王志華

（中國建筑西南勘察設(shè)計研究院,四川 成都610000）

前言

在高層建筑中，采用無粘結(jié)預應力技術(shù),不但可以降低層高及建筑物的總高度,減少結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的反應,而且能降低房屋的運行費用,能產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟效果。因此,本文作者就高層建筑結(jié)構(gòu)無粘結(jié)預應力混凝土樓板設(shè)計進行了分析。

1.設(shè)計計算基本原理

采用荷載平衡法設(shè)計后張無粘結(jié)預應力樓板是當前國際上普遍采用的計算方法,此法概念清楚,計算簡單,有利于控制結(jié)構(gòu)撓度,而且有足夠的精度。荷載平衡法的基本原理就是通過張拉預應力鋼筋產(chǎn)生的等效荷載來平衡作用在構(gòu)件上的一部分荷載,包括全部靜荷載及少量的活荷載,以求達到受彎構(gòu)件在此階段不產(chǎn)生撓度。等效荷載之所以只平衡一部分活荷載,是因為在大多數(shù)結(jié)構(gòu)中,按規(guī)范規(guī)定的全部活荷載一般很少發(fā)生。由預應力平衡靜荷載及全部活荷載,則結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生一個永遠向上的反拱,該反拱還會因徐變作用隨時間進一步增長。因此,所平衡的荷載最好是靜荷載加上經(jīng)常發(fā)生的且不超過50%的活荷載。

要平衡掉外荷載就需要選擇一個預加力和它的c1g1s(預應力筋合力作用線)曲線,使它產(chǎn)生的反向等效荷載正好和外荷載相等,這樣受彎構(gòu)件就處于均勻受壓狀態(tài)。等效荷載由兩部分組成,其一是通過錨具在端部產(chǎn)生的結(jié)點荷載,一般稱其為等效結(jié)點荷載;其二是由于預應力筋線型改變產(chǎn)生的集中和分布荷載,一般稱其為線性等效荷載。

當構(gòu)件配置拋物線預應力筋時,其等效荷載按下列公式進行計算:

式中qe:預應力筋產(chǎn)生的作用于構(gòu)件上的分布力;Npe:預應力筋產(chǎn)生的作用于構(gòu)件上的總有效預加力;σpe:預應力筋的有效預應力;f:拋物線預應力筋的有效矢高;l:構(gòu)件計算跨度。

如果板上的外荷載比較大,則差額部分荷載猶如作用在勻質(zhì)彈性板上一樣,在開裂之前,附加的應力可按下式計算:

式中:σpc未平衡的差額荷載在構(gòu)件中引起的應力;M:差額荷載(等效荷載平衡之外)引起的彎矩;I0:換算截面慣性矩。

在超靜定中,張拉預應力引起的變形受到約束將引起次反力,由次反力產(chǎn)生的彎矩為次彎矩,后張預應力混凝土超靜定結(jié)構(gòu),在進行正截面受彎承載力計算及抗裂驗算時,在彎矩設(shè)計值中次彎矩應參加組合。

按彈性分析計算時,次彎矩宜按下列公式計算:

式中Np:預應力鋼筋及非預應力鋼筋的合力;epn:凈截面重心至預應力鋼筋及非預應力鋼筋合力點的距離;M1:預加力對凈截面重心偏心引起的彎矩值;Mr:由預加力的等效荷載在結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面上產(chǎn)生的彎矩值。

在進行正截面承載力計算時,按下列公式計算:

式中M:計算截面上的彎矩設(shè)計值。

Mu:構(gòu)件正截面受彎承載力設(shè)計值。

在對截面進行受彎承載力計算時,當參與組合的次彎矩對結(jié)構(gòu)不利時,預應力分項系數(shù)取1.2;有利時取1.0。

2.基本設(shè)計步驟

無粘結(jié)預應力樓板設(shè)計,一般遵循下列步驟;a.確定混凝土強度等級及板厚;b.確定不同階段混凝土拉應力允許值[σ];c.確定由等效荷載平衡掉的外荷載;d.根據(jù)所要平衡的荷載值及線形可確定預加力,進而可確定預應力筋數(shù)量;e.計算在等效荷載及使用荷載作用下的板面應力設(shè)計值σd;f.抗裂驗算應符合σd≤[σ],當不符合時,應增加預應力筋數(shù)量,重新驗算;g.受彎承載力計算應符合M≤Mu,當不滿足時,應采用預應力筋補足,M為彎矩設(shè)計值,Mu為承載力設(shè)計值;h.按部分預應力概念進行樓板截面設(shè)計,采用預應力筋和非預應力筋混合配筋,以利于提高結(jié)構(gòu)的延性和抗震性能。

3.設(shè)計參數(shù)選擇

3.1.樓板厚度

由于預應力混凝土板的撓度比鋼筋混凝土板的撓度小得多,因此,樓板的跨高比可盡量大些,以使結(jié)構(gòu)輕巧、美觀、經(jīng)濟。根據(jù)國內(nèi)外無粘結(jié)預應力平板的工程實踐經(jīng)驗,跨高比宜采用:單向連續(xù)板40～50、單向簡支板35～40,柱支撐雙向板40～45,周邊支撐連續(xù)雙向板40～50,周邊支撐簡支雙向板40～55,雙向密肋板 30～35。

3.2.荷載標準值

樓面:恒荷(包括樓板自重、隔墻等效的均布荷載及樓面裝修荷載);活荷載(GB50009,上人屋面2.0KN/m2,不上人屋面取0.5KN/m2)。

3.3.材料力學指標

混凝土強度等級高于C30,一般情況下,采用C40;無粘結(jié)預應力筋一般采用高強度低松弛鋼絞線,其性能應符合國家現(xiàn)行標準《預應力混凝土用鋼絞線》GB/T5224的規(guī)定。

3.4.張拉控制應力及預應力損失

根據(jù)GB50010要求,對采用鋼絲,鋼絞線的后張結(jié)構(gòu),其σcon應小于0.7fptk,采用熱處理鋼筋的后張法構(gòu)件其σcon應小于0.65fptk。

無粘結(jié)預應力筋的有效預應力按下列公式計算:

式中:σcon無粘結(jié)預應力筋張拉控制應力;σIn:第n項預應力損失。

各項預應力損失按"無粘結(jié)預應力混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程"要求計算,無粘結(jié)預應力筋損失不應小于80N/mm2。由于預應力損失值的計算十分繁瑣,同時也難以做到精確,為簡化起見,參照國內(nèi)外的工程實踐經(jīng)驗,總預應力損失有建議也可近似計算為:

4.內(nèi)力分析極其有關(guān)問題

4.1.引起附加內(nèi)力

4.1.1.豎向構(gòu)件的不均勻變形對預應力樓板內(nèi)力的影響:分析表明,由于豎向構(gòu)件間存在不均勻的軸向變形,對樓板內(nèi)力產(chǎn)生影響,并且這種影響隨建筑物高度的增加而增加,尤其對于框筒結(jié)構(gòu),由于外框架柱的軸壓比要比內(nèi)筒大得多,因此兩者變形差可能較大,這時,在預應力樓板設(shè)計應充分考慮到豎向構(gòu)件間的沉降差對樓板內(nèi)力的影響

4.1.2.水平力對樓板內(nèi)力的影響:在高層建筑結(jié)構(gòu)中,水平荷載組合通常起控制作用。水平荷載的作用將在板內(nèi)產(chǎn)生正負交變彎矩。一般情況下,對樓板施加預應力主要是用于承受豎向荷載。因此,樓蓋結(jié)構(gòu)采用預應力技術(shù)時,整個結(jié)構(gòu)應有較大的抗側(cè)剛度抵抗水平荷載的作用以使板內(nèi)預應力筋主要承受豎向荷載

4.1.3.邊緣構(gòu)件的約束對預應力樓板內(nèi)力的影響:由于柱子或墻體的剛度很大,對樓板施加預應力時,一部分力將傳給柱子或墻體,因此在樓板設(shè)計中也應充分考慮到邊緣構(gòu)件的約束作用對邊緣構(gòu)件自身以及對樓板內(nèi)力的影響

4.1.4.預應力樓板對邊緣的扭轉(zhuǎn)作用:傳統(tǒng)小開間樓板,對邊梁的扭轉(zhuǎn)可以忽略不計,但大跨度的預應力樓板對邊梁的扭轉(zhuǎn)的影響卻十分顯著,因此在預應力樓板設(shè)計時應同時考慮邊梁的設(shè)計問題,邊梁設(shè)計時應按彎剪扭復合受力構(gòu)件進行計算。

5.設(shè)計中應注意的問題

預應力技術(shù)是一門綜合的高新技術(shù),它包括科研、設(shè)計、施工、測試等幾個方面,設(shè)計時應全盤考慮,一個好的設(shè)計應注意運用最新的科研成果。當然,原材料的選擇、施工方案的選擇及測試要求等都應綜合考慮。有效預應力的建立是設(shè)計過程中的一個關(guān)鍵性問題,其中預應力總損失的計算甚為關(guān)鍵,原則上預應力的各項損失應按規(guī)范計算,當有豐富的施工經(jīng)驗時亦可估算。伸縮縫的設(shè)置?，F(xiàn)代建筑的平面不斷增大,伸縮縫問題日益突出,從理論上說只要預應力筋是連續(xù)的就可不設(shè)縫,但要注意大噸位張拉可能帶來的一系列問題及預應力損失過大等,因此,綜合考慮長度在150m內(nèi)的預應力混凝土樓板不設(shè)縫還是可行的。但這時要重點考慮混凝土開裂問題,具體可采取以下措施:優(yōu)化混凝土配合比;適量摻入混凝土膨脹劑;合理設(shè)置后澆帶、膨脹帶及伸縮縫;配置適量溫度筋,加強混凝土養(yǎng)護,尤其需要蓄水養(yǎng)護。

6.結(jié)束語

無粘結(jié)預應力混凝土采用高強材料、先進的預應力工藝和先進的設(shè)計方法,節(jié)材效果大,結(jié)構(gòu)功能好,最適合建造大柱網(wǎng)、大開間、大空間的建筑樓板。高層建筑樓、屋蓋采用無粘結(jié)預應力技術(shù),不僅可以降低層高及建筑物的總高度,減少結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的反應,而且能降低房屋的運行費用,能產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟效果。

[1]趙夕來.無粘結(jié)預應力樓板新規(guī)范設(shè)計方法[J].安徽建筑工業(yè)學院學報(自然科學版).2005年05期.

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