预应力钢筋混凝土预应力梁设计

摘要： 文章结合某一办公楼屋面预应力钢筋混凝土梁的设计，介绍了预应力梁的工作机理，进行了该梁的截面和材料的选取及配筋计算，采用ANSYS 有限元软件进行了预应力钢筋混凝土梁的挠度验算，最后验算了简支梁的裂缝，可为设计人员的设计提供参考和借鉴。
关键词： 预应力混凝土；整体式；ANSYS；张拉方法

1 工程概况

某一砖混结构的办公楼，因多年的风吹日晒，加长期的漏雨，局部屋顶混凝土楼盖结构被腐蚀的很严重，板中钢筋裸露，为预止造成人员伤亡和不必要的经济损失，经办公楼主管部门的决定，拆除原有损失严重部位的屋顶，重新浇筑，并把楼盖下原来的办公室改变为会议室。该砖混房屋横向承重，跨度为7.2m，由于是早期建设的房屋，层高仅为3m，改变使用功能后，若采用钢筋混凝土梁，梁高最少为750mm，净高仅为2.25m，作为会议室感觉很压抑，于是为扩大净高决定采用预应力混凝土梁，梁高可取为跨度的1/18~1/20，这里可取450mm，这样不但使梁的刚度和承载力满足要求，而且净高

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也由原来的2.25m 变为2.55m，达到了令人满意的室内净高。本文介绍了预应力的工作机理、施加的方法和设计的过程，为设计人员提供参考和借鉴。

2 预应力混凝土梁的工作机理

对于普通结构的钢筋混凝土构件，混凝土结构设计规范规定裂缝宽度不得大于0.3mm，致使钢筋的应力得不到充分的发挥，经计算此时钢筋的应力仅为几十Mpa，所以由于裂缝的控制，钢筋的应力得不到提高。由于裂缝的存在，使构件的刚度会进一步降低，造成构件的挠度又不满足要求，如何减小和延缓裂缝的出现，成为人们关注的问题，为解决这一矛盾，人们设想在混凝土构件中预先施加预应力，对在荷载作用下的构件受拉区混凝土施加一定的压应力，使其能够部分或全部抵消有荷载产生的拉应力，这样就可实现裂缝和变形的控制。

3 材料选择与设计

3.1 材料选择

该预应力混凝土梁矩形截面尺寸为250mm×450mm，混凝土采用0，弹性模量为3.2×104Mpa，泊松比取为0.2；预应力筋采用低松弛钢绞线[3]，抗拉强度标准值fptk取为1860Mpa，张拉控制应力为0.75fptk，锚具采用三孔夹片锚，纵筋采用HRB335 级钢筋，箍筋采用HPB235级钢筋，预应力筋采用直线的布置方式。

3.2 预应力梁设计

经计算采用双排，每排3 根直径为15.2的钢绞线，如图1 所示。纵筋梁底筋为4Ф25，梁顶筋为支座4Ф25+1Ф20，跨中为4Ф25，加密区箍筋间距为Ф8@100，其他箍筋间距为Ф8@200。

4 预应力的施加

在实际工程中可用先张法和后张法两种方式对混凝土构件施加预应力。先张法一般先张拉预应力筋，然后浇注混凝土，待混凝土达到设计强度的75%后，放张预应力钢筋，预应力筋回缩，通过预应力筋与混凝土之间的粘结传力，从而建立预应力。先张法一般在工厂预制，所以不符合本工程的应用。后张法是先浇筑构件混凝土，待混凝土达到设计强度75%后，张拉钢筋束至控制拉力后，用多空夹片锚具将钢筋束锚固在混凝土端部，从而建立预应力。后张法在现场张拉，适合本工程的应用，因此，本文采用后张法施加预应力，形成后张预应力混凝土结构。

5 变形验算

采用ANSYS 仿真方法[4]计算梁在外荷载作用下的变形和预应力反拱值。
在ANSYS 中对预应力钢筋混凝土的建模有两种，即分离式和整体式。分离式就是将混凝土和预应力束的作用分别考虑，用加等效荷载的形式取代预应力束；等效载荷法没有考虑预应力钢束对混凝土的作用分布和方向，预应力钢束对混凝土的作用显然在各处是不同的，而等效载荷法考虑不了这种情况；整体式则是将混凝土和预应力二者的作用综合考虑，典型的方法有降温法和初始变量法。
本文采用整体降温法模拟。
用LINK8单元模拟预应力筋，用SOLID65单元模拟混凝土，打开非线性选项和几何大变形。建立实体模型，在进行网格划分，加约束求解，经计算变形为19mm，反拱值为5mm，梁的整体变形为f=19mm-5mm=14mm小于挠度限值[7200/300=24mm]，满足要求。

6 裂缝验算

裂缝计算按照混凝土结构设计规范中给出的公式计算，经计算裂缝宽度为0.12mm 小于规范规定的限值[w]=0.2mm。
7 结论
结合某一办公楼屋面预应力钢筋混凝土梁的设计，介绍了预应力梁的工作机理，进行了该梁的截面和材料的选取及配筋计算，采用ANSYS有限元软件进行了预应力钢筋混凝土梁的挠度验算，最后验算了简支梁的裂缝，可为初级设计人员的设计提供参考和借鉴。
参考文献：
薛伟辰.现代预应力结构设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2003.
GB-50010-200

2.混凝土结构设计规范[M].北京：中国建筑工业出版社，200

[3]郝文化.ANSYS 土木工程应用实例[M].北京：中国水利水电出版社，2005.
[4]包陈，王呼佳.ANSYS 工程分析进阶实例[M].北京：中国水利水电出版社，2006.