无粘结预应力混凝土楼板设计研究

【摘要】随着我国城市建设的不断发展，土地资源日益紧张，建筑工程最大限度的提高空间的利用率，成为建筑工程设计应该重点考虑的问题。而无粘结预应力混凝土结构的应用，很大程度上提高了建筑物的使用功能以及增大建筑结构的有效面积。文章介绍了无粘结预应力混凝土楼板的设计计算原理，设计步骤、设计参数的选取等，以供广大建筑设计人员参考。

关键词：无粘结预应力 混凝土楼板 设计研究

随着我国城建设的迅猛发展，土地资源日益紧张，如何最大限度的提高空间的利用率已成为建筑工程设计人员必须重点考虑的问题。无粘结预应力混凝土结构在建筑结构中的应用，不但增大了建筑结构的有效面积，还很大程度上加强了建筑物的使用功能。无粘结预应力楼板跨度大、挠度小、无裂缝，可以有效的降低层高，减轻结构自重、节约混凝土及钢筋，施工简单方便、速度快，能产生较好的经济效益。因此，无粘结预应力混凝土楼板也备受建筑设计人员的青睐。

1 设计计算基本原理

当前，国内外普遍采用荷载平衡法来进行无粘结预应力楼板的设计，该法计算简便、结果精准，理论清楚，对结构挠度控制相当有利。荷载平衡法的基本原理是将作用于结构上的部分荷载通过施加预应力产生的等效荷载来进行平衡，确保受弯构件在使用阶段是产生下挠，以维持结构的正常使用状态。由于大多数结构使用过程中规范规定的全部荷载通常很少发生，因而等效荷载只需要平衡一部分活荷载。若预应力产生的荷载效应过大而将全部静荷载及活载，那么结构在预应力的作用下会产生一个永远向上的反拱度，随着时间的推移，反拱度会继续增长。因此，无粘结预应力楼板设计时最好是控制预应力等效荷载,最好是只用来平衡静载与一半以下的活荷载。

为保证楼板处于均匀受压状态，就应该选择一个适当的预应力值及预应力作用曲线，让其产生的等效荷载刚好能平衡外荷载。等效荷载一般由等效节点荷载及线性等效荷载两部分组成，节点荷载是通过锚具在结构端部产生的荷载，线性等效荷载是指预应力筋的线性产生改变而产生的集中、分布荷载。等效荷载的设计计算公式可以搀着现行的设计规范，这里便不再阐述。在设计计算时应该注意以下两点：①在超静定结构正截面弯曲承载力及裂缝验算计算时，应该考虑由次反力产生的次弯矩的影响。②在对截面进行受弯承载力计算时,当参与组合的次弯矩对结构不利时,预应力分项系数取1.2;有利时取1.0。

2 设计步骤

通常可以按照以下步骤进行无粘结预应力楼板设计。①确定楼板的厚度以及拟采用的混凝土强度等级。②确定每一个阶段混凝土拉应力允许值。③计算确定需要由等效荷载来平衡的外荷载。④根据需要平衡的荷载大小以及线性布置来布设预应力，确定预应力筋的数量。⑤通过计算确定在使用荷载与等效荷载共同作用下楼板的应力设计值。⑥再进行结构抗裂验算，拉应力设计必须要不得超过混凝土抗强度允许值，若超过，应该增加钢筋数量，并再重新进行验算。⑦在进行弯曲承载力计算时弯矩设计值应该要小于或等于弯矩承载力设计值,若不能满足，就应该增加预应力筋进行补强。⑧按部分预应力概念进行楼板截面设计,采用预应力筋和非预应力筋混合配筋,以利于提高结构的延性和抗震性能。

3 参数的选择

3.1 跨高比

无粘结预应力楼板的挠度很小，因此在设计时可以将楼板的跨高比取大一点，使得结构更为美观、轻巧、经济、适用。根据以往的工程实践经验，无粘结预应力楼板的跨高比可以按照以下条件进行选择。单向连续板可以取40～50、单向简支板可以取35～40，支柱双向板可以取40～45,周边支撑连续双向板可以取40～50,周边支撑简支双向板可以取40～55,双向密肋板可以取30～35。

3.2 荷载标准值

恒荷楼板自重、隔墙等效的均布荷载及楼面装修荷载；活荷载按照国标GB50009的要求，高层建筑应取2kN/m2。

3.3 材料力学指标

主要采用的材料有混凝土与预应力钢绞线，预应力混凝土结构的混凝土强度等级不得低于C40，预应力筋通常采用低松弛高强钢绞线，其力学性能指标必须符合《预应力混凝土用钢绞线》GB/T5224的要求。

3.4 张拉控制应力

根据规范要求，若采用钢绞线作为预应力筋时，其张拉控制应力σcon应该不大于0.750.7fptk；采用热处理钢筋时其σcon应不大于0.65fptk。

3.5 预应力损失

各项预应力损失按“无粘结预应力混凝土结构技术规程”要求计算,无粘结预应力筋损失不应小于80N/mm2。由于预应力损失值的计算十分繁琐,同时也难以做到精确,为简化起见,参照国内外的工程实践经验,总预应力损失也可以采用近似计算公式计算：σξ=0.15σcon。

4 引起附加应力问题探讨

①竖向构件产生不均匀变形对无粘结预应力楼板的内力会造成影响。建筑结构中的竖向构件在荷载的作用下会产生不均匀的变形，从而对楼板的内力分布有着较大程度的影响，这种影响是随着建筑物高的增加而增大，随着建筑层数的增多而增大，因此，对于一般建筑结构来讲，可以将其控制在允许范围以内，设计时可以忽略其影响。但是对于框筒结构，由于内筒与外框架柱的轴压相差较大，其竖向构件的变形差异也比较大；此外高层、超高层建筑由于层数多、高度大楼板内力受竖向构件轴向变形差异也比较大，因此在无粘结预应力楼板设计计算时也必须考虑由结构竖向构件的变形差异对楼板内力的影响。

②水平荷载对楼板内力产生的影响。水平荷载往往对建筑结构的安全性起着决定性作用。在水平荷载的作用下，楼板将产生正负交变弯矩。在无粘结预应力楼板设计时，应该要注意考虑水平荷载的影响。一般是通过对楼板施加预应力才能提高其竖向承载力，因此，当采用无粘结预应力楼板时，必须保证结构具有较大的抗侧刚度以抵抗水平力的作用，确保楼板内的预应力筋主要用于承受竖向荷载。

③建筑结构边缘结构的约束对楼板内力的影响。建筑结构墙柱刚度大，在施加楼板预应力时其中一部分力将会传递给墙柱，因此，在无粘结预应力楼板设计时不应该忽略建筑结构边缘构件的约束对楼板内力产生的影响。

④预应力楼板对边梁产生的扭转作用。对于小开间楼板，它对边梁的扭转作用不大，几乎可以忽略不计。但对于跨度大的楼板来讲，它对边梁的扭转作用是比较明显的。为此在预应力楼板设计时应同时考虑边梁的设计问题，边梁设计时应按弯剪扭复合受力构件计算。

5 预应力楼板应用中应注意的问题

预应力技术是一项技术难度大的综合性技术，在预应力混凝土结构设计时必须兼顾设计、施工等各个方面，同时要注意吸纳最新的科研成果，让设计成果更为优质。另外，设计时还必须考虑到原材料的选择，施工方案的确定等，确保设计成果的可执行性、合理性。

伸缩缝问题，现代建筑平面面积越来越大，如何设置伸缩缝的问题已经日益突出，理论上。预应力连续布置的楼板是可以不设置伸缩缝的，但是，我们应该要考虑到大吨位的预应力张拉会造成预应力损失过大等一系列问题。因此，综合考虑长度在150m内的预应力混凝土楼板不设缝还是可行的。这就要求我们在设计、施工时必须采取适当的措施防止混凝土开裂，具体可采取以下措施：优化混凝土配合比；适量掺入混凝土膨胀剂；合理设置后浇带、膨胀带及伸缩缝；配置适量温度筋,加强混凝土养护,尤其需要蓄水养护。

6 结束语

无粘结预应力混凝土结构在建筑结构中的应用，不但增大了建筑结构的有效面积，还很大程度上加强了建筑物的使用功能。无粘结预应力楼板跨度大、挠度小、无裂缝，可以有效的降低层高，减轻结构自重、节约混凝土及钢筋，施工简单方便、速度快，能产生较好的经济效益。随着建筑业的发展，无粘结预应力混凝土楼板在建筑工程中的应用将越来越广泛。