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預應力預制框架結構設計及應用——構件設計

在上篇《預應力預制框架結構設計及應用——結構設計》中我們對寶業·愛多邦項目中的裝配整體式預應力框架結構有了部分的了解。接下來，為大家帶來《預應力預制框架結構設計及應用——構件設計》。

項目概況

本項目位于上海市青浦區趙巷新城青湖東路南側，北淀浦河路北側，基地面積27938平方米，總建筑面積83000平方米，地上建筑面積57000平方米，容積率2.0。本建筑為配套商業建筑，結構形式為預應力框架結構，地上2層（層高4.5米），建筑總高度為11.0米，建筑面積1166平方米，建筑耐火等級二級，屋面防水等級Ⅰ級。

圖1.項目效果圖

構件設計

1、構件拆分

構件拆分時，需要充分考慮以下要點：①避免拆分對結構產生不利影響；②應充分減小現場吊裝、支撐、模板、粉刷等工程量；③應考慮現澆節點位置和節點處理方法。

本工程柱子采用預制柱，梁則采用半預制疊合梁，樓板采用SP 預應力空心疊合樓板（圖7、8）。這種拆分方案的優點是現場的模板和粉刷工作量達到最小，缺點則是梁柱節點區鋼筋密集，需要考慮鋼筋的碰撞問題。

圖7.結構構件拆分示意圖

圖8.結構構件拆分示意圖

2、構件的結構設計

根據《規程》，裝配整體式框架結構除按照現澆框架結構設計，計算出構件截面配筋和核心區驗算外，還需要進行疊合梁豎向接縫的受剪承載力設計，地震狀況下的預制柱底水平接縫的受剪承載力設計，預制構件在脫模、翻轉、運輸、安裝等短暫工況下的施工驗算，以及水平疊合構件的施工階段驗算。

2.1、接縫抗剪設計

框架柱端和框架梁端面均設置抗剪鍵槽，鍵槽抗剪設計計算依據《規程》相應章節，并滿足構造要求。

（1）框架柱底水平受剪承載力與鍵槽尺寸無關，因此鍵槽設置以安裝便利為原則。本次鍵槽尺寸為200mm×200mm×40mm(長×寬×深)。結構計算得出柱受壓，柱底剪力設計值為430kN，通過截面鋼筋為 0-1.webp.jpg ，=0.8N +1.65A=2 209kN＞430kN接縫滿足要求。

（2）以預應力梁為例，梁端鍵槽剪力設計值為900kN，通過截面鋼筋為。

=0.04+0.06+1.65A=1000.9kN＞900kN，未考慮預應力有利作用，接縫承載力滿足要求。

2.2 構件計算

預制構件的設計，除滿足結構設計要求外，還要對構件制作、運輸和堆放、翻轉、安裝等短暫工況下的承載力、變形、裂縫控制進行驗算。裝配式混凝土結構的施工驗算是預制構件設計的重要內容之一，對結構配筋計算影響較大，有時甚至成為決定性因素。

圖9.梁計算模型

對于疊合梁、疊合板等構件的預制部分以及SP 預應力空心樓板，只在梁底和板底設置縱向鋼筋，上部不設鋼筋或只設構造鋼筋。因此，需要嚴格控制吊點的位置，防止吊點處負彎矩過大，構件頂部開裂。對于不允許出現裂縫的預應力混凝土梁和預制柱，可取正負彎矩相等的原則，此時吊點設置在0.207L處[4]（圖9）。預制梁脫模、堆放及吊裝工況下支點位置完全相同，脫模、運輸、吊裝各工況的動力系數均取1.5，由于脫模階段混凝土強度未達到設計強度，因此僅以脫模工況為例，進行承載力和裂縫驗算即可。預制柱還需對構件翻轉工況進行驗算（圖10）。具體計算參考《混凝土結構工程施工規范》（GB—50666）的相關章節。

圖10.柱翻轉工況力學模型

2.3 預制柱的安裝支撐計算

預制柱的安裝，需要考慮柱底混凝土的養護強度要求和斜支撐的承載力要求。

2.3.1 柱底現澆混凝土養護強度要求

柱底現澆混凝土養護強度要求的確定，以柱子無法壓碎墊塊下混凝土為原則，可以按照以下公式確定：

式中，—— 與施工環節的混凝土立方體抗壓強度相對應的抗壓強度標準值（MPa）；

—— 預制混凝土柱的等效自重，動力系數取1.2；

—— 墊塊的面積。

2.3.2 斜支撐的承載力要求

預制柱斜支撐的數量，原則上中柱設置4 個，邊柱設置3 個，角柱設置2 個。柱安裝過程中，斜支撐承載力所產生的穩定力矩應當大于重力和風力產生的側翻力矩，受力模型見圖11。

圖11 柱支撐工況力學模型圖

穩定狀態下：

最不利工況下，取e=b/2，則：

此時計算出的T 為斜支撐軸力，同樣可以作為斜撐埋件的承載力要求。

2.3.3 水平疊合構件施工計算

《混凝土結構設計規范》（GB50010—2010）中已經對水平疊合構件不同階段的結構形式和荷載取值作了詳盡的規定，但本工程是部分預應力工程，因此預應力梁在預應力施工完成前，應按照第一階段考慮，荷載與第二階段中的施工階段荷載相同。

（1）本工程采用大開間布局，使用階段的商業活荷載和內隔墻荷載取值3.5+1=4.5kN/m2，施工活荷載取值1.5kN/m2，荷載取值按使用階段選取，該階段結構分析已經給出，不用再次計算。

（2）施工過程中，荷載的傳遞方式是SP 樓板→梁系→柱，因此需要分別驗算各構件，同時控制構件間荷載傳遞。

（3）要求柱套筒灌漿料達到設計強度（40MPa）才能吊裝梁，因此柱子可以按照支座考慮。SP 板在施工階段不需要進行支撐，但考慮到主梁承擔的樓板面積為100.8m2，傳遞到梁的荷載過大，因此考慮在SP 板兩端設樓板支撐，要求能全部承受樓板荷載。預制疊合梁經計算，設置重型盤扣支撐架，步距1.2m，單根立桿承載力100kN。

3、構件的構造和連接

3.1 預制柱的構造

預制柱的構造包括套筒區的箍筋、保護層、凈間距等構造，柱端抗剪槽和粗糙面設置，柱底鍵槽的排氣構造，柱底防雷設置，以及主筋避讓引起的抗震構造鋼筋的設置、吊裝引導鋼筋的設置等。其中，防雷接地埋件的設計還應考慮到保護預應力筋不受雷擊強電流的影響。預制柱頂部設置梁托座，便于調整梁底標高和梁的水平位置。在無支撐疊合梁中，托座需要進行抗剪驗算。

3.2 疊合梁的構造

梁柱接頭內，梁筋采用搭接方案，因此，需要將梁筋偏置，避免梁柱接頭鋼筋碰撞。梁筋的不對稱布置和X 向梁底筋還需要做抬高布置，盡管經過了抗扭驗算和端部強度驗算，但不滿足構造抗裂要求，需要增加構造鋼筋（圖12）。

圖12.鋼筋抬高端增加構造鋼筋

3.3 預應力梁柱接頭節點構造

合梁的構造由于預應力錨具尺寸較大，不可避免地對柱子鋼筋位置造成影響。為了節約空間，本工程采取了預應力筋集中布置的方案，在預制梁中埋設一根80 的預應力波紋管（圖13）。該方案有以下優點：①波紋管布置在梁軸線上，不會對箍筋和縱筋造成影響；②柱內側主筋增大間距，避開預應力錨頭。由于主筋開外側布置，其內部空間相對較大，方便錨具安裝。