预应力混凝土框架结构结构顶层边柱设计研究

【摘要】随着社会的发展，我国城市化建设进程不断加快，混凝土结构建筑的应用也越来越多，在混凝土结构的设计当中，随着人们的要求越来越高，对预应力混凝土框架结构的质量要求也越来越高。文章从预应力混凝土框架结构的顶层边柱设计出发，对目前沪宁图结构顶层大空间结构的设计要点进行分析，探究全铰接高层钢结构的设计，提高建筑物的抗震性能和工程质量。

【关键词】预应力混凝土；框架结构；顶层边边柱

Abstract：With the social development, China's urbanization process is accelerating, concrete construction applications are more and more of them in the design of concrete structures, as people have become increasingly demanding of prestressed concrete frame structural quality requirements are also increasing. Articles from the top of prestressed concrete frame structure design side columns starting on the top of the current graph structure Huning large space structure design elements were analyzed to explore the design of high-rise steel fully articulated to improve the seismic performance of buildings and engineering quality.

Key words：prestressed concrete; frame structure; top Collage column

中图分类号：TU973+.3 文章标识码：A

0.引言

随着混凝土建筑工程的不断发展，混凝土框架结构也随之不断发展，在由于混凝土框架结构的跨度普遍都比较大，因此，在框架结构顶层的边柱设计当中，要控制好结构的设计方式。一方面，混凝土框架结构的结构顶层边柱的轴力相对比较小，结构的弯矩大十分鲜明，要加强框架结构顶层边柱的牢固性，可以在混凝土结构的设计当中，相应的添加预应力。另一方面，为了防止顶层边柱在纵向的荷载作用下产生较大的偏心弯矩，这一问题成为混凝土结构设计中的难点。文章针对这一难点进行详细的分析。

1.混凝土框架结构的设计

1.1混凝土框架结构的设计要点

在建筑工程当中，混凝土施工质量直接关系着建筑物的质量，因此，在进行混凝土的框架结构的设计当中，要注意以下几个方面的设计要点：一是要注意框架结构的抗震防震等级，和人防等级，这一点是混凝土框架结构的设计当中最为重要的部分，也直接决定了建筑物的防震抗震能力；二是工程地基的情况和地基的承载力；三是建筑物和混凝土结构的防潮能力和抗渗性能；四是活荷载量和混凝土材料的等级。

在混凝土框架结构的设计当中，主要的框架结构包括雨篷、阳台和挑檐的布置、楼梯的布置、过梁和轻隔墙的设计、混凝土现浇板的钢筋配置、预制板的设计等[1]。

1.2混凝土框架结构的设计步骤

在设计混凝土的框架结构时，主要的设计步骤如下所示：首先是设计好整个混凝土的框架结构，这一步包括绘制混凝土结构的平面图、立体图和剖面图；框架结构的主次梁、板、顶层边柱等构件的截面尺寸；按照相关标准设计梁和柱的构件位置；计算设定各层的固定荷载量和活动荷载量。其次是根据具体的固定荷载量和活动荷载量信息对顶层楼面、边柱的梁间和节点等的荷载量。只有按照设计步骤进行设计，方能减少混凝土框架结构中施工中的问题。

2.混凝土框架结构的现行规范

在混凝土的设计当中，要施加预应力，首要的一点在于要保证预应力混凝土框架结构的抗震性能中的延性要求，通过混凝土横截面受压区的高度以及纵向受拉钢筋率对预应力混凝土结构进行控制。这就要求在进行预应力混凝土框架结构的顶层边柱设计必须符合我国《混凝土结构设计的规范》进行设计。其中《建筑物的抗震设计规范》中规定：一级抗震等级的混凝土横截面受压区的高度要控制在0.25以内，而二、三级的抗震等级在受压区的高度要控制在0.35以内[2]。

目前，在《预应力混凝土结构抗震设计的规范》中，对预应力筋的构件如钢绞线等，在一类环境的情况下，其混凝土的抗裂等级有所下降，混凝土裂缝的宽度也不超过0.2毫米[3]。据有关研究表明，我国预应力混凝土结构的设计在混凝土梁的抗裂度方面的限制相对比较严格，可抗裂度的控制又对顶层边柱的弯矩承载力具有一定的影响，这就使得混凝土框架结构中顶层边柱、梁等的抗震性能的延性规定与柱和梁的抗裂度有冲突。

3.混凝土框架结构顶层边柱的设计方法

到目前为止，在预应力混凝土框架结构的顶层边柱的设计当中，国外诸多发达国家普遍采用全铰接梁和在柱节点上添加垂直支撑于水平支撑共同受力的方法，从而保证框架结构的稳定和混泥土框架的质量，加快混凝土施工的进度。但是这种采用全铰接钢结构的设计在我国还比较少见。我国目前在框架结构顶层边柱的设计中，比较常用的是加大混凝土结构的受力截面或者是增加配筋量，这种结构设计方式只适用于框架结构的跨度相对较小的结构当中。同时，添加配筋造成了大量的材料浪费，也增加了施工难度。顶层边柱压弯构件的轴力与弯矩想承载力之间的关系如图1所示。

图1顶层边柱压弯构件的轴力与弯矩的承载力之间的关系

3.1施加预应力

在混凝土框架结构的顶层边柱结构设计当中，大梁的预应力明显多于柱子的预应力。在顶层边柱的结构设计当中，在柱子上适当添加一定的预应力，能够把预应力筋的强度充分的发挥出来，这样就能够减少施工过程中的配筋率，一方面能够有效的节约材料，避免材料的浪费，另一方面，也有效的降低了顶层边柱的施工难度，尤其是在跨度较大的框架结构中，既经济又省时，具有不可替代的优越性。之所以说在柱子上施加适量的预应力能够降低施工难度、节省材料，主要是因为在大偏压的受力情况下，增加柱子的预应力能够增加柱子中的轴力，轴力的增加能够有效的提高柱子的抗弯承载力，柱子的轴力与柱子弯矩承载力之间的关系如图1所示。在边柱的设计当中，根据柱子弯矩的形状布置预应力筋，把预应力筋的受拉能力有效的利用起来，就能减少配筋的数量，节省钢材。

3.2降低预应力的次弯矩

在预应力混凝土框架结构的顶层边柱中，预应力对边柱结构的等效荷载作用主要包括两个部分，一是在锚具作用下，预应力在构件端部的轴压力和集中弯矩上，二是由于预应力筋的曲率变化在构件的中间产生了分段的反向和垂直线的荷载。在预应力对边柱结构的等效荷载作用中，由预应力线的荷载所引起的弯矩导致边柱的柱顶内侧受拉力影响，外侧受压力影响，这个弯矩对框架结构具有有利的一面。这就要求，在框架结构的设计当中，在满足预应力筋能够抵抗框架支座负弯矩的情况下，边跨梁端的预应力要尽可能的往下移，在下移的过程中，还要考虑到预应力筋的矢高对边柱的次弯矩造成的影响。在混凝土结构的实际施工作业过程中，下调边柱端部的预应力筋，对锚垫板的布置以及合理扩大边柱截面局部的荷载面积起着积极的作用。

3.3铰接设计

从国外先进的铰接设计技术和丰富的铰接经验来看，采用铰接设计的方式，不仅能够降低混凝土结构的施工难度，缩短施工工期，同时也能够节省钢筋材料，更重要的是，采用铰接设计的方式，能够很好的避免预应力筋的影响。采用铰接设计的方式，在我国应用的范围不大，其主要原因有两点，一是铰接设计的结构复杂，对于框架顶层来说，顶层是一个整体，顶层的边柱无法和桥梁的边柱一样，通过支座解决偏心的问题，在顶层边柱的设计当中，要采用铰接设计的方式，就会增加梁柱之间混凝土的裂缝。二是铰接设计对整个预应力混凝土框架结构都具有一定的影响，降低了混凝土建筑的抗震性能。

在预应力混凝土框架结构的顶层边柱设计中，要遵循顶层边柱的设计原则，一方面要保证边柱在铰接设计中不出铰[4]。另一方面，为了降低因边柱弯矩过大造成的配筋的困难度，可以采用减少边柱的尺寸和加强边柱两种方法。

4.结语

从上述分析中可以看出，要解决大跨度的预应力混凝土框架结构的设计，节省钢筋材料，加快混凝土的施工进度、降低混凝土的施工难度，就要提高铰接设计的技术。一方面，引进国外先进的铰接设计技术，另一方面，在采用铰接设计方式进行设计的过程中，要加强混凝土建筑的抗震性能，学习国外先进的铰接设计经验，才能推动铰接设计的广泛应用。

【参考文献】

[1] 于秋波；刘立新；谢丽丽；胡丹丹；冯辉.HRB500级钢筋用于先张预应力梁的非预应力筋的试验研究[J].四川建筑科学研究.2009.01.7-9

[2] 封洁纯；徐勇；钟云健.预应力混凝土T梁防纵裂的保护层厚度计算[J].重庆交通大学学报(自然科学版).2009.04.9-10

[3] 上官兴；郭圣栋；林继乔；张敏；戴玉明.预应力混凝土连续梁桥“恒载零挠度设计”新理念[A].全国既有桥梁加固、改造与评价学术会议论文集[C].2008.08.7-8

[4] 王维.地铁车站混凝土结构开裂有限元分析[D].上海交通大学.2008.15.14-16