51仝为民-大跨度预应力现浇空心板设计工程实践.doc

中国预应力技术五十年暨第九届后张预应力学术交流会论文 2006年 大跨度预应力现浇空心板设计工程实践 仝为民 （北京市建筑工程研究院 预应力空间技术研究所 100039） 提 要 北京市建筑工程研究院预应力所，近年来在北京地区做了大量的预应力现浇空心板的设计与施工工作，在预应力现浇空心板的工程实践中，积累了一定的经验，并参与了现浇混凝土空心楼盖结构技术规程的编制，本篇文章就预应力现浇空心板的工程设计经验进行了简单的论述，与国内同行进行交流，不到之处请批评指正。 关键词 预应力 现浇 空心板 1 大跨度预应力现浇空心板的优势 大跨度预应力现浇空心板由于板的自重轻，刚度大，施工简单，使用方便等特点，已经在全国得到广泛应用。大跨度预应力空心板主要应用于跨度超过10米以上的现浇混凝土楼盖，同等跨度的预应力空心板与预应力实心板相比较，预应力现浇空心板的自重要更轻一些，板的厚度则要厚一些，但预应力空心板的刚度要比预应力实心板的刚度大许多，预应力筋的有效矢高也更高一些，这样更能够发挥出预应力配筋的优势，因此预应力空心板的抗裂、抗变形性能和承载力要优于预应力混凝土实心板。就结构性能来说，预应力现浇空心板要优于预应力实心板。目前就我们所设计的预应力混凝土实心板，最大跨度也就是在14m以内，但预应力空心板的最大跨度已经达到24m。 2 北京地区常见的几种大跨度预应力现浇空心板 由于北京地区地处8度抗震区，因此大跨度预应力现浇空心板的应用主要是如下几种形式。 1）内核心筒外框架高层结构楼板 如图（一）所示 仝为民，男，1961.4出生 高级工程师 图（一） 内核心筒外框架高层结构楼板，这种结构通常是做到20层左右，楼板的跨度为9m～14m，板厚在250mm～350mm之间。在板中铺设空心管材料，一般板的截面孔隙率能够达到3５％～40％左右，在空心管间的小肋中铺放无粘结预应力筋，预应力主要起到提高板的刚度，控制板的变形和裂缝产生的作用，预应力配筋通常按照二级抗裂控制，如果设计合理，不但使楼板和整体结构的受力性能达到最优，而且能够降低综合造价。 2）局部大跨度预应力现浇空心板 如图（二）所示 图（二） 局部大跨度预应力现浇空心板，有单跨和连续跨形式，主要是用于教室，会议室等大跨度部位，一般常见于框架剪力墙结构，采用大跨度预应力现浇空心板，可以去掉会议室和教室内的梁，形成一个大的平板，增加室内的净空，由于是采用预应力现浇空心板这种结构形式，楼板的自重也较轻，施工起来也比较方便。通常楼板的跨度在12m24m之间，板厚在350mm～800mm之间。预应力筋通常布置在板的肋梁和实心板带中，预应力在楼板受力中起到强度和刚度的作用。预应力通常采用无粘结预应力形式，但当板的跨度超过20m，板的厚度超过500mm时，为稳妥起见应该考虑采用有粘结预应力的形式。 3）预应力空心板板柱结构 如图（三）所示 图（三） 预应力空心板板柱结构，北京地区受抗震设计限制，近年来几乎没有纯板柱结构形式的建筑，均设计成板柱剪力墙结构，一般多为地下车库或地上两三层的商业建筑，采用大跨度预应力现浇空心楼板的就比较少见，这种结构通常跨度在12m～14m之间，板厚在300mm～400mm之间。空心管或空心块通常放置在跨中板带上，柱上板带一般做成预应力实心板，是否加柱帽主要由抗冲切计算决定，在跨中板带的空心板里有时加预应力有时不加预应力，预应力筋均为无粘结预应力筋。 3 预应力现浇空心板的基本设计方法 预应力现浇空心板与普通现浇预应力混凝土实心板在设计和计算上没有本质的区别，但更近似于预应力密肋板的设计。与普通现浇混凝土空心板的设计和计算相比较，由于是采用了预应力的结构形式，因此设计时必须满足规范对预应力的有关要求。基本设计方法如下 1）、抗裂和变形控制一般预应力空心板多应用于大跨度结构，楼板的跨度大，通常板的变形和抗裂成为板设计的控制因素，而预应力结构比普通混凝土结构的抗裂等级又严格一些，因此在正常使用荷载状态下，首先进行板的裂缝和变形计算（超过18米应进行变形计算），由此来确定预应力空心板的板厚和预应力筋的配筋数量。在这部分计算中预应力空心板的抗裂通常按照二级抗裂控制，板的支座弯矩按照弹性理论计算不进行调幅或调幅系数不超过0.9（由板的受约束情况而定）。 混凝土结构设计规范对预应力楼板的抗裂控制等级是二级，由此决定了空心板板厚和预应力配筋数量。 结构构件的裂缝控制等级及最大裂缝宽度限值 表3.3.4 环境类别 钢筋混凝土结构 预应力混凝土结构 裂缝控制等级 ωlimmm 裂缝控制等级 ωlimmm 一 三 0.30.4 三 0.2 二 三 0.2 二 - 三 三 0.2 一 - 2）、板的强度计算由于空心板板中增加了预应力筋，在正常荷载状态，在通常的普通钢筋和预应力配筋条件下，板的极限承载力计算不成问题。但应该注意的是（1）预应力度大小预应力筋和非预应力筋混合配筋方式，预应力强度比λ,一般不宜大于0.75，由预应力产生的平衡荷载不宜超过恒载的80％。（2）平均压应力预应力产生的平均压应力一般不宜小于1N/mm2也不宜大于3.5N/mm2。（3）预应力空心板在肋梁中设有封闭箍筋，一般情况下可不进行板的抗剪计算，但当板面受有集中荷载时，应进行该部位的抗冲切计算，并且在集中荷载分布区域，应布置成实心板带。 3）、板边缘约束构件的计算除柱支撑的板柱结构外，一般预应力空心板的边缘受到边梁或剪力墙约束，应考虑由于预应力和空心板受力变形对边缘约束构件产生的扭转作用，特别是当预应力筋在支座处从板的型心线以上（如图四所示）伸出张拉时，预应力对边缘约束构件产生的弯矩和扭矩影响必须予以考虑。对于大跨度预应力空心板支座的边梁，为加强边梁的抗扭性能应适当增加梁的宽度，并通过计算配置抗扭钢筋。 图（四）预应力张拉端高于板的型心线会对边梁产生附加扭矩 4 其它注意事项 1）、大跨度预应力空心板的构造要求大跨度预应力空心板由于更近似于预应力筋密肋板，因此空心管间的小肋，实际上起到了肋梁的作用，不但要承担荷载产生的弯曲变形和剪切变形，还要传递预应力筋产生的平均压应力，因此肋梁的普通钢筋应按照梁的配筋方法设计如图（五）所示，采用封闭箍筋的方法，预应力筋铺放在带有封闭箍筋的肋梁中。 图（五） 2）、板的自重计算预应力现浇空心板的自重要考虑截面孔隙率和体积孔隙率的区别，一般来说，两者相差不大，但如果在板的边缘和板的双向均设有实心板带，则板的自重应按照体积孔隙率来计算，如果仅按照截面孔隙率计算，板的实际自重会被少算。 3）、空心板的正交异性问题空心板的正交异性问题主要是由于使用空心管材料造成两个方向刚度的差引起，国内一些研究表明其差别在10％以内，但终究是有差别的。在大跨度预应力双向板的设计中，如果使用空心管，则必须使用短管，否则会造成预应力筋在另一个方向无法布置，因此建议采用空心块，每个方向的计算刚度由空心块的尺寸决定，并且采用空心块也便于预应力筋的双向铺设。 3）、大跨度压应力空心板应适当考虑竖向地震力的再用，一般预应力楼板和预应力空心板，不参与水平地震力的传递。虽然规范没有规定对大跨度楼板进行竖向地震力的计算，但本人认为当板的跨度超过20m时，但应参照混凝土抗震规范的要求，对大跨度板在极限承载力计算中适当考虑竖向地震力的影响。 3）、空心材料的选择目前可用于空心板的材料不算少，主要有薄壁水泥制品（包括薄壁空心管和薄壁空心块），聚苯材料（包括聚苯实心棒材和聚苯实心块）以及金属波纹管等。这些材料各有利弊，在设计中选用那种材料，还要综合考虑。一般来说，薄壁水泥制品，主要特点是其产品价格低廉，市场推广应用广泛，目前国内绝大部分空心板均采用这种材料，缺点是如果产品质量控制不好，现场施工时易破碎，如果在浇捣混凝土时，一定数量的空心管内进入混凝土，将改变原设计的荷载值。聚苯材料的特点是，采用实心聚苯材料外包耐火防破碎保护层，因此克服了薄壁水泥管的缺陷，且便于楼板内线管的铺设，但其缺点是，材料价格比薄壁水泥管高，还有防火问题。金属波纹管质量轻，不宜破碎，资料显示，国外的现浇空心板工程中大量使用这种材料，但其价格较高，在国内不太具有竞争优势。总之在设计时，要充分考虑到各种材料的不足之处和采取必要的防范措施。 5 结束语 预应力空心板从开始推广到大规模的应用，用了不到６年的时间，说明其有旺盛的生命力，也符合我们国家节约资源，降低能耗的发展方向。本人认为，今后的努力方向应该是完善空心板的内力分析，进一步优化结构设计，研制新型功能性内模材料和拓展空心材料的应用领域。 参考文献 [1]现浇混凝土空心楼盖结构技术规程CECS 1752004 [2]现浇预应力空心楼盖的工程应用施工技术2001.03.07 [3]现浇预应力空心板结构的应用建筑技术开发2003.6 [4]预应力现浇空心板在框架核心筒结构高层建筑中的应用建筑技术开发2005.12