代金振，秦士洪，盧驥，高峰

（1 重慶大學(xué)山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400045； 2 重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400045；3 重慶建工第十一建筑工程有限責(zé)任公司，重慶 400039）

0 引言

預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)常用于大跨度混凝土結(jié)構(gòu)中，但由于現(xiàn)澆梁柱節(jié)點(diǎn)剛度較大，在預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中梁上柱傳來(lái)的上部荷載以及預(yù)應(yīng)力作用會(huì)在轉(zhuǎn)換柱柱端產(chǎn)生巨大的彎矩，這必將導(dǎo)致過(guò)大的轉(zhuǎn)換柱截面尺寸及過(guò)多的配筋，給施工帶來(lái)困難。 為解決這一問(wèn)題，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工時(shí)采用變換轉(zhuǎn)換梁、柱連接方式的方法，來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)內(nèi)的彎矩分布，即在施工階段先將轉(zhuǎn)換梁、柱“鉸接”，釋放轉(zhuǎn)換柱端部的力矩，讓部分轉(zhuǎn)換層上部結(jié)構(gòu)自重及施工荷載僅在轉(zhuǎn)換梁跨中產(chǎn)生彎矩， 然后再將轉(zhuǎn)換梁與轉(zhuǎn)換柱“剛接”，使其余上層結(jié)構(gòu)自重和使用活載由剛接狀態(tài)下的轉(zhuǎn)換梁承受，從而達(dá)到減小轉(zhuǎn)換柱端部力矩的目的。 本文通過(guò)工程實(shí)例，介紹一種通過(guò)在柱端設(shè)置鋼管柱鉸來(lái)調(diào)節(jié)梁柱連接方式的設(shè)計(jì)方法，可供同類工程參考。

1 工程概況

該工程是某區(qū)際圖書(shū)館的新建工程， 結(jié)構(gòu)體系為框架結(jié)構(gòu)，一共九層，地上六層，地下三層。 由于功能要求，在地下室設(shè)置了一個(gè)能容納800 人、跨度為22.4m、豎向跨越三層的大型報(bào)告廳，另在±0.000 層布置了向上跨越兩層至+7.2m 標(biāo)高的入口門(mén)廳，而門(mén)廳上部各層為小跨度的閱覽室等房間，這使得上部各層的框架柱無(wú)法落地， 故需分別在±0.000 標(biāo)高，+7.200 標(biāo)高設(shè)置結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層。 經(jīng)過(guò)方案比較，最后采用四根跨度為22.4m 的后張預(yù)應(yīng)力混凝土轉(zhuǎn)換梁，分兩批次將轉(zhuǎn)換層上層框架柱下傳的荷載轉(zhuǎn)傳給轉(zhuǎn)換梁兩端的柱子。 ±0.000 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)平面布置見(jiàn)圖1， 本文以±0.000 標(biāo)高轉(zhuǎn)換梁YZL-1 為例，介紹其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖1 ±0.0 結(jié)構(gòu)平面布置圖

2 轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)方案

采用變換轉(zhuǎn)換梁、柱連接方式的方法進(jìn)行轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工。 同時(shí)，為充分發(fā)揮預(yù)應(yīng)力鋼絞線的作用、減小施工困難，經(jīng)分析對(duì)比，確定在+7.200 層混凝土澆筑完成并達(dá)到預(yù)定強(qiáng)度后進(jìn)行預(yù)應(yīng)力筋的張拉作業(yè)，待整體結(jié)構(gòu)施工至+14.400m 時(shí)，再在轉(zhuǎn)換梁、柱節(jié)點(diǎn)區(qū)形成剛接。 相應(yīng)地，預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換梁也應(yīng)按鉸接和剛接兩階段進(jìn)行計(jì)算。

鉸接階段考慮轉(zhuǎn)換梁承受的荷載有±0.000～+14.400m 標(biāo)高的結(jié)構(gòu)自重和施工荷載，即“鉸接”狀態(tài)保持至+14.400m 標(biāo)高層混凝土澆筑完成。

由于預(yù)應(yīng)力筋需連續(xù)并通過(guò)梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)，因此“鉸”不便設(shè)置于轉(zhuǎn)換梁內(nèi)，只能考慮設(shè)置于轉(zhuǎn)換柱內(nèi)，故實(shí)為“柱鉸”。 此鉸的特點(diǎn)是僅需在施工階段起“鉸”的作用。 秦士洪等[1]介紹了一種“柱鉸”的做法，該做法在施工上較為復(fù)雜。 經(jīng)比較，本設(shè)計(jì)采用了“鋼管柱鉸”。 成鉸原理是削弱轉(zhuǎn)換柱局部的抗側(cè)剛度，即在柱鉸范圍內(nèi)代以抗側(cè)剛度較小的鋼管混凝土柱。 由于轉(zhuǎn)換柱對(duì)轉(zhuǎn)換梁的約束大大減小，故可將其近似視為“鉸接”?！颁摴苤q”的構(gòu)造如圖2所示。

圖2 鋼管柱鉸構(gòu)造

因鋼管柱需一定的嵌固深度，若將其嵌入轉(zhuǎn)換梁內(nèi)，則勢(shì)必阻擋預(yù)應(yīng)力筋和縱筋的布置，故將“鋼管柱鉸”位置由轉(zhuǎn)換梁底下移900mm。 “鋼管柱”外側(cè)原框架柱縱筋仍然保持連續(xù)，待轉(zhuǎn)換梁張拉完畢，且+14.400 層混凝土澆筑后，即可澆筑“鋼管柱”外側(cè)的混凝土，恢復(fù)原轉(zhuǎn)換柱的剛度，最后形成“剛接”。 為加強(qiáng)柱鉸后澆區(qū)域，在鋼管混凝土柱外圍設(shè)置了封閉螺旋箍筋和方箍。

轉(zhuǎn)換梁與柱形成剛接后，受力進(jìn)入剛接階段，此時(shí)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)所承受的新增荷載有+14.400m 標(biāo)高層～頂層所有結(jié)構(gòu)自重及±0.000 標(biāo)高層至屋面的外加恒載，±0.000 標(biāo)高層～頂層使用活荷載，但應(yīng)扣除±0.000 標(biāo)高層～+14.400m 標(biāo)高層在“鉸接”階段所作用的施工荷載。

3 轉(zhuǎn)換梁設(shè)計(jì)[2-4]

3.1 基本設(shè)計(jì)參數(shù)

因轉(zhuǎn)換層以下報(bào)告廳的凈空要求， 轉(zhuǎn)換梁截面高度受到限制。 經(jīng)試算，YZL-1 采用T 截面形式，梁高度取2700mm，梁寬取1450mm，參照設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及規(guī)范[5]取其翼緣寬度為2400mm，翼緣厚為150mm。采用C40 級(jí)混凝土；預(yù)應(yīng)力筋選用Φs15.2 低松弛鋼絞線，fptk=1860MPa；張拉控制應(yīng)力σcon=0.75fptk。 混凝土達(dá)到100%設(shè)計(jì)強(qiáng)度后進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉；抗震等級(jí)為二級(jí)。 關(guān)于裂縫控制標(biāo)準(zhǔn)，目前國(guó)內(nèi)部分學(xué)者認(rèn)為現(xiàn)行規(guī)范[2]二級(jí)裂縫控制標(biāo)準(zhǔn)過(guò)嚴(yán)，應(yīng)適當(dāng)放寬。 根據(jù)重慶大學(xué)多年的研究經(jīng)驗(yàn)[6]，在控制荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下：σck-σpc≤γftk是合適的，即應(yīng)考慮混凝土受拉塑性發(fā)展。 國(guó)內(nèi)有些單位甚至建議應(yīng)控制名義拉應(yīng)力不超過(guò)7～8MPa[7]。

3.2 預(yù)應(yīng)力筋線型

根據(jù)彎矩圖變化，以及考慮預(yù)應(yīng)力筋的避讓，預(yù)應(yīng)力筋采用了三段拋物線、四段拋物線加一段直線、直線筋三種形式。 預(yù)應(yīng)力筋線型布置如圖3。

圖3 YZL1 線型布置圖

由圖3 可知，轉(zhuǎn)換梁兩端各有一延伸段，這是因?yàn)樵趧偨与A段預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換梁與相鄰跨非預(yù)應(yīng)力梁形成連續(xù)梁（圖3 未將轉(zhuǎn)換梁兩側(cè)普通混凝土梁完全畫(huà)出）， 預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換梁梁端負(fù)彎矩部分傳遞至非預(yù)應(yīng)力梁。 考慮到預(yù)應(yīng)力張拉機(jī)具施工要求，張拉前在轉(zhuǎn)換梁延伸段設(shè)張拉后澆帶， 張拉完畢即澆筑混凝土形成連續(xù)。在延伸段預(yù)應(yīng)力筋線型采用水平直線型。

3.3 內(nèi)力計(jì)算

用SATWE 程序?qū)φw結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間分析， 確定轉(zhuǎn)換梁以上各層按上述兩個(gè)階段傳下的荷載，再采用PREC 程序?qū)D(zhuǎn)換梁進(jìn)行預(yù)應(yīng)力各項(xiàng)計(jì)算。 在恒載和活載作用下，YZL1 支座和跨中各控制截面分階段的內(nèi)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 控制截面內(nèi)力標(biāo)準(zhǔn)值

3.4 預(yù)應(yīng)力筋數(shù)量的計(jì)算

一方面要滿足正常使用極限狀態(tài)下轉(zhuǎn)換梁抗裂和撓度的限制要求，另一方面應(yīng)盡量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)，減少預(yù)應(yīng)力筋用量，同時(shí)還應(yīng)控制轉(zhuǎn)換梁在施工階段及正常使用狀態(tài)下的反拱。

3.4.1 預(yù)應(yīng)力等效荷載

圖4 YZL1 等效荷載圖及綜合彎矩圖

預(yù)應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的效應(yīng)可用等效荷載來(lái)代替。假設(shè)每種線型預(yù)應(yīng)力筋有效張拉力為1000kN，張拉時(shí)處于鉸接階段，梁兩端為簡(jiǎn)支，在此預(yù)應(yīng)力作用下等效荷載及綜合彎矩見(jiàn)圖4。

3.4.2 初步確定預(yù)應(yīng)力筋數(shù)量

對(duì)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果（表1）進(jìn)行比較可知，轉(zhuǎn)換梁跨中截面彎矩最大，應(yīng)控制預(yù)應(yīng)力配筋。 因在鉸接狀態(tài)下張拉，無(wú)次內(nèi)力發(fā)生，故跨中3-3 截面彎矩的標(biāo)準(zhǔn)組合（兩階段組合），由表1 可得Mk=16702.5+1754.4+6631.1+7653.8=32741.8 kN·m， 根據(jù)文獻(xiàn)[2]6.3節(jié)的裂縫控制標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)應(yīng)力度為：λ=1-γftk/σsc=0.874，按名義拉應(yīng)力計(jì)算：σck=Mk/Ix·y=17.55MPa（拉）；設(shè)預(yù)應(yīng)力筋在中截面的有效預(yù)應(yīng)力為Npe，則跨中截面下邊緣混凝土有效預(yù)應(yīng)力（壓）為：σpc=Npe/A+NpeM0y/Ix=0.000862Np（M0為單位預(yù)應(yīng)力在跨中產(chǎn)生的綜合彎矩， 即假設(shè)每種線型的預(yù)應(yīng)筋內(nèi)建立起1kN 有效預(yù)應(yīng)力在跨中產(chǎn)生的綜合彎矩），則其應(yīng)滿足：λσck=σpc。求得Npe=17237.1kN，再假設(shè)預(yù)應(yīng)力總損失為0.25σcon， 即跨中截面有效預(yù)應(yīng)力值為0.75σcon，則預(yù)應(yīng)力筋數(shù)量為：n=Npe/（0.75σcon·Ap1）=119 根（Ap1為單根鋼絞線截面積），最后每排配置4～10Φs15.2，共三排。

3.5 非預(yù)應(yīng)力筋的配置

計(jì)算受彎非預(yù)應(yīng)力縱筋時(shí)，荷載應(yīng)該考慮施工階段和剛接階段結(jié)構(gòu)內(nèi)力的基本組合，在預(yù)應(yīng)力筋已配置的情況下，由正截面抗彎承載力計(jì)算公式求得所需縱向非預(yù)應(yīng)力鋼筋的數(shù)量?？紤]到轉(zhuǎn)換梁的重要性和抗震設(shè)防要求[3]，其正截面抗彎承載能力應(yīng)留有足夠的安全儲(chǔ)備，所以適當(dāng)加大了非預(yù)應(yīng)力筋用量。 最終支座上部縱筋選配20C28 （HRB400）， 跨中下部縱筋選配20C28（HRB400），箍筋選配6 肢B14（HRB335）@100，腰 筋選 配2B16（HRB335）@150。

3.6 預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算

預(yù)應(yīng)力孔道由塑料波紋管成型， 預(yù)應(yīng)力筋預(yù)應(yīng)力損失包括：σl1（錨具變形和鋼筋內(nèi)縮損失）、σl2（摩擦損失）、σl4（鋼筋應(yīng)力松弛損失）和σl5（混凝土收縮徐變損失）。 跨中截面預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。 上、中、下三排預(yù)應(yīng)力筋在跨中截面的平均損失值均小于初步確定預(yù)應(yīng)力筋數(shù)量時(shí)所假定的0.25σcon損失值。

表2 跨中截面預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算結(jié)果σl /σcon

3.7 使用階段抗裂驗(yàn)算

該工程預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換梁采用了微裂縫控制原則，即在荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合下應(yīng)符合σck-σpc≤γftk； 在荷載效應(yīng)的準(zhǔn)永久組合下宜符合σcq-σpc≤0。 在兩種條件約束情況下，內(nèi)跨截面使用階段抗裂驗(yàn)算和延伸段張拉端面使用階段抗裂驗(yàn)算都能基本滿足要求。 表3 列出了使用階段內(nèi)跨控制截面的邊緣抗裂驗(yàn)算結(jié)果。

表3 控制截面邊緣應(yīng)力（MPa）

3.8 張拉階段抗裂驗(yàn)算

轉(zhuǎn)換梁配置的預(yù)應(yīng)力鋼筋束較多，張拉力大，一般采用分批張拉的方法，即轉(zhuǎn)換梁以上每完成數(shù)層進(jìn)行一次張拉，但如此施工較為繁瑣，且梁下支撐及模板占用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。 設(shè)計(jì)采用了一次性全部張拉方法， 為此需驗(yàn)算以下三種工況：（1） 鉸接狀態(tài)下預(yù)應(yīng)力一次性全部張拉，作用荷載為±0.000～+14.400m 標(biāo)高各層自重和施工活荷載， 驗(yàn)算滿足要求；（2） 鉸接狀態(tài)下預(yù)應(yīng)力筋一次性全部張拉，作用荷載為本層自重和施工活荷載，驗(yàn)算結(jié)果不滿足要求；（3） 鉸接狀態(tài)下預(yù)應(yīng)力一次性全部張拉， 作用荷載為±0.000～+7.200m 標(biāo)高各層自重和施工活荷載， 驗(yàn)算滿足要求。 因此，一次性張拉應(yīng)待+7.200 標(biāo)高層澆筑混凝土后方可進(jìn)行。

3.9 撓度驗(yàn)算

撓度驗(yàn)算是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一。 預(yù)應(yīng)力度過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致張拉時(shí)反拱過(guò)大，不易恢復(fù)，且構(gòu)件的開(kāi)裂荷載接近破壞荷載，從而導(dǎo)致延性降低；預(yù)應(yīng)力度不足，剛接階段梁的下?lián)线^(guò)大，不能滿足使用要求。 由于轉(zhuǎn)換梁受力存在“鉸接”和“剛接”二個(gè)階段，而“鉸接”又處于施工階段之中，為便于計(jì)算，撓度也劃分“鉸接”和“剛接”二個(gè)階段進(jìn)行驗(yàn)算， 并用鉸接階段的驗(yàn)算近似代替施工階段驗(yàn)算。

3.9.1 鉸接階段撓度驗(yàn)算

（1） 短期撓度計(jì)算時(shí)，梁兩端按簡(jiǎn)支考慮，截面剛度取用彈性剛度，此時(shí)的預(yù)應(yīng)力值采用扣除第一批損失之后的NpⅠ，求得短期反拱為13.95mm；（2） 計(jì)算梁在±0.000～+14.400m 結(jié)構(gòu)自重及施工活荷載作用下的短期撓度時(shí)，截面剛度取其彈性剛度的0.85倍，求得下?lián)现禐?.62mm（向下）。 因此，鉸接階段的短期撓度值實(shí)際為-13.95+1.62=-12.33mm（向上），為跨度的1/1816，滿足要求。

3.9.2 剛接階段的撓度驗(yàn)算

此階段考慮荷載長(zhǎng)期作用的影響， 所作用的荷載有±0.000～頂層外加恒載和扣除了施工荷載的使用活荷載、+14.400～屋面各層恒載，算得轉(zhuǎn)換梁的撓度為24.40mm。同理，鉸接階段±0.000～+14.400m 結(jié)構(gòu)自重及施工荷載作用下產(chǎn)生的長(zhǎng)期撓度計(jì)算為2.65mm， 則剛接階段外荷載作用下梁長(zhǎng)期下?lián)现禐?4.40+2.65=27.05mm。 計(jì)算預(yù)應(yīng)力長(zhǎng)期反拱值時(shí)，梁兩端近似按簡(jiǎn)支考慮，截面剛度取用彈性剛度，此時(shí)的預(yù)應(yīng)力值采用扣除全部損失之后的NpⅡ，求得的反拱值乘以增大系數(shù)2，即考慮預(yù)應(yīng)力長(zhǎng)期作用的反拱值為25.56mm。 所以， 轉(zhuǎn)換梁的最終變形值為27.05-25.56=1.49mm，轉(zhuǎn)換梁基本保持水平。

4 結(jié)語(yǔ)

大跨度轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)采用部分預(yù)應(yīng)力混凝土轉(zhuǎn)換梁， 能夠充分發(fā)揮預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，減小截面高度，控制結(jié)構(gòu)裂縫和撓度。 另外，大跨度轉(zhuǎn)換梁會(huì)使框架柱端產(chǎn)生巨大的彎矩，造成柱截面尺寸過(guò)大。 同時(shí)，過(guò)大的柱剛度使預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)產(chǎn)生較大的次內(nèi)力。該工程采用了“先鉸后剛”的處理方式，在張拉階段把結(jié)構(gòu)做成鉸接體系，消除了次內(nèi)力的影響，同時(shí)降低了剛接階段的柱端彎矩，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 除此之外，預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形分析、預(yù)應(yīng)力筋的布置、預(yù)應(yīng)力施加方案及其效應(yīng)分析、鋼管設(shè)置處的構(gòu)造等都是設(shè)計(jì)中應(yīng)特別重視的問(wèn)題。