大跨度预应力结构设计应该如何做？

一个合理的预应力结构设计还是比较考验设计者能力水平的，不仅关乎结构概念、新技术应用，也体现了设计师结合现场实际的水平。现在较多设计师盲目于过去别人的经验、盲从于设计软件的菜单式操作，不能辨别过程与结果的对错，致使成果或结论多为人诟病。现在AI设计开启新纪元之后，传统设计模式可能会被高效的智能化所碾压，但设计背后的思考过程才是至关重要的，以前的菜单式换成今后的卡片式，设计师可能遗忘结构概念的本质会变得更”变本加厉“。当然优秀的工程师也会因为这一工具的提升变得更为优秀，这也是技术发展、科技进步的终极导向吧。

用心的人在这个过程中会有更多的思考，更多的体会；不走心的，可能就只是把他当作完成任务的工具了吧！在一次次项目历练中，有的人只是习得并熟练了”器“，而有的人却是跳出来思考重复劳动背后的异同点，提炼出适用的”术“。强者恒强，弱者恒弱，两极分化会更加明显，不合适的只会被迫切换赛道。

你的不加思考、心不在焉换来的多半是推倒重来或是一无所获，最终在交作业的过程中也不一定能获得尊重，也就是说你所付出的努力，不一定都是有效的。可能不被认可的你还会怨天尤人，自觉不公，但是如果你能够正视此时的自己，就会发现被动式的思考与执行能有多少的闪光点？有多少能被人所肯定的地方。

以后每个项目实操中，特别是那些不熟悉的或是不擅长的情景中，定当要独立思考，辩证的去剖析问题。一是去琢磨我能为项目带来什么资源，比如非常规项目的外部专家资源，那就需要自己不能闷头干活，多走出去；二是我在项目中能充当的角色，是否仅仅能在自己所在岗位上混，要向其他方面渗透，多关注成本管控，多了解现场施工工艺及重难点，多了解其他专业的需求尤其是建筑方面的做法等；三是如何为项目降本增效，在前面几点的基础上，重点应落在拿手中的资源和能力去实现一个个难点突破，融会贯通！

预应力筋布置

在框架结构设计中，预应力筋位置的合理选择十分重要。一般应使预应力筋的外形位置与最不利的内力组合弯矩图基本一致。在边支座附近，一般由于负弯矩不大，且为了减小摩擦损失，故未设曲线段。在选择弯折点位置时，应注意弯折角不宜太大。

预应力筋线形设计的原则应使预应力产生的综合弯矩与外荷载产生的准永久组合、标准组合弯矩相吻合。一般来讲，若梁上只作用有均布荷载，且为两端与柱刚性连接，则可将线形设计为四段抛物线，端跨有时也可选三段抛物线；若梁的跨度较大，则可选择直线形与抛物线形的复合线形。若两端为铰接，则可选两段抛物线形。若梁跨范围内作用有较大的集中荷载，则宜选择折线形，折点一般取在集中荷载作用点处。

预应力筋线形应根据荷载分布、构造要求、防火保护、耐久性及张拉和锚固工艺等要求综合确定。在设计时应根据结构的特点选择合适的线形，若梁上作用的荷载情况较复杂，则可进行多种线形的组合，如抛物线形加直线形，抛物线形加折线形等。

预应力梁截面估算

柱距为8m左右，就确定梁高为跨度的1/16；柱距小则可以适当减小到1/18；
楼面活荷载大于5KN/m ² ，则适当加大梁高至1/15；
若层高有限制，只好加大梁宽度（但是显然会不经济）。
几个项目的截面取值案例

预应力度的选择

根据结构功能的要求和所处的环境条件，按经验选取预应力度= M0/Msk=0.6~0.7，M0为消压弯矩，即是构件控制截面受拉边缘拉应力抵消到零时的弯矩；Msk为使用荷载(不包括预应力)短期组合下控制截面的弯矩。

按所选定的 M0值计算有关截面需要的预应力和相应预应力筋面积。考虑预应力损失值，把相应预应力筋面积乘 1.2~1.4 的系数选定预应力筋。由破坏阶段强度条件，计算确定所需的非预应力筋。

其他

两向预应力时，短向采用一端张拉，一端锚固；长向建议采用两端张拉，两端张拉时一端先张拉到设计值另一端再补张拉。
张拉顺序为先张拉长向预应力钢绞线，再张拉短向预应力钢绞线，均由两边向中间对称张拉。
混凝土强度达到设计强度方可张拉，张拉前不得拆除预应力梁、预应力板底部支撑。
在进行超长缓粘结预应力筋的张拉时，应适当增加张拉持荷时间或二次张拉，保证张拉力传递，以抵消由于施工带来的摩擦损失增加。
由于缓粘结预应力钢绞线与无粘结预应力钢绞线都是单根布置、单根锚固的，与有粘结钢绞线相比，张拉端布置起来更加灵活，尤其对张拉端在框架梁端且非预应力钢筋布置比较密集的情况，有效解决了有粘结的波纹管布置及钢绞线群锚相对困难的问题。
大直径预应力钢绞线的应用，1d21.8=1.64d17.8=2.24d15.2，同等配筋面积，穿筋数量少一半，节点施工完全不受影响!
一般的，预应力混凝土梁的经济梁高和预应力混凝板的经济板大致是钢筋混凝士梁板的70%至80%。

单跨预应力的问题

林同炎预应力

边柱的挑战

在顶层大跨结构中，另一个核心的问题是顶层边柱的设计。因为梁跨度的增加，导致梁及与之相邻的边柱分配的弯矩变大。在其他层中，柱的弯矩因为上下两层可以分配，因此其绝对值会相对小一半，而轴力也显而易见较大。因此其他层的柱设计一般都按照常规方法进行。

顶层边柱属于典型的大偏心受压构件，根据N-M相关曲线，在大偏压状态下，弯矩越大，轴力越小，柱的配筋越大。反之，弯矩越小，轴力越大，则配筋越小。

因预应力混凝土框架梁跨度大，梁柱刚接，柱端弯矩大，导致顶层边柱的偏心弯矩很大，柱中需配置很多纵筋，造成钢材浪费，再加上预应力筋的穿筋将给施工带来较大麻烦。因而，也有人认为将顶层梁柱做铰接的处理方法是合适的，但计算模式的铰接与实际工程较难吻合。且顶层采用铰接的框架，抗震性能较差，对梁截面配筋也不利，而对于顶层大跨度框架本身来说抗震等级又需要提高。因此，通过综合分析比较，顶层梁柱建议仍采用刚接。

很明显，影响顶层边柱内力和截面配筋的主要因素是预应力引起的次弯矩以及梁柱线刚度之比。因此，在设计时采取了以下两个措施：

合理地选择顶层预应力混凝土梁布筋形式，使预应力次弯矩对顶层边产生较有利的影响。即将中间支座处的预应力筋尽量上移，跨中截面处的预应力筋尽量下移。并且在框架边梁端部的预应力筋满足抵抗负弯矩的前提下，使偏心弯矩尽可能小（预应力筋下移，或将一部分预应力筋移至梁底)。
在满足框架抗侧刚度及构造要求的情况下，考虑顶层边跨梁柱线刚度比顶层边柱及大梁配筋影响等综合经济效果，顶层边柱截面宽度和高度取较小值。

预应力筋的估算法（荷载平衡法）

方法一

《无粘结预应力凝结构技术规程》JGJ92-2004 第 5.1.2条指出:“对于一般民用建筑，平衡荷载值可取恒载标准值或恒载标准值加不超过 50%的活荷载标准值。”

根据结构的裂缝控制等级合理选取平衡荷载,通常的选取原则是：对于裂缝控制等级一级、二级的结构,当准永久荷载系数(可变荷载中在结构使用期内变动不大的那部分荷载)较大时，一般可选取永久荷载(即恒载)和准永久荷载的一部分(30%~70%)作为平衡荷载:可变荷载比例较大时可取较大值,可变荷载比例较小时,可取较小值,以满足荷载效应的准永久组合下截面受拉边缘混凝士的裂缝控制等级要求;对于裂缝控制等级三级的结构,预应力筋的配置可由截面承载力计算确定，当预应力筋采用高强预应力钢绞线时,其 As：Ap=1:(1~3)。

方法二

按预应力钢筋承担70%外荷载弯矩估算梁中最大弯矩值，比如M=4500KN.m

按支座包络配筋换算。即A _P =11111x0.7x360/1320=2121mm ²

n =2121/140=15.2；实配2x8Φ ^S 15.2；所以预应力筋采用2x8Φ ^S 15.2。

通过以上两种估算法可以得出采用平衡荷载法选择1/3（恒载+活载）时与预应力裂缝控制等级三级时相当。

问题

Q1 预应力梁端配筋取值问题

从预应力强度比λ公式中可以看出，λ的计算与普通钢筋面积有关系。程序在计算出预应力梁端普通钢筋面积后，会对预应力强度比λ按设置好的限值进行验算。当不满足规定的限值时，就会按λ限值反算出一个钢筋面积，此钢筋面积通常比较大。

预应力梁端所受弯矩很小，却对应较大的钢筋面积，这通常是由预应力强度比λ造成的。

Q2 施工阶段应力超限

施工阶段应力超限通常是由预应力筋产生的应力σpc过大导致的，说明预应力筋线形不合适或者数量过多。因此，可以通过调整预应力筋的线形或者数量来解决应力超限问题。若应力结果超出限值的幅度比较大，则可以先减少预应力筋的数量，再调整线形减小偏心距使其满足限值要求。

Q3 使用阶段应力超限

依据《混凝土结构设计规范》GB50010-2010第7.1.1条，一、二级裂缝控制时，预应力梁在荷载标准组合下，混凝土拉应力需满足相应限值要求。

梁端截面底部或梁跨中截面顶部

现象原因 ：通常是由预应力筋产生的拉应力较大导致的，说明预应力筋线形不合适或者数量过多。

调整方法 ：与施工阶段应力超限调整方法一致，可以调整预应力筋的线形或减少预应力筋的数量。

梁端截面顶部或梁跨中截面底部。

现象原因 ：通常是由预应力筋产生的压应力较小导致的，说明预应力筋线形不合适或者数量过少。

调整方法 ：调整预应力筋的线形或增加预应力筋的数量。

Q4 裂缝控制的问题

规范的出发点是对采用预应力钢丝、钢绞线及热处理钢筋的预应力混凝土构件，考虑到钢丝直径较小和热处理钢筋对锈蚀比较敏感，一旦出现裂缝，会严重影响结构耐久性，故规定在室内正常环境下采用二级裂缝控制，在露天环境下采用一级裂缝控制。但是在实际工程中用的最多的是后张法有粘结或无粘结预应力体系，一般情况下预应力筋是摆在普通钢筋里面，其保护层较厚，混凝土即使开裂对于无粘结预应力筋来说它的外面有油脂和塑料套管的保护，对于有粘结预应力筋来说，它的外面有砂浆和波纹管的保护。而且预应力筋在卸去荷载后其裂缝会自动闭合。因此，在实际工作中可根据具体情况作出适当调整。