11.2 预应力混凝土结构构件设计
11.2.1 材料选择
1 混凝土
混凝土强度等级不宜低于C40，且不应低于C30。设防烈度为9度时混凝土强度等级不宜超过C60，设防烈度为8度时混凝土强度等级不宜超过C70。
说明：设防烈度为9度时的预应力混凝土结构，对具抗震性能及措施应进行必要的试验和分析研究，在有充分依据并采取可靠的抗震措施后方可采用，设计应经相关专家审查认可。
2 普通钢筋
纵向受力普通钢筋宜采用HRB400、HRB500、HRBF400、HRBF500钢筋，也可采用HPB300、HRB335、HRBF335、RRB400钢筋；梁柱纵向受力普通钢筋应采用HRB400、HRB335、HRBF400、HRBF500；箍筋宜采用HRB400、HRBF400、HPB300、HRB500、HRBF500，也可采用HRB335、HRBF335钢筋。
3 预应力筋
预应力筋宜采用预应力钢丝、钢绞线和顶应力螺纹钢筋；有特殊防腐要求时可使用镀锌钢丝、镀锌钢绞线或环氧涂层钢绞线；直线预应力筋或拉杆可使用预应力螺纹钢筋。先张法构件宜采用消除应力钢丝、中强度预应力钢丝、钢绞线。
由于钢绞线强度高、柔性好、与混凝土握裹性能好，便于制作各类预应力筋，且便于施工，目前在工程中大量应用。
4 锚具
预应力筋锚具可分为夹片式、支承式、握裹式等；锚具选用应根据预应力筋品种、锚固部位、施工条件和张拉工艺确定；夹片式锚具不得用作预埋在混凝土内的固定端；压花锚具不得用于无粘结预应力钢绞线；承受低应力或动荷载的锚具应有防松装置。预应力筋锚具的选用可参照表11.2.1。
表11.2.1 预应力筋锚具选用表
5 成孔材料
一般后张法预应力孔道推荐采用预埋管法成孔。预埋管道有：金属波纹管、塑料波纹管和薄壁钢管等，最为普遍使用的是金属波纹管，目前塑料波纹管已经开始大量使用，主要是配合真空辅助灌浆工艺，钢管仅用于竖向孔道和有特殊要求的情况。
梁类构件通常采用圆形波纹管，板类构件宜采用扁形波纹管；波纹管截面积一般为预应力筋截面面积的3.0～4.0倍，同时其内径应大于预应力筋(束)轮廓直径+6～15mm，还要考虑先穿束或后穿束以及是否采用穿束机等情况；波纹管要有足够的刚度和良好的抗渗性能。
6 水泥浆
水泥浆由水泥、外加剂和水混合搅拌而成，水泥浆性能应满足《混凝土结构工程施工规范》GB 50666-2011、《混凝土结构工程施工质量验收规范》GB 50204-2002的有关规定。
11.2.2 设计流程
预应力混凝土结构设计和钢筋混凝土结构设计基本一致，包括结构方案确定、内力及变形计算分析、配筋及承载力验算、构造设计等内容。和钢筋混凝土结构设计相比，在结构计算阶段增加了预应力筋束形及张拉力假定的内容；在内力及变形计算阶段增加了预应力荷载作用下结构的内力计算；在配筋及承载力验算阶段增加了截面的抗裂度验算及主拉应力计算等内容，并增加了锚固区设计，对于超静定结构应考虑预应力次内力的影响；同时增加了构造设计的工作，构造设计包括预应力筋及锚具的排列、锚固区局部加强构造、张拉端及固定端的封闭构造等内容。预应力混凝土结构设计流程如下：
11.2.3 计算方法
预应力混凝土结构和普通钢筋混凝土结构最大的区别是在结构中建立了预应力，因此现行结构计算软件均可用于预应力混凝土结构的计算。由于在结构中建立了预应力，结构在预应力作用下的内力与变形应与荷载作用下结构的内力与变形进行组合来确定结构的变形及构件的设计内力，目前PKPM系列软件的PREC软件等均能够自动计算结构的预应力效应并与结构的荷载效应进行组合。
1 结构计算模型
现浇预应力结构计算时应考虑楼板的翼缘作用，翼缘宽度可以根据《混凝土结构设计规范》GB 50010-2010的有关规定取值，也可采用有限元法计算；计算模型中还应考虑竖向构件约束的影响。
2 预应力次内力
超静定结构中，在进行截面抗裂验算及承载力验算时应考虑预应力次内力的影响。进行内力组合时，对承载能力极限状态，当预应力作用效应对结构有利时，预应力作用分项系数γP应取1.0，不利时γP应取1.2；对正常使用极限状态，预应力作用分项系数γP应取1.0。
11.2.4 束形设计
预应力筋束形应根据荷载分布、构造要求、防火保护、耐久性及张拉和锚固工艺等要求综合确定。常用的预应力筋束形包括抛物线形(单波、多波)、折线形、直线形，在设计时应根据结构的特点选择合适的束形，还可以组合采用多种束形。
1 预应力筋常用束形
当梁(板)上荷载为均布线荷载时宜采用抛物线；有两处较大的集中荷载时宜采用双折线；有一处较大的集中荷载时宜采用单折线；悬挑梁(板)宜采用直线束，但在悬挑尖部预应力筋仍宜水平伸出。
图11.2.4-1 常用的预应力筋束形
2 预应力筋束形参数
1) 抛物线形的预应力筋，可按图11.2.4-2所示确定束形参数。
图11.2.4-2 抛物线形预应力筋束形参数
② 连续跨
预应力筋束形控制参数的取法原则上与单跨相同，但应注意下列事项：
a 考虑弯矩的分布，邻近连续跨处的L2应大于端支座处的L1；
b 连续跨处的弯矩一般比端支座大，通常为控制截面，框架梁端支座预应力束的保护层厚度c1宜适当增大；
c 连续次梁的端支座预应力束的保护层厚度c1，当边梁的抗扭刚度较大时，宜取较小值，抗扭刚度较小时，宜取较大值。
2)折线形预应力筋束形
当预应力筋束形设计为折线形时，可按图11.2.4-3所示确定预应力筋束形参数。
折线形预应力筋的转折点L1、L2至支座的距离不宜小于梁跨度L的1/5，转折点处预应力筋宜尽量平滑过渡，避免硬弯折；在预应力筋弯折处，应加密箍筋或沿弯折处内侧设置钢筋网片。
图11.2.4-3 折线形
3)顶层框架梁端支座预应力筋的上偏心距宜适当减小，以降低节点偏心力偶对顶层柱大偏压的影响。
11.2.5 预应力混凝土梁
1 预应力梁可实现的跨度及经济跨度
预应力混凝土梁可实现的跨度及经济跨度与采用的截面形式、支座条件及荷载等因素有关，并与预应力度有关。预应力混凝土梁可实现的跨度及经济跨度如表11.2.5-1所示。
表11.2.5-1 预应力混凝土梁可实现的跨度及经济跨度
2 预应力梁的截面高度宜符合表11.2.5-2的规定。
表11.2.5-2 预应力梁的截面高度与跨度的比值(h/L)
注：1 表中L为短跨计算跨度；
2 双向密肋梁的截面高度可适当减小；
3 梁的荷载较大时，截面高度取较大值，预应力度较大时可以取较小值；
4 有特殊要求的梁，截面高度尚可较表列数值减小，但应验算刚度，并采取加强刚度的措施，如增加梁宽，增设受压钢筋等。
3 预应力混凝土构件的裂缝控制等级应根据其所处的使用环境条件及构件的重要性综合确定。
4 预应力混凝土梁的截面尺寸应根据荷载条件、裂缝控制等级及变形控制条件确定。大跨度预应力梁的挠跨比除满足《混凝土结构设计规范》GB 50010-2010的要求外，还应控制其绝对挠度值，防止挠度值较大时对地面做法等造成不利影响。
5 使用荷载较大的建筑结构，宜适当加大构件截面，控制荷载平衡值及预应力构件截面的平均预压应力。应控制梁截面平均预压应力不应过高，防止因构件截面选取过小，导致预应力筋配置过多，张拉阶段出现裂缝或使用阶段实际作用荷载较小时出现过大反拱。当混凝土强度等级为C40时，梁截面平均预压应力宜控制在2～5MPa。
6 大跨度预应力楼盖对边梁扭转的影响十分显著，因此应考虑边梁的扭转问题。边梁应按弯剪扭复合受力构件进行设计，但应考虑预应力对边梁扭转的影响。如果边梁的扭转为协调扭转，由于通常简化计算中未考虑楼板与边梁的空间协调作用，设计时可将计算扭矩乘以0.4～1.0系数予以折减；如果边梁的扭转为平衡扭转，则不应进行上述折减。
式中：T——边梁扭矩设计值；
Td——边梁在荷载作用下产生的扭矩设计值；
TP——边梁在预应力等效荷载作用下产生的扭矩设计值；
7 翼缘宽度取值
现浇预应力混凝土结构设计计算中，梁的翼缘宽度除应符合设计规范的有关规定外，尚宜根据结构计算的不同内容及施加预应力的实际情况，做如下调整：
1)预应力筋在梁端部锚固时，预加力的轴向力在端部集中并沿梁跨度方向逐渐扩散，当计算预应力轴向力效应时，在端支座截面宜取梁宽，而在跨中或内支座截面翼缘宽度B2宜取板全宽；
2)当计算截面弯曲应力及受弯承载力时翼缘宽度B应按《混凝土结构设计规范》GB 50010-2010表5.2.4的规定取值。
图11.2.5-1 翼缘宽度的取值
8 预应力梁采用有粘结预应力筋时，在构件两端应设置灌浆孔或排气孔，其孔距对抽拔管不宜大于12m，对波纹管不宜大于30m。凡制作时需要预先起拱的构件，预留孔道应随构件同时起拱。
9 预应力混凝土梁的箍筋设置构造要求与普通钢筋混凝土构件基本相同。在T形截面梁的马蹄中，应设闭合式箍筋，其间距不大于150mm。
10 锚固区附近翼缘板的加强
预应力混凝土梁，因锚固区局部轴向压力的扩散，在翼缘板内将产生较大的拉应力，板可能会产生裂缝，宜按图11.2.5-2所示进行配筋加强，该加强钢筋宜布置在楼板截面中部。
图11.2.5-2 预应力梁端板的加强
11 梁上开孔
1)预应力梁上开圆孔时，应遵循下列原则：
①开孔最大直径不宜大于梁截面高度的1/5～1/6；
②并列开孔时，孔间距宜大于相邻孔直径平均值的3倍；
③梁上开孔范围宜在梁跨间中部1/2跨内，开孔位置应位于梁截面中心。孔中心位置应距与开孔梁相垂直的次梁侧面1.5h以上(h为梁高)。
④开孔处应进行配筋加强，加强构造见图11.2.5-3。
图11.2.5-3 预应力梁上开圆形孔及加强构造
2)预应力梁上开矩形孔洞时应遵循下列原则：
①孔洞应尽可能设置于剪力较小的跨中L/2区域内，孔洞偏心宜偏向受拉区，偏心距e0不宜大于0.05h；
②并列开孔时，相邻孔洞边缘间的净距不宜小于2.5hh，孔洞高度和截面高度的比值hh/h≤0.35，孔洞长度和截面高度的比值lh/h≤1.6，孔洞上弦杆截面高度与梁截面高度的比值hc/h≥0.3；
③孔洞长度和高度之比宜满足lh/hh≤4。
④开孔处应进行配筋加强，加强构造见图11.2.5-4。
a 当矩形孔洞高度小于h/6及100mm，且孔洞长度小于h/3及200mm时，其孔洞周边配筋可按构造设置。弦杆纵筋As2、As3可采用2
10～2
12；弦杆箍筋采用
6，间距不应大于0.5倍弦杆有效高度及100mm。垂直箍筋Av宜靠近孔洞边缘。
b 当孔洞尺寸不满足a项要求时，孔洞周边的配筋应按计算确定，但不应小于按构造要求设置的钢筋。
图11.2.5-4 预应力梁上开矩形孔及加强构造
11.2.6 预应力混凝土板
1 预应力混凝土板可实现的跨度及经济跨度
预应力混凝土板可实现的跨度及经济跨度与采用的截面形式、支座条件及荷载等因素有关，并与预应力度有关。预应力混凝土板可实现的跨度及经济跨度如表11.2.6-1所示。
表11.2.6-1 预应力混凝土板可实现的跨度及经济跨度
2 预应力板的厚度宜符合表11.2.6-2的规定。
表11.2.6-2 预应力板的跨度与厚度的比值(L/h)
注：1 L为板的短边计算跨度；无梁楼盖中L为板的长边计算跨度；
2 双向板系指板的长边与短边之比小于2的情况；
3 荷载较大时，板厚应适当增加；
4 考虑预应力筋的布置及效应，板厚不宜小于150mm。
3 单向板
1)预应力筋沿连续平板受力方向宜采用多波连续抛物线布置，束形参数的确定可参照11.2.4条。预应力筋一般沿板宽并筋均匀布置，也可单根均匀布置。并筋布置时，每束预应力筋不宜超过4根，预应力束的间距不宜大于1200mm。
2)垂直于受力的方向，为抵抗收缩和温度应力，尚需配置非预应力筋，其配筋率不宜小于0.2％。
3)分布钢筋的布置与普通钢筋混凝土单向板相同。
4)在板内无粘结预应力筋可分两侧绕过开洞处铺设，无粘结预应力筋距洞口距离不宜小于100mm，水平偏移的曲率半径不宜小于6.5m，详见图11.3.6。洞口边应配置构造钢筋加强。
5)计算确定的预应力筋可在两侧适当减配，中间适当加密，总数不变。
4 双向板
1)预应力筋宜采用双向多波连续抛物线布置，也可采用折线形布置。抛物线的参数取值应考虑双向普通钢筋及预应力筋交叉编网的影响。一般双向均沿板宽并筋均匀布置，也可单根均匀布筋，靠近板边缘处可适当减少。并筋布置时，每束预应力筋不宜超过4根，预应力束的间距不宜大于1200mm。
2)沿短跨的预应力筋在跨中宜布置在长跨预应力筋的下面，沿短跨的底部普通钢筋宜布置在长跨普通钢筋的上面。
图11.2.6-1 预应力筋在跨中与底部普通钢筋的位置关系
3)双向板每个方向的平均预压应力不宜小于1.0N/mm²，也不宜大于3.5N/mm²。
4)在长跨方向用最低平均预压应力确定预应力配筋面积，再计算短向预应力配筋面积。
11.2.7 预应力框架柱
多层框架的顶层边柱往往承受大偏心受压，轴力小而弯矩大，近似于受弯构件。当框架梁的跨度不大时，仅对梁施加预应力，即时同时抵消大部分外荷载引起的柱子弯矩，因而柱子抗裂问题可同时得到解决；当梁跨度较大且荷载较重时，仅靠施加于梁上的预应力难以消除柱子弯矩，须对柱子施加预应力才能解决柱子截面的抗裂问题。预应力柱的设计宜符合下列规定：
1 柱子的预应力筋宜采用直线或折线布置。
2 预应力束宜延伸至下层柱的中部。当采用夹片式锚具时，预应力束长度尚不宜小于6m。
3 抗震设防的预应力混凝土框架结构，柱截面高度宜取梁截面高度的0.8倍以上。
4 柱截面受压区高度和有效高度之比，一级不应大于0.25，二、三级不应大于0.35。
5 柱受拉边宜采用普通钢筋和预应力筋混合配筋，受压边只配普通钢筋。
6 柱箍筋应全高加密。
7 顶应力筋的束形及参数可参考图11.2.7。
图11.2.7 柱预应力筋束形
- 上一节：11.1 一般规定
- 下一节：11.3 预应力混凝土构造设计及特殊问题处理