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摘要：預應力混凝土結構與普通混凝土結構相比有跨度較大、撓度和裂縫較小的優點；和鋼結構相比能降低造價和日常的維護費用，而且防火性能較好。因此，大力發展預應力混凝土結構是與現階段我國國情相適應的。但在設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供大家參考。

關鍵詞：預應力框架抗震

一、前言

采用預應力混凝土是改善結構使用性能、節約鋼材和能源、滿足建筑空間要求、提高綜合經濟效益的重要措施。然而筆者在這幾年的工作實踐中發現在預應力框架的設計中存在著以下幾方面的問題需要引起重視：

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

2、設計人員在設計預應力框架時，設計步驟如何？計算模型應如何建立？預應力等效荷載應如何應用等問題上有許多模糊的認識需加以澄清。

3、由于上述1、2條的原因，因此設計人員實際設計過程中往往采取以下兩種方案：

（1）在結構方案階段盡量加柱子避免出現大跨度框架。

（2）實在避免不了，就將預應力的設計委托給預應力施工單位來完成。

筆者認為這兩種方案都不可取，第一種方案不能滿足建筑的要求，而且不利于結構在設計上的創新。第二種方案亦不可取，因為它存在著如下隱患：

（1）預應力筋雖然是施工單位幫助算了出來，但是預應力筋的配置是否合理，是偏大還是偏小，設計人員往往心中無數，而且有關預應力筋部分的施工圖紙最后要由設計人員簽字和蓋章，因此設計人員要為此承擔相應的設計風險。

（2）由于預應力筋的設計與施工全部交給施工單位，設計人員往往按普通混凝土梁、柱的設計方法來設計預應力框架的梁和柱。而實際上預應力框架的梁、柱配筋由于有預應力筋的存在使其配筋構造和普通混凝土框架的梁、柱有所區別。而且會給施工帶來許多麻煩，使預應力框架的質量難以保證。

（3）預應力筋的設計和施工全部由預應力施工單位來完成，在施工現場，由于設計圖紙上對預應力的相關技術參數要求不詳細，給監理的現場監督帶來困難。

二、預應力框架設計中應注意的若干問題

1、設計人員應注意在使用荷載作用下預應力混凝土梁截面各階段的應力變化和梁裂縫開展的情況，下面以預應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，下邊壓應力減小到零，鋼筋拉應力略有增加，構件反拱減小，略有撓度。

第二階段：加載至裂縫即將出現，混凝土上邊壓應力增加，下邊拉應力達到ftk,鋼筋拉應力增加了2αEftk，構件撓度增加。

第三階段：加載至破壞，截面下部裂縫開展，構件撓度劇增，預應力鋼筋拉應力增加到fpy,，非預應力鋼筋拉應力增加到fy,混凝土上面壓應力增加到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，預應力混凝土梁在各個階段的內力變化情況與普通混凝土梁有所不同，我們在設計預應力框架時應考慮到這個因素。

2、預應力框架的計算：

預應力框架梁在正常使用條件下一般不開裂，使得整個結構在使用階段處于彈性工作狀態，因此采用結構力學桿系模型的計算理論來計算預應力框架是切實可行的，換句話說，采用現有的TBSA、TAT、SATWE等計算程序可以進行預應力框架的內力分析，其內力分析結果是安全可靠的。

4、“荷載平衡法”在實際應用中應注意的問題：

“荷載平衡法”是林同炎先生對預應力理論的重大貢獻，為超靜定預應力結構的計算提供了一種簡化工具。但是在實際應用中應注意其使用范圍是有局限性的?！昂奢d平衡法”只是為結構的內力分析提供了一種簡化手段，將預應力所起的作用折算成等效荷載參與結構計算，這種計算方法的理論基礎是當預應力混凝土梁在正常使用條件下處于彈性工作時，預應力筋的應力變化幅度很小，可近似地認為是一個定值，即：

бpe=бcon–бl

其中：бpe：有效預應力

бcon：張拉控制應力

бl：預應力損失

通過實驗證明，在正常使用狀態下，其計算結果與試驗結果吻合很好。但是在極限承載力狀態下，梁已接近破壞，預應力筋的應力比在彈性條件下增加了許多。這時候，“荷載平衡法”的理論基礎已不存在。因此在極限狀態下用“荷載平衡法”進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應力梁的撓度和裂縫，而計算梁的極限承載力時，不能考慮預應力等效荷載的作用，只能按照普通混凝土框架的計算方法求出梁柱的內力，再套用預應力的相關公式分別計算出預應力鋼筋和非預應力鋼筋。

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

由于框架結構屬于超靜定結構，在預應力等效荷載作用下，會產生次彎矩。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，但從同濟大學和東南大學的大量試驗研究證明，在極限承載力狀態下仍然存在著次彎矩，但其大小只有正常使用狀態下的30%-60%。因此從工程實用的角度來說，可以得出如下結論：當次彎矩對結構有利時，可以不考慮；當次彎矩對結構不利時，在極限承載力計算時應當考慮。

6、用正常使用狀態和極限承載力狀態兩種方法所計算出得預應力筋差別較大的原因淺析：

設計人員在進行預應力框架的設計時會發現這樣一種現象：用正常使用狀態下的計算公式計算的預應力筋數量比用極限承載力狀態下的計算公式所計算的結果要大得多，這里面的原因是什么？通過筆者這幾年查閱國內外資料發現，主要是由以下兩方面的原因造成的。

（1）我國的規范所規定的裂縫寬度的限值要求過嚴，通過分析《混凝土結構設計規范》中有關最大裂縫的控制規定可以發現，規范中對預應力結構的最大裂縫寬度的限值比普通混凝土要嚴。規范的出發點是對采用預應力鋼絲、鋼絞線及熱處理鋼筋的預應力混凝土構件，考慮到鋼絲直徑較小和熱處理鋼筋對銹蝕比較敏感，一旦出現裂縫，會嚴重影響結構耐久性，故規定在室內正常環境下采用二級裂縫控制，在露天環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或無粘結預應力體系，一般情況下預應力筋是擺在普通鋼筋里面，其保護層較厚，混凝土即使開裂對于無粘結預應力筋來說它的外面有油脂和塑料套管的保護，對于有粘結預應力筋來說，它的外面有砂漿和波紋管的保護。而且預應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具體情況作出適當調整。

（2）我國的荷載規范中恒載的分項系數是1.2，活載的分項系數是1.4，而美國規范中恒載的分項系數是1.4，活載的分項系數是1.7，通過以上對比可以發現，與美國規范相比，用我國規范進行極限狀態下的配筋計算結果偏低。

由上述分析可得出以下結論：當采用后張法無粘結或有粘結預應力體系的預應力梁，它的裂縫寬度可按同級的普通混凝土梁的要求來控制，在有經驗的前提下還可進一步放松。

7、框架柱在設計中應注意的問題

（1）框架柱在極限承載力計算時，是否考慮梁中預應力等效荷載的有利影響。

框架在預應力等效荷載作用下，其所產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呂志濤院士進行了請教，得出的結論是，由于預應力在柱子上所產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。

(2)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構來說是至關重要的。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，在設計中除加強框架柱的配筋構造外，另一個重要的手段就是控制框架柱的軸壓比。一般情況下，預應力結構的底層框架柱的軸壓比宜控制在0.6以內。

（3）在進行框架柱的極限承載力計算時，柱截面計算高度h0的取值：

由于預應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，同時在梁柱節點處還要給預應力錨具留出位置。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的柱配筋計算結果時一定要慎重，因為程序內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，一定要將柱內力取出后用手工方法進行配筋驗算復核。

三、預應力框架的結構布置及配筋構造：

1、預應力框架的結構布置：

框架梁的截面高度h可采用1/12~1/18L，梁截面寬度b=(1/3~1/5)h，當截面配置一束預應力筋時，b=250~300mm；當在同一截面高度配置二束預應力筋時，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，柱寬尚應滿足梁的預應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）便于排放預應力錨具和柱子的縱向鋼筋。

（2）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、框架梁的配筋構造：

框架梁中有關預應力筋和錨具的構造在許多資料中已有詳細的介紹，本文不再重復。下面將重點介紹梁中普通鋼筋的構造，這往往是設計人員容易忽略的問題。典型的預應力梁的截面配筋，在設計中應注意以下幾點：

（1）梁中受拉區配置的縱向普通鋼筋的最小截面面積As應符合下列規定：

Asfy/(Asfy+AsσP)>0.25

或As=0.3%bh

取以上兩式計算結果的較大值。縱向非預應力鋼筋應均勻分布在梁的受拉區，并靠近受拉邊緣，其直徑不應小于14mm，長度應符合鋼筋錨固長度的要求。

（2）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，一般取10~16mm。箍筋間距100~200mm.

（3）由于溫度應力和不均沉降的影響，即使在預應力張拉完成后，沿梁長方向也會出現若干條較細的垂直裂縫，這種裂縫一般是沿梁長均勻分布。為防止這種裂縫的出現，梁兩側宜放置直徑為10~16mm的普通鋼筋，間距控制在100~150mm。長度應符

合鋼筋錨固長度的要求。

3、框架柱的配筋構造：

典型的框架拄配筋，在設計中應注意以下幾點：

（1）在排列柱縱向鋼筋時，必須首先考慮預應力錨具的布置。

（2）柱的縱向鋼筋應盡量選用較粗的直徑，以減少鋼筋的根數便于施工。當選用直徑在28mm以上的鋼筋時，應在設計中特別注明要采用機械連接，以保證施工質量。

4、框架節點的配筋構造：

框架邊柱節點構造，在設計中應注意以下二點與普通框架的不同之處：

（1）梁頂縱筋伸至柱邊后應向上彎折，這是為了避免與預應力錨具和局部承壓鋼筋網片發生矛盾。

（2）框架柱宜伸出屋面與女兒墻同高，便于梁頂縱筋和柱縱筋的錨固。

本文是筆者對近幾年從事預應力設計工作的一個系統總結，相信對同行會有一定的幫助。但限于筆者水平，加上時間倉促，文中定有不妥甚至錯誤之處，衷心希望讀者批評指正。

最后，筆者要特別感謝東南大學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。