柱底剪力大、弯矩大，为保证整体结构安全，根 据工程地质条件，基础采用直径５００的沉管灌注桩组成组合承 台，以较好地克服柱底剪力、弯矩，未采用承载力更高、但抗弯 抗剪能力差的预应力混凝土管桩。 工程预应力钢筋总用量为１６．３ｔ左右，以当时价格２００００ 元／吨计算，预应力钢筋费用仅增加３２万元左右，由于采用了 预应力结构，减少了非预应力钢筋用量及混凝土用量，满足了 建设方大跨度、大空间的使用要求，减少了日后的维护费用，运 行成本低，取得了良好的经济和社会效益。 ３结构设计 ３．１抗震设计 工程按七度抗震设防，设计基本地震加速度为０．１ｇ，考虑 本工程为大跨度公共建筑中的框架，框架抗震等级取二级，建 筑结构计算时阻尼比取０．０３。后张预应力混凝土框架梁、柱 均采用有粘结预应力混凝土，梁高宽比不大于４，梁中与柱中 线重合；由于梁、柱为刚接，顶层混凝土边柱承受大跨度混凝土 梁传来的弯矩较大，为大偏心受压柱，为平衡部分弯矩且提高 柱的刚度以利抗震，顶层混凝土边柱根据弯矩图的形状布置部 分非对称配筋的有粘结预应力筋，控制柱的剪跨比大于２，柱 箍筋全长加密。结合预应力梁正截面强度计算及裂缝计算，预 应力混凝土框架梁端端考虑受压钢筋的截面混凝土受压区高 度ｘ≤Ｏ．３５ｈｏ，且纵向受拉钢筋按非预应力钢筋抗拉强度设计 值换算的配筋率梁不大于３．Ｏ （ＨＲＢ３３５级钢筋），柱全部纵 向受拉钢筋按非预应力钢筋抗拉强度设计值换算的配筋率不 大于５．０ ；按照《预应力混凝土结构抗震设计规程》ＪＧＪ１４０— ２００４要求，框架梁端预应力强度比 ≤Ｏ．７５，预应力混凝土框 架梁端截面的底面和顶面纵向非预应力钢筋截面面积Ａ Ｓ和 Ａｓ的比值，除按计算确定外，尚满足下列要求：Ａ ｓ／Ａｓ≥０．３／ （１一 ）。后张预应力筋的锚具设置在梁柱节点核心区以外，固 定端锚具布置在梁端箍筋加密区以外，距离梁柱节点核心区边 缘≥ｌｍ。 ３．２材料 预应力梁、柱混凝土强度等级为ＣＡ０，预应力钢筋采用 １５．２４钢绞线，抗拉强度标准值ｆＤ 一１８６０Ｎ／ｒａｍ２，张拉控制 应力ｄ。。 一０．７ｆ。 ｋ一１３０２Ｎ／ｒａｍ２，非预应力钢筋采用Ⅱ级钢，箍 筋及焊接钢筋网片采用Ｉ级钢，锚具采用群锚锚具。 ３．３确定框架梁、柱的外形和截面尺寸 框架梁按Ｔ形截面考虑，截面高度ｈ采用（１／１２～１／１８） 跨度Ｌ，梁翼缘总宽度取１２倍板厚加梁宽度，柱按照矩形截面 考虑，取轴压比小于０．６确定截面尺寸，同时柱宽应满足梁的 普通钢筋及预应力钢筋和柱的纵向普通钢筋及柱预应力钢筋 的布置要求。本工程采用ＳＡＴＷＥ程序进行内力计算，确定 二、三层东西向１５＋６＋１５ｍ跨度的预应力混凝土大梁，梁高 ９５０，四层、四层屋面南北向２８．８ｍ跨度的预应力混凝土大梁， 梁高分别为１７００、１８００，四层屋面梁由于正截面裂缝控制等级 较四层楼面梁要求高，且梁上翻，故梁高更大。二、三层东西向 １５＋６＋１５ｍ跨度的预应力混凝土大梁支撑的柱断面取５００× ６５０，四层、四层屋面南北向２８．８ｍ跨度的预应力混凝土大梁 支撑的柱断面取６００×１２００及６５０Ｘ１３００。 ３．４预应力钢筋的布置 预应力筋按双曲抛物线形布置，反弯点取０．１Ｌ，考虑普通 钢筋位置、波纹管大小、锚具安装位置等因素，跨中预应力筋矢 高取离梁底９０（二、三层预应力梁），１５０（四层、四层屋面预应 力梁），支座处预应力筋矢高取离混凝土板面２００ ３００，屋面 梁同时考虑预应力筋在顶层边柱不至于产生过大的集中弯矩， 矢高取离板面３００～５００，预应力柱预应力筋的矢高取离柱边 １００，详图二。 ２０１０年２期总第１４０期 翁锦华・多层框架结构双向大跨度预应力梁柱设计 ・４８・ 图二 ３．５预应力钢筋用量的估算 预应力筋按如下公式进行估算： ８Ｍｓ ｑ 。一２０５．６ｋＮ／ｍ，方向向下，跨中两反弯点之间预应力筋引起 ８Ｍ ‘ 一 ‰ ， 的等效荷载ｑ 。一２９．２ｋＮ／ｍ，方向向上；将预应力引起的等效 荷载及构件端部弯矩作用于框架中可求得各预应力梁支座及 跨中的综合弯矩，再根据框架梁中各位置有效预应力对梁截面 偏心距的乘积求得预应力梁的主弯矩，二者相减可求得次弯 矩。 Ｍ±一Ｎｐ ｅｐ ． Ａｐ一—Ｔ—— —————一，Ａｐ一—Ｔ—— —————一‘ ＋ ）（‰一Ｏ＂ｌ一） （ ＋ ）（ 一 “） 二、三、四层预应力梁按荷载短期效应组合估算预应力钢 筋，采用荷载标准值，不考虑偶然荷载作用，四层屋面预应力梁 按荷载短期效应组合并考虑荷载长期荷载效应组合影响估算 Ｍ次一Ｍ综合一Ｍ± 预应力钢筋，采用荷载长期荷载效应组合时，采用荷载标准值， 不考虑风荷载、偶然荷载作用，计算时考虑了预应力钢筋对预 应力梁跨中不利、支座有利的影响。估算后经以下各步骤验算 确认的预应力钢筋数量如下： ３．８正截面、斜截面强度计算及局部承压验算 根据预应力钢筋产生的次弯矩和框架结构在外荷载作用 下的弯矩进行组合，支座处考虑次弯矩对框架梁的有利影响， 跨中考虑次弯矩对框架梁的不利影响对预应力梁、柱进行正截 面强度计算； Ｍ支座一Ｍ支座外荷载一Ｍ次 Ｍ跨中一Ｍ跨中外荷载＋Ｍ次 柱子预应力钢筋取２ｌ １５．２４ 忽略预应力对梁截面抗剪的有利影响，仍采用框架结构在 外荷载作用下的剪力进行斜截面强度计算。 本工程以四层Ⅵ ４ｂ为例，支座最大弯矩为８１６２ｋＮ・ＩＴＩ， ３．６预应力损失计算 预应力损失考虑锚具和预应力钢筋内缩引起的损失 、 摩擦损失 、应力松弛损失 及混凝土收缩徐变引起的预应 力损失 ，套用ＧＢ５００１０－－２００２规范中公式计算， 本工程中１５米跨度单根预应力筋损失值为： ∑ｄ忮 ＝３９０Ｎ／ｒａｍ ∑ｄＩ辟十 ２８１Ｎ／ｒａｍ２ 跨中最大弯矩为６２２２ｋＮ・ｍ，断面５５０×１７００梁支座、跨中普 通钢筋均为１２０２５，预应力钢筋为３２ １５．２４，考虑混凝土受 压高度后计算梁正截面抗弯承载力为Ｍｕ＿支 一８８４０ ｋＮ・ｍ＞ ８１６２ｋＮ・ｒｎ，正截面强度满足设计要求。 梁配箍筋（ＤＩＯ＠１００／２００（４），经计算满足梁斜截面强度设 计要求。 预应力柱采用抛物线形布置，为满足抗震构造要求，箍筋 全高加密，预应力束伸人下层柱大于ｌｍ，为避免梁端梁柱预应 ２８．８米跨度单根预应力筋损失值为： ∑ｄ吱 ＝４１９Ｎ／ｍｍｅ ∑ｄＩ跨 ＝２９６Ｎ／ｍｍ２ 力筋的安装困难，预应力柱高出梁面０．６５ｍ。 梁锚固区采用５０８＠５０双向钢筋网片，锚具采用铸铁锚 具，局部承压验算满足设计要求。 ３．７预应力等效荷载及次弯矩计算 由于梁预应力筋采用双曲抛物线形式，预应力筋引起的等 效荷载ｑ。＝８Ｎ ×ｆ／１ ，本工程以四层ＹＫＬ一４ｂ为例，梁两端 ０．１Ｌ反弯点以内预应力筋引起的等效荷载ｑ 一２２０．５ｋＮ／ｍ、 ３．９框架正常使用极限状态的控制 ３．９．１截面裂缝计算： 工程为一类环境类别，楼面梁裂缝控制等级为三级，屋面 ２０１０年２期总第１４０期 翁锦华・多层框架结构双向大跨度预应力梁柱设计 梁裂缝控制等级为二级，楼面梁按荷载短期效应组合进行计 算，裂缝宽度均控制在０．２０ｒｎｍ范围以内，屋面梁按荷载短期 效应组合及荷载长期效应组合进行计算，｝昆凝土拉应力控制在 ０．４ｆ 以内。 支撑不能够拆除。构件的底模支撑在在预应力筋张拉及灌浆 浆体强度达到１５ＭＰａ后方可拆除。 ５．４梁固定端锚具处构造措施： 部分预应力钢筋固定端锚具布置在中柱梁端箍筋加密区 以外，距离梁柱节点核心区边缘≥ｌｍ，由于施加的预应力较 ３．９．２挠度验算 工程挠度按荷载荷载短期效应组合并考虑长期作用的影 响，计算自重荷载作用下的挠度减去预应力产生的反拱，各梁 的挠度限值均控制在跨度的１／３ｏｏ以内。 ３．１０安全度的控制 在预应力梁中，配置一定数量的非预应力钢筋，有利于分 大，除了为满足局部承压要求布置的５０８＠５０双向钢筋网片 外，为防止梁侧面出现裂缝，在梁固定端锚具左右１米范围内 梁两侧布置０２０的腰筋，间距２００，与梁两侧原有腰筋间隔放 置，工程竣工后现场观察梁两端未出现裂缝，达到设计效果。 ５．５顶层预应力柱头加强措施： 散裂缝，并且能够改善梁、柱的变形性能和提高梁的抗弯强度， 即采用混合配筋方案，将非预应力钢筋布置在构件受拉区外 侧，以增大预应力钢筋的保护层厚度，而且一旦裂缝出现，可由 非预应力钢筋控制裂缝开展宽度，保护预应力钢筋不受腐蚀。 结合预应力梁正截面强度计算及裂缝计算，按照《混凝土结构 设计规范｝）ＧＢＳ００１０－－２００２中预应力混凝土结构构件中普通钢 筋截面面积的抗震构造要求，本工程普通钢筋布置如下 柱子普通钢筋为１２０２８ ４预应力施工： 有粘结预应力的埋管、穿筋可与普通钢筋铺设同时进行， 张拉、灌浆不占主工期，采用有粘结预应力技术不会增加施工 工期，但要注意各工种施工时的配合。 混凝土强度达到设计强度值的８Ｏ％时可进行张拉。张拉 控制应力ｄ。。 一０．７ｆｐ ｋ一１３０２Ｎ／ｍｍ２，张拉采用双控，超张拉 ３ 。张拉可根据结构受力特点、施工方便、操作安全等因素确 定，分楼层、分部位、分段张拉。各楼层部位张拉遵循对称、均 匀原则。预应力张拉施工中，以应力控制为主，测量张拉伸长 值作校核。一次张拉端锚固程序采用： Ｏ一１Ｏ （￣ｃｏｎ一１０３ ｄ。。 一锚固 ５注意事项及问题处理： ５．１柱纵筋间距问题： 柱宽应满足梁的普通钢筋及预应力钢筋和柱的纵向普通 钢筋及柱预应力钢筋的布置要求。本工程二、三层预应力钢筋 布置为３束，梁宽４５０，柱宽５００；四层、四层屋面预应力钢筋布 置为４束，梁宽５００、５５０，柱宽６００、６５０；柱的纵向普通钢筋及 柱预应力钢筋的分层布置，并保证其间距使得梁的预应力钢筋 及梁纵向普通钢筋施工时能够穿过不碰撞柱筋。 ５．２张拉端锚具凸起问题： 张拉、灌浆后，用砂轮切割机切掉张拉端多余的预应力筋， 预应力筋的外露长度不宜小于其直径的ｌ＿５倍，且不宜小于 ３０ｍｍ，用环氧树脂涂封锚具及外露预应力筋，封闭前应将锚 具周围的混凝土凿毛、冲洗干净，凸出式的锚头宜配置钢筋网 片，用微膨胀细石混凝土进行封闭。考虑张拉端锚具凸起问 题，设计时与建筑配合，采用横竖线条处理，既美观立面，又对 锚固区进行了封闭保护。 ５．３支撑问题： 由于工程采用预应力混凝土结构，施工荷载较大，要求施 工单位务必核算支撑强度以保证施工安全，在混凝土强度达到 设计要求后才能张拉预应力钢筋，在预应力钢筋张拉锚固前， 由于顶层预应力柱需高出梁面０．６５ｍ，侧向支撑较弱，与 计算假定不吻合，且施加预应力时受力较大，为避免柱头裂缝 产生，加强锚固端强度，本工程在预应力柱柱顶加设０８＠１５０ ×１５０钢筋网片，凸出预应力梁的柱头加设环形钢板，如图三， 工程竣工后现场观察效果良好。 京月 图三 ６结论： 福州市重竞技馆二、三层为东西向１５４－６４－１５ｍ跨度的预 应力混凝土大梁，四层、四层屋面为南北向２８．８ｍ跨度的预应 力混凝土大梁，顶层混凝土柱为预应力混凝土柱，经过数年的 训练、比赛使用，效果良好（图四为正在使用中的福州市重竞技 馆内观），证明多层框架结构采用有粘结预应力技术能使建筑 实现不同层、不同方向大跨度、大柱网的结构形式，增加建筑平 面使用的灵活性和使用面积，改善建筑物的使用功能，结构有 着良好的抗裂性能和抗变形能力，耐久性高，可有效地降低结 构高度，节约材料，节约能源，使用性能优越，并安全可行。 Ｉ 参考文献 ［１］ＧＢ５００１０—２００２，混凝 土结构设计规范［ｓ］． ［２］ＪＧＪ９２—２００４，无粘结 预应力混凝土结构技术规程 ［ｓ］． Ｅ３］陶学康编著．无粘结 预应力混凝土设计与施工［Ｊ］．地震出版社，１９９３年． 图四 ［４］ＪＧＪ１４０－－２００４，预应力混凝土结构抗震设计规程［ｓ］． ［５］原丰亭．多层大跨预应力混凝土结构的应用［Ｊ］．建筑 结构，２００２．６．
