在設(shè)計預(yù)應(yīng)力框架時應(yīng)注意的若干問題

　　摘要：預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)與普通混凝土結(jié)構(gòu)相比有跨度較大、撓度和裂縫較小的優(yōu)點(diǎn)；和鋼結(jié)構(gòu)相比能降低造價和日常的維護(hù)費(fèi)用，而且防火性能較好。因此，大力發(fā)展預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)是與現(xiàn)階段我國國情相適應(yīng)的。但在設(shè)計中有一些問題不容忽視。本文在這方面提出了作者的一些觀點(diǎn)供大家參考。

　　一、 前言

　　采用預(yù)應(yīng)力混凝土是改善結(jié)構(gòu)使用性能、節(jié)約鋼材和能源、滿足建筑空間要求、提高綜合經(jīng)濟(jì)效益的重要措施。然而筆者在這幾年的工作實踐中發(fā)現(xiàn)在預(yù)應(yīng)力框架的設(shè)計中存在著以下幾方面的問題需要引起重視：

　　1、許多設(shè)計人員只知道通過預(yù)應(yīng)力技術(shù)可以加大梁的跨度、降低梁的撓度、減小梁的裂縫，但對預(yù)應(yīng)力混凝土的基本概念、對不同階段荷載作用下預(yù)應(yīng)力筋及非預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力變化情況和裂縫的開展等情況并不清楚。

　　2、設(shè)計人員在設(shè)計預(yù)應(yīng)力框架時，設(shè)計步驟如何？計算模型應(yīng)如何建立？預(yù)應(yīng)力等效荷載應(yīng)如何應(yīng)用等問題上有許多模糊的認(rèn)識需加以澄清。

　　3、由于上述1、2條的原因，因此設(shè)計人員實際設(shè)計過程中往往采取以下兩種方案：
　?。?） 在結(jié)構(gòu)方案階段盡量加柱子避免出現(xiàn)大跨度框架。
　　（2） 實在避免不了，就將預(yù)應(yīng)力的設(shè)計委托給預(yù)應(yīng)力施工單位來完成。
　　筆者認(rèn)為這兩種方案都不可取，第一種方案不能滿足建筑的要求，而且不利于結(jié)構(gòu)在設(shè)計上的創(chuàng)新。第二種方案亦不可取，因為它存在著如下隱患：
　　（1）預(yù)應(yīng)力筋雖然是施工單位幫助算了出來，但是預(yù)應(yīng)力筋的配置是否合理，是偏大還是偏小，設(shè)計人員往往心中無數(shù)，而且有關(guān)預(yù)應(yīng)力筋部分的施工圖紙最后要由設(shè)計人員簽字和蓋章，因此設(shè)計人員要為此承擔(dān)相應(yīng)的設(shè)計風(fēng)險。
　　（2）由于預(yù)應(yīng)力筋的設(shè)計與施工全部交給施工單位，設(shè)計人員往往按普通混凝土梁、柱的設(shè)計方法來設(shè)計預(yù)應(yīng)力框架的梁和柱。而實際上預(yù)應(yīng)力框架的梁、柱配筋由于有預(yù)應(yīng)力筋的存在使其配筋構(gòu)造和普通混凝土框架的梁、柱有所區(qū)別。而且會給施工帶來許多麻煩，使預(yù)應(yīng)力框架的質(zhì)量難以保證。
　　（3）預(yù)應(yīng)力筋的設(shè)計和施工全部由預(yù)應(yīng)力施工單位來完成，在施工現(xiàn)場，由于設(shè)計圖紙上對預(yù)應(yīng)力的相關(guān)技術(shù)參數(shù)要求不詳細(xì)，給監(jiān)理的現(xiàn)場監(jiān)督帶來困難。

　　二、    預(yù)應(yīng)力框架設(shè)計中應(yīng)注意的若干問題

　　1、設(shè)計人員應(yīng)注意在使用荷載作用下預(yù)應(yīng)力混凝土梁截面各階段的應(yīng)力變化和梁裂縫開展的情況，下面以預(yù)應(yīng)力簡支梁的跨中截面為例加以簡要說明：
　　第一階段：加載至混凝土上邊由拉變壓，下邊壓應(yīng)力減小到零，鋼筋拉應(yīng)力略有增加，構(gòu)件反拱減小，略有撓度。
　　第二階段：加載至裂縫即將出現(xiàn)，混凝土上邊壓應(yīng)力增加，下邊拉應(yīng)力達(dá)到ftk,鋼筋拉應(yīng)力增加了2αE ftk，構(gòu)件撓度增加。
　　第三階段：加載至破壞，截面下部裂縫開展，構(gòu)件撓度劇增，預(yù)應(yīng)力鋼筋拉應(yīng)力增加到fpy,，非預(yù)應(yīng)力鋼筋拉應(yīng)力增加到fy,混凝土上面壓應(yīng)力增加到fcm。
　　第四階段：在破壞前，卸去荷載，裂縫將閉合，混凝土重新受壓。
　　由上述可知，預(yù)應(yīng)力混凝土梁在各個階段的內(nèi)力變化情況與普通混凝土梁有所不同，我們在設(shè)計預(yù)應(yīng)力框架時應(yīng)考慮到這個因素。

　　2、預(yù)應(yīng)力框架的計算 ：
　　預(yù)應(yīng)力框架梁在正常使用條件下一般不開裂，使得整個結(jié)構(gòu)在使用階段處于彈性工作狀態(tài)，因此采用結(jié)構(gòu)力學(xué)桿系模型的計算理論來計算預(yù)應(yīng)力框架是切實可行的，換句話說，采用現(xiàn)有的TBSA、TAT、SATWE等計算程序可以進(jìn)行預(yù)應(yīng)力框架的內(nèi)力分析，其內(nèi)力分析結(jié)果是安全可靠的。

　　4、“荷載平衡法”在實際應(yīng)用中應(yīng)注意的問題 ：
　　“荷載平衡法”是林同炎先生對預(yù)應(yīng)力理論的重大貢獻(xiàn)，為超靜定預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的計算提供了一種簡化工具。但是在實際應(yīng)用中應(yīng)注意其使用范圍是有局限性的。“荷載平衡法”只是為結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析提供了一種簡化手段，將預(yù)應(yīng)力所起的作用折算成等效荷載參與結(jié)構(gòu)計算，這種計算方法的理論基礎(chǔ)是當(dāng)預(yù)應(yīng)力混凝土梁在正常使用條件下處于彈性工作時，預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力變化幅度很小，可近似地認(rèn)為是一個定值，即：

　　бpe=бcon –бl
　　其中 ：   бpe ：有效預(yù)應(yīng)力
　　бcon ：張拉控制應(yīng)力
　　бl ：預(yù)應(yīng)力損失

　　通過實驗證明，在正常使用狀態(tài)下，其計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合很好。但是在極限承載力狀態(tài)下，梁已接近破壞，預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力比在彈性條件下增加了許多。這時候，“荷載平衡法”的理論基礎(chǔ)已不存在。因此在極限狀態(tài)下用“荷載平衡法”進(jìn)行配筋計算是不妥的。
　　“荷載平衡法”的使用范圍只能是用于計算預(yù)應(yīng)力梁的撓度和裂縫，而計算梁的極限承載力時，不能考慮預(yù)應(yīng)力等效荷載的作用，只能按照普通混凝土框架的計算方法求出梁柱的內(nèi)力，再套用預(yù)應(yīng)力的相關(guān)公式分別計算出預(yù)應(yīng)力鋼筋和非預(yù)應(yīng)力鋼筋。

　　5、在計算梁的極限承載力時中是否需考慮次彎矩的不利影響

　　由于框架結(jié)構(gòu)屬于超靜定結(jié)構(gòu)，在預(yù)應(yīng)力等效荷載作用下，會產(chǎn)生次彎矩。一般情況，次彎矩對梁支座是有利的，對梁跨中是不利的。在梁的極限承載力狀態(tài)下是否需考慮次彎矩的影響，這個問題在工程界一直有爭議，至今也沒有一個定論，但從同濟(jì)大學(xué)和東南大學(xué)的大量試驗研究證明，在極限承載力狀態(tài)下仍然存在著次彎矩，但其大小只有正常使用狀態(tài)下的30%-60%。因此從工程實用的角度來說，可以得出如下結(jié)論：當(dāng)次彎矩對結(jié)構(gòu)有利時，可以不考慮；當(dāng)次彎矩對結(jié)構(gòu)不利時，在極限承載力計算時應(yīng)當(dāng)考慮。

　　6、用正常使用狀態(tài)和極限承載力狀態(tài)兩種方法所計算出得預(yù)應(yīng)力筋差別較大的原因淺析：

　　設(shè)計人員在進(jìn)行預(yù)應(yīng)力框架的設(shè)計時會發(fā)現(xiàn)這樣一種現(xiàn)象：用正常使用狀態(tài)下的計算公式計算的預(yù)應(yīng)力筋數(shù)量比用極限承載力狀態(tài)下的計算公式所計算的結(jié)果要大得多，這里面的原因是什么？通過筆者這幾年查閱國內(nèi)外資料發(fā)現(xiàn)，主要是由以下兩方面的原因造成的。
　?。?）我國的規(guī)范所規(guī)定的裂縫寬度的限值要求過嚴(yán)，通過分析《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中有關(guān)最大裂縫的控制規(guī)定可以發(fā)現(xiàn)，規(guī)范中對預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的最大裂縫寬度的限值比普通混凝土要嚴(yán)。規(guī)范的出發(fā)點(diǎn)是對采用預(yù)應(yīng)力鋼絲、鋼絞線及熱處理鋼筋的預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，考慮到鋼絲直徑較小和熱處理鋼筋對銹蝕比較敏感，一旦出現(xiàn)裂縫，會嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)耐久性，故規(guī)定在室內(nèi)正常環(huán)境下采用二級裂縫控制，在露天環(huán)境下采用一級裂縫控制。但是在實際工程中用的最多的是后張法有粘結(jié)或無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力體系，一般情況下預(yù)應(yīng)力筋是擺在普通鋼筋里面，其保護(hù)層較厚，混凝土即使開裂對于無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋來說它的外面有油脂和塑料套管的保護(hù)，對于有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋來說，它的外面有砂漿和波紋管的保護(hù)。而且預(yù)應(yīng)力筋在卸去荷載后其裂縫會自動閉合。因此，在實際工作中可根據(jù)具體情況作出適當(dāng)調(diào)整。
　?。?）我國的荷載規(guī)范中恒載的分項系數(shù)是1.2，活載的分項系數(shù)是1.4，而美國規(guī)范中恒載的分項系數(shù)是1.4，活載的分項系數(shù)是1.7，通過以上對比可以發(fā)現(xiàn)，與美國規(guī)范相比，用我國規(guī)范進(jìn)行極限狀態(tài)下的配筋計算結(jié)果偏低。
由上述分析可得出以下結(jié)論：當(dāng)采用后張法無粘結(jié)或有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力體系的預(yù)應(yīng)力梁，它的裂縫寬度可按同級的普通混凝土梁的要求來控制，在有經(jīng)驗的前提下還可進(jìn)一步放松。

　　7、框架柱在設(shè)計中應(yīng)注意的問題

　?。?）框架柱在極限承載力計算時，是否考慮梁中預(yù)應(yīng)力等效荷載的有利影響。

　　框架在預(yù)應(yīng)力等效荷載作用下，其所產(chǎn)生的綜合彎矩對于框架柱來說是有利的，那么在計算框架柱的極限承載力時是否考慮這一有利因素呢？筆者專門就這一問題向東南大學(xué)呂志濤院士進(jìn)行了請教，得出的結(jié)論是，由于預(yù)應(yīng)力在柱子上所產(chǎn)生的綜合彎矩比起柱子本身在豎向荷載作用下所受的彎矩要小的多，可以偏安全的不考慮這種有利影響。

　?。?） 框架柱的軸壓比限值 ：框架柱在抗震時是否有足夠的延性對于整個結(jié)構(gòu)來說是至關(guān)重要的。決定框架延性的一個重要因素就是框架柱的軸壓比，軸壓比越低則柱子的延性越好，因此，在設(shè)計中除加強(qiáng)框架柱的配筋構(gòu)造外，另一個重要的手段就是控制框架柱的軸壓比。一般情況下，預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的底層框架柱的軸壓比宜控制在0.6以內(nèi)。

　?。?） 在進(jìn)行框架柱的極限承載力計算時，柱截面計算高度h0的取值：由于預(yù)應(yīng)力框架的跨度一般都比較大，因此框架柱所受的彎矩較大，計算所需配筋較多，同時在梁柱節(jié)點(diǎn)處還要給預(yù)應(yīng)力錨具留出位置。這時，框架柱往往選用較粗的鋼筋甚至要配雙排鋼筋。在利用TBSA或PKPM的柱配筋計算結(jié)果時一定要慎重，因為程序內(nèi)定的柱截面高度隱含值h0=h-35（或40），計算出來的柱配筋會偏小，一定要將柱內(nèi)力取出后用手工方法進(jìn)行配筋驗算復(fù)核。

　　三、預(yù)應(yīng)力框架的結(jié)構(gòu)布置及配筋構(gòu)造 ：

　　1、預(yù)應(yīng)力框架的結(jié)構(gòu)布置 ：

　　框架梁的截面高度h可采用1/12~1/18 L，梁截面寬度b=(1/3~1/5)h，當(dāng)截面配置一束預(yù)應(yīng)力筋時，b=250~300mm；當(dāng)在同一截面高度配置二束預(yù)應(yīng)力筋時，b=300~400mm。
　　框架柱多為矩形截面，按軸壓比小于0.6來確定截面尺寸。此外，柱寬尚應(yīng)滿足梁的預(yù)應(yīng)力筋和柱縱筋的布置要求。在平面布置中，柱子較長的一邊宜垂直于梁的軸線方向，
這樣布置框架柱的目的在于：

　　（1）便于排放預(yù)應(yīng)力錨具和柱子的縱向鋼筋。
　?。?）使得柱子所分配的彎矩較小，計算所需的鋼筋較少，便于柱縱筋的排放。

　　2、框架梁的配筋構(gòu)造 ：

　　框架梁中有關(guān)預(yù)應(yīng)力筋和錨具的構(gòu)造在許多資料中已有詳細(xì)的介紹，本文不再重復(fù)。下面將重點(diǎn)介紹梁中普通鋼筋的構(gòu)造，這往往是設(shè)計人員容易忽略的問題。典型的預(yù)應(yīng)力梁的截面配筋，在設(shè)計中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

　?。?）梁中受拉區(qū)配置的縱向普通鋼筋的最小截面面積As應(yīng)符合下列規(guī)定：
　　Asfy/( Asfy+ AsσP)>0.25或    As=0.3%bh

　　取以上兩式計算結(jié)果的較大值。縱向非預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)均勻分布在梁的受拉區(qū)，并靠近受拉邊緣，其直徑不應(yīng)小于14mm，長度應(yīng)符合鋼筋錨固長度的要求。

　?。?）梁箍筋不僅起著抗剪的作用，而且在施工時還起著固定波紋管的作用，因此，箍筋的直徑不宜過細(xì)，一般取10~16mm。箍筋間距100~200mm.

　?。?）由于溫度應(yīng)力和不均沉降的影響，即使在預(yù)應(yīng)力張拉完成后，沿梁長方向也會出現(xiàn)若干條較細(xì)的垂直裂縫，這種裂縫一般是沿梁長均勻分布。為防止這種裂縫的出現(xiàn)，梁兩側(cè)宜放置直徑為10~16mm的普通鋼筋，間距控制在100~150mm。長度應(yīng)符合鋼筋錨固長度的要求。

　　3、框架柱的配筋構(gòu)造 ：

　　典型的框架拄配筋，在設(shè)計中應(yīng)注意以下幾點(diǎn) ：
　　（1）在排列柱縱向鋼筋時，必須首先考慮預(yù)應(yīng)力錨具的布置。
　　（2） 柱的縱向鋼筋應(yīng)盡量選用較粗的直徑，以減少鋼筋的根數(shù)便于施工。當(dāng)選用直徑在28mm以上的鋼筋時，應(yīng)在設(shè)計中特別注明要采用機(jī)械連接，以保證施工質(zhì)量。

　　最后，筆者要特別感謝東南大學(xué)的呂志濤院士和王曙光博士對本文在撰寫過程中所提供的支持和幫助。