目前，大跨度框架结构因其施工方便、经济合理被广泛地应用。本文主要研究大跨度预应力混凝土框架结构设计，并以太原市某校区改扩建工程中风雨操场屋面梁结构设计为例，探讨大跨度结构预应力梁的优点及应用。结果显示，采用大跨度结构预应力梁的设计，不仅有利于施工，还有更好的经济效果。 大跨度预应力框架梁的设计 设计原则 框架是建筑工程中最重要的结构形式之一。近年来，随着预应力技术的广泛应用与发展，采用预应力技术，加大楼板跨度，建成具有建筑平面布置灵活、内部空间较大等特点的大跨预应力混凝土结构大量涌现，并取得了较好的经济效益和社会效益。根据相关研究及工作结构设计中的具体实践，认为在设计大跨度预应力混凝土时，需特别注意如下原则：
目前，大跨度框架结构因其施工方便、经济合理被广泛地应用。本文主要研究大跨度预应力混凝土框架结构设计，并以太原市某校区改扩建工程中风雨操场屋面梁结构设计为例，探讨大跨度结构预应力梁的优点及应用。结果显示，采用大跨度结构预应力梁的设计，不仅有利于施工，还有更好的经济效果。
大跨度预应力框架梁的设计
设计原则
框架是建筑工程中最重要的结构形式之一。近年来，随着预应力技术的广泛应用与发展，采用预应力技术，加大楼板跨度，建成具有建筑平面布置灵活、内部空间较大等特点的大跨预应力混凝土结构大量涌现，并取得了较好的经济效益和社会效益。根据相关研究及工作结构设计中的具体实践，认为在设计大跨度预应力混凝土时，需特别注意如下原则：
1.预应力结构内力分析按最不利组合进行分析，且需要额外考虑施工张拉影响、温差和收缩徐变作用等。在裂缝三级控制条件下，裂缝宽度验算要按照承载能力极限状态要求进行。
2.超长结构平面形状布置宜简单规则，平面变化处宜平缓，尽量避免立面不规则和刚度突变的情况发生。结构立面布置宜规则，结构刚度分布宜均匀、连续，不出现集中或者过度间断，剪力墙等抗侧刚度较大的构件宜布置在结构中部。
3.承载能力极限状态分析可采用弹性或塑性理论分析方法，但是对于截面的计算而言，取弹性分析时的。
4.在长期荷载组合下，应控制框架梁下部外围的拉应力及梁截面裂缝宽度。
5.预应力混凝土结构一般属于超静定结构，在其正截面承载力计算和抗裂验算中，应考虑次弯矩的影响。
设计流程
大跨度预应力框架梁设计和计算流程一般如图1 所示。
图1 大跨度预应力框架梁设计和计算流程
工程概况
本项目为太原市某中学改扩建工程，地上五层/地下一层，结构形式为框架结构，建筑高度为22.914m（室外地面到坡屋面中点）。本工程总建筑面积为29278.86m2，包括地上建筑面积19768.43m2，地下建筑面积9510.43m2。规划净用地面积17186.12m2。工程抗震设防烈度为8度，0.2g，第二组；抗震设防类别为乙类。
风雨操场结合下沉广场设置于地下空间，共一层，局部设置夹层。夹层区域主要布置乒乓球馆、体育教室、体育器材室等；大空间结构为室内篮球场。风雨操场层高9.3m，夹层区域建筑层高4.8m和4.5m。
风雨操场大跨度预应力混凝土框架结构设计
设计概况
本项目中风雨操场为地下建筑，长宽为40.2伊21.9（长宽比1.84），其建筑面积为840.72m2；顶板覆土厚度为0.9m。结构类型为框架结构，预应力梁板体系。混凝土强度等级为C40。风雨操场顶部为400m标准室外操场，风雨操场层高9.3m，净高7.4m，最大梁跨为21.9 m。风雨操场地面标高-10.200，顶板结构标高-0.900。
预应力梁（短跨方向）截面：750伊1900（4 根）；普通主梁（长跨方向）：400伊1000（2 根），普通次梁（长跨方向）：350X800（6 根）。
设计参数
本工程为大跨度大悬挑梁采用后张有粘结预应力技术，预应力大梁抗震等级为一级，采用1 860Mpa有粘结预应力钢绞线，预应力筋抗拉强度标准值fptk=1860Mpa。预应力张拉控制应力为1860x0.75= 1395MPa，超张拉3豫，单根预应力筋的张拉力为200KN。当混凝土强度达到设计强度的80%之后且龄期不少于10d，方可进行张拉。
材料要求
1.钢材：预应力筋采用直径15.2mm，极限强度标准值为1 860MPa 的低弛预应力钢绞线。其性能应满足《预应力混凝土用钢绞线》（GB/T5224-2003）的规定。
2.锚具：张拉端与固定端猫具别采用一类夹片群锚（园锚）体系，由厂家提供其静载载侧实验数据，其性能必须满足《预应力筋用锚具、夹具和连接器应用技术规程》JGJ 85-2010 中锚具的要求，夹片硬度要按规范要求进行抽检，并提供生产厂家或检测机构出具的硬度报告。
3.混凝土：预应力混凝土强度等级C40，混凝土中不得使用任何掺加氯化物的外加剂。用于预应力筋封端的混凝土为微膨胀细石混凝土或防水砂浆。
4.水泥浆：有粘结预应力孔道灌浆采用42.5 的普通桂酸盐水泥，水灰比宜控制在0.40~0.45 之间，可掺入适量膨胀剂及高效减水剂，以增加孔道灌浆的密实性，水泥浆28d 强度不得低于30MPa。
5.波纹管：用于粘结预应力孔道的材料为金属波纹管，壁厚不应小于0.25mm。
主要设计图
预应力筋曲线图
图2 预应力筋曲线图
预应力张拉端构造图
图3 预应力张拉端构造图
预应力张拉端锚具主要尺寸示意图
图4 预应力张拉端锚具主要尺寸示意图
大跨度预应力框架梁结构优势及经济评价
大跨度预应力框架梁结构优势
就结构设计而言，大跨度预应力框架梁结构可以实现如下优势：
1.在公共建筑中，可有效扩大使用空间，很好地满足使用功能；
2.在相同的荷载作用下，大跨度预应力梁板中的内力可减少；
3.有利于结构的抗震，且结构受震害后，有较好的恢复力特性；
4.在多层和高层建筑中可有效减少结构层高度，增加楼层数；
5.结构的截面刚度高，梁板截面尺寸减少，可减轻自重；
6.在超载情况下进行内力重分布，能提高受弯承载力；
7.预应力筋多跨连续布置，且受力合理，只需要较少的锚具，张拉施工费用也大大减少；
8.结构的综合经济指标好，可降低建筑结构的单位造价等。
大跨预应力混凝土框架结构的技术经济评价
在中国，由于目前预应力混凝土设计技术水平不是很高，故其与普通混凝土结构相比，经济效果不明显。但是，对于大跨预应力混凝土结构的工程造价而言，经济效果还是较为明显的。如，预应力的施工一般不会对绝对工期有太大的影响，且其还可以加快模板与支撑的周转率，节省一部分工期，进而降低工程造价。具体而言，大跨度预应力混凝土框架结构有如下经济优势：
1.可提供较普通钢筋混凝土结构更大的开间和跨度，可在相同的设备等需求条件下，减少建筑面积，进而减少投资，同时可以降低梁高和层高，又可相应减少空调费用等；
2.在材料上多使用了预应力钢材、锚具、垫板、波纹管等，减少了普通钢筋用量及截面面积，相应地减少了梁、柱甚至基础的混凝土用量，进而减少工程造价；
3.一般对工期不会有太大的影响，且还可以加速模板和支撑的周转率和减少一部分支撑费用；
4.可减少维修施工费用，增加使用年限等。
风雨操场大跨度预应力混凝土框架结构优势及经济分析
本项目设计中，预应力梁（短跨方向）截面：750伊1900（4 根）；普通主梁（长跨方向）：400伊1000（2根），普通次梁（长跨方向）：350伊800（6 根）。如用井字梁代替预应力梁，则可实现同样需求功能的前提下，需井字梁：450伊1300；（短跨方向）截面：450伊1300（12 根）；（长跨方向）截面：450伊1300（6 根）。
由此分析可见，在相同的荷载作用下，使用大跨度预应力混凝土框架结构设计，梁根数、长度减少，且板截面尺寸减少，可以节省大量钢筋，与之对应锚具也减少，张拉施工费用也大大减少，故大跨度预应力混凝土框架结构的综合经济指标好，可降低建筑结构的单位造价等。
结语
综上所述，相比于普通梁，大跨度预应力混凝土梁结构性能好，可以节省大量钢筋，不仅可以满足结构的使用功能要求，其综合经济指标也较好。因此，采用大跨度预应力结构技术，对太原市某校区改扩建工程中风雨操场屋面梁进行结构设计，是相对较为经济和合理的。
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知识点： 大跨度预应力混凝土框架结构设计的经济性分析
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