几种大跨度预应力梁综合对比分析

几种大跨度预应力梁综合对比分析

楼卓

（浙江省建筑设计研究院，杭州310006）

【摘 要】随着民用建筑越来越多的大跨度梁出现，预应力技术也被广泛应用于其中。论文对民用建筑中常见的几种大跨度预应力梁结构方案进行了受力分析和综合经济指标对比，为大跨度梁的结构设计提供借鉴。

【关键词】预应力;双预应力;二次预应力;预应力叠合梁;大跨度梁

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2017.04.008

1 引言

伴随我国现代预应力理论的发展，预应力混凝土梁被越来越多地应用于实际工程中。预应力结构具有明显的节约材料、降低梁高、减少自重、增加自身地刚度和抗裂性等优点，从而使得重载大跨结构得以越来越多地实现。

当前，民用建筑工程中由于功能要求，越来越多的大跨度情况出现在体育场馆、影剧院、展览馆、大型会议室、多功能厅、宴会厅、商业建筑的大堂等地方，其混凝土梁跨度往往达到20m以上。常见混凝土梁跨度超过20m时就会考虑采用预应力混凝土结构以获得较好的力学性能和经济性，以下对大跨度中常见的预应力梁进行探讨。

2 大跨度预应力梁形式

现阶段常见的预应力梁形式主要有以下几种：

1）后张法预应力混凝土梁

通常先浇筑混凝土，在混凝土内预先埋波纹管，待达到混凝土设计强度的75%以上后再张拉预应力钢材，形成预应力混凝土构件。

2）预应力叠合梁

在装配整体式混凝土框架结构中，通常将工厂预制的先张法预应力梁做成扁梁或T形截面梁，在预制预应力混凝土梁安装就位后，再现浇预制梁以上部分混凝土，即形成所谓的预应力叠合梁。

3）双预应力梁

在钢筋混凝土梁受压区和受拉区同时存在施加预应力而形成预应力梁结构，用于先张法预应力结构较多，也有少数采用后张法预应力结构。

4）二次预应力梁

二次预应力结构中预应力钢材分成两期进行张拉，一期预应力梁通常在工厂预制成形，在现场后再现浇成二期整体梁，然后施加二期预应力形成所谓的二次预应力梁结构。在桥梁结构中应用较多。

3 几种预应力梁楼盖方案

对于以上几种常见的预应力梁形式，现引入如下典型工程情况进行讨论。某工程多功能厅由功能要求存在30m跨度，另一方向柱距为9m，是典型的单向受力情况，如图1所示。

结构计算时不考虑水平作用(风荷载和地震作用)，仅进行竖向荷载分析计算。楼面附加荷载取恒荷载2.0kN/m2，活荷载取4.0kN/m2。楼板厚度取120mm，梁柱自重由程序自动计算。梁板混凝土强度等级采用C40，柱混凝土强度等级取C40。钢筋采用HRB400级钢筋，预应力筋采用15.24mm强度等级为1860MPa的低松弛预应力钢绞线。计算程序采取PKPM的PREC模块及盈建科软件进行。裂缝控制等级二级。预应力钢筋张拉控制应力取0.75fptk。

图1 结构平面图

现对如下结构方案进行分析。

1）普通钢筋混凝土梁

对于超过20m跨度的梁，实际中已很少采用普通钢筋混凝土梁楼盖方案。本文考虑方案对比性，仍引入普通钢筋混凝土梁。计算中取跨高比1/15，满足承载力极限状态和正常使用极限状态要求，得出梁截面配筋如图2所示。

图2 普通钢筋混凝土梁截面配筋

2)预应力钢筋混凝土梁

后张法预应力筋线型采用C4a线型。计算中取跨高比1/20，根据平衡恒荷载及控制受拉区不开裂原则估算预应力钢筋数量。在估算预应力钢筋后进行承载力极限状态验算和正常使用状态验算，最终得出满足要求的结果。

梁截面计算结果如图3所示。

图3 预应力钢筋混凝土梁截面计算结果

3）双预应力梁

双预应力梁即是预应力混凝土梁在受压区同时配置预应力钢筋，控制施工阶段的反拱以增加梁本身的刚度。考虑到双预应力梁一般采用预制构件现场安装的比较多，故本例双预应力梁与框架柱连接方式采用铰接。计算方法同一般预应力梁。梁截面计算结果如图4所示。

图4 双预应力梁截面计算结果

4)预应力叠合梁

预应力叠合梁属于预制构件的一种，与纯预制预应力梁相比有很多优点。根据研究，倒T形叠合梁较矩形梁受力有所优化，与整体梁的结合也较矩形梁合理。故本文采用倒T形梁进行研究，先期倒T形梁布置普通钢筋和预应力钢筋，后期与整体梁整浇形成整体。

叠合梁分为两阶段设计，第一阶段预制构件按简支计算。第二阶段按整体结构验算施工阶段和使用阶段分别验算承载力和裂缝宽度。具体计算公式详见混凝土规范（GB50010—2010）中附录H。且叠合面的受剪承载力应满足

梁截面计算结果如图5所示。

5）二次预应力梁

图5 预应力叠合梁截面计算结果

二次组合预应力混凝土梁计算步骤已有相关文献阐述。总截面尺寸同普通预应力梁，一期梁的截面尺寸对两梁对比结果影响较小，故按满足施工荷载的要求估算。一期预应力筋可根据施工荷载估算，同时验算一期预应力作用下的一期梁是否满足要求。预应力损失部分可分一二期分别计算然后相加。

一期梁承载力极限状态验算：

二期梁承载力极限状态验算：

二次预应力梁正常使用极限状态验算同普通后张法预应力梁，所不同的是预应力损失和有效预应力应分阶段计算，然后验算抗裂度。

梁截面计算结果如图6所示。

图6 二次预应力梁截面计算结果

4 评价指标

本例楼盖采用几种不同的大跨度预应力梁方案,截面及配筋如表1所示。

需要说明的是，双预应力梁和预应力叠合梁实际采用与框架柱铰接体系更为普遍，受力采用与框架柱铰接计算后，梁截面配筋较后张法预应力梁和二次预应力梁与框架柱固接为大。同时，后张法预应力梁和二次预应力梁与框架柱固接后使框架柱截面配筋较双预应力梁和预应力叠合梁与柱铰接的情况为大。

表1 预应力梁计算结果一览表

方案 梁截面(宽×高)/mm 梁普通钢筋 梁预应 力钢筋柱截面(宽×高) /mm 柱钢筋普通钢筋混凝土梁 600×2 000 14 25+18 25 800×1200 44 25后张法预应力混凝土梁 500×1 500 6 25+8 25 2×6 S 800×1200 40 25双预应力混凝土梁 600×2 000 6 25+10 25 3 S+3×6 S 800×900 18 25预应力叠合梁 600×2 000 6 25+10 25 3×6 S 800×900 18 25二次预应力混凝土梁 500×1 500 6 25+8 25 3 S+2×4 S 800×1200 40 25

得出几种预应力梁的计算结果后，相应的可以计算出预应力梁工程量如表2所示。

表2 预应力梁工程量计算结果一览表

注：括号内数字为框架柱的工程量。

方案 钢筋混凝土量梁(柱)/ m普通钢筋量梁(柱)/kg预应力钢筋量/kg普通钢筋混凝土梁 36(6.72) 3134(1177) 0后张法预应力混凝土梁 22.5(6.72) 1376(1070) 422.4双预应力混凝土梁 36(5.04) 1605(481) 693预应力叠合梁 36(5.04) 1605(481) 594二次预应力混凝土梁 22.5(6.72) 1376(1070) 380.6

需要说明的是，本工程主要比较的是该框架梁柱及其钢筋的工程量。对于施工锚具等产生的次要工程量不做对比。由于实际模板工程量措施费受施工影响较大，这里暂不做对比。

本例对比指标采用单位工程概算。造价计价采用定额计价法，套用《浙江省概算定额》（2010版）。按照各预应力梁对应的工程量计算费用见表3。

按照几个预应力梁方案对比的计算结果，各单位工程概算分别为：普通钢筋混凝土梁48568.5元、后张法预应力混凝土梁37961.7元、双预应力混凝土梁45577.5元、预应力叠合梁43 734.0元、二次预应力混凝土梁37183.4元。

从中可以看出：

1）普通钢筋混凝土梁经济性较差，同时力学性能也较差，在大跨度梁中不建议采用。

2）与框架柱固结情况下较与框架柱铰接情况下经济性较好，受力性能也较好。

3）相同支座条件下，实际计算结果几种预应力梁差别并不是非常大。

4）二次预应力混凝土梁经济性能最好。从计算结果看与后张法预应力混凝土梁差别并不是很大，可能对于具体实例计算结果略有差异。从应用结果看，后张法预应力混凝土梁更适合现浇整体式框架，二次预应力混凝土梁更适合装配整体式框架。

表3 预应力梁单位工程概算计算表单位：元

注：括号内数字为框架柱的概算费用。

方案 普通钢筋混凝土梁梁(柱)后张法预应力混凝土梁 梁(柱)双预应力混凝土梁 梁(柱)预应力叠合梁梁(柱)二次预应力混凝土梁 梁(柱)材料费 11183.3(2066.6) 12291.7(4616.3) 6989.6(2066.6) 5396.8(4196.6) 3906.4人工费 789.5(263.2) 691.3(259.6) 6989.6(2066.6) 5396.8(4196.6) 4335.4 8713.6(1550) 6294.9(1886.5) 7112.8 8713.6(1550) 6294.9(1886.5) 6096.6 9.8(2.9) 105.7(82.2) 366.2分部分项工程费493.4(263.2) 303.5(236) 471.3机械费 15.7(2.9) 240.7(90.4) 493.4(263.2) 303.5(236) 523.1 1671.8(197.4) 422.3(106.1) 858.2 1671.8(197.4) 422.3(106.1) 735.6 9.8(2.9) 105.7(82.2) 406.4 870.8(2.2) 118.8(37) 666.7 870.8(2.2) 118.8(37) 571.5 32511.2 25411.2 30509.1 29275.1 24890.2综合费用 14409.0 11262.2 13521.6 12974.7 11031.3税金 1648.3 1288.3 1546.8 1484.2 1261.9单位工程概算48568.5 37961.7 45577.5 43734.0 37183.4

5）由于未详细考虑施工因素的影响，实际中各方案造价略有不同。

5 结语

预应力结构在大跨度结构的应用已经越来越广泛。面临重载大跨度框架，如何有效地选取合适的预应力梁形式，已有文献对此做了研究。本文在实际工程实例中，对几种预应力混凝土梁结构方案做了受力分析后进行了经济性对比。通过计算结果，初步得出了几种预应力梁的费用差异，并进一步说明其合理的使用情况。希望通过分析对比和总结，为广大设计人员在面对大跨度预应力梁受力合理和经济性选择方面，提供初步借鉴。

【参考文献】

【1】林同炎，NedH.Burns.预应力混凝土结构设计[M].路湛沁，译.北京：中国铁道出版社，1983.

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【3】GB 50010—2010混凝土结构设计规范[S].

【4】DB 33/1067—2010[S].

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【6】周亚栋.二次预应力组合梁受力性能与设计方法研究[D].长沙：湖南大学，2013.

【7】吴方伯.预应力预制叠合梁受弯性能试验研究[J].建筑结构学报，2011（5）：107-115.

【8】刘海波.二次预应力超薄梁组合结构的应用研究[D].长沙：湖南大学，2003.

Comprehensive Comparison and Analysis of Several Long SpanPrestressed Concrete Beams

LOUZhuo
（ZhejiangProvince InstituteofArchitectural DesignandResearch,Hangzhou 310006,China)

【Abstract】Theprestressed technology iswidelyused in theconstructionofmoreandmore largespanbeam.In thispaper,thestress analysisand comprehensiveeconom ic indicatorsof severalprestressed concrete beam structure in civilbuilding areanalyzed and compared.Itprovidesareferenceforthestructuraldesignoflargespanbeam in the future.

【Keywords】prestressed；doubleprestressed；twiceprestressed；prestressed compositebeam；largespanbeam

【中图分类号】TU378.2

【文献标志码】A

【文章编号】1007-9467（2017）04-0038-04

【收稿日期】2016-09-22

【作者简介】楼卓（1979~），男，浙江杭州人，高级工程师，从事建筑结构设计与研究。