摘要：预应力混凝土结构具有跨度较大、挠度和裂缝较小、防火性能较好、日常维护费用较低等优点，因而在我国目前的经济条件下有其应用价值。但在设计中有一些问题不容忽视，结合多年的实践经验谈谈预应力框架设计时应注意的若干问题。
关键词：预应力；框架；设计
引言
采用预应力混凝土是改善结构使用性能、节约钢材和能源、满足建筑空间要求、提高综合经济效益的重要措施。但一些结构设计师由于对预应力混凝土的基本概念、对不同阶段荷载作用下预应力筋及非预应力筋的应力变化情况和裂缝的开展等情况并不清楚，对设计步骤、计算模型的建立、预应力等效荷载的应用等问题认识模糊。因此一些结构师采取：（1）在结构方案尽量增加柱子避免出现大跨度框架。（2）实在无法避免就将预应力的设计委托预应力施工单位来完成。
其方法：（1）不能满足建筑功能要求且不利于结构设计方面的创新，方法（2）则存在着如下隐患：a.由施工单位提供的预应力筋配置方案是否合理结构设计人员往往心中无数，而且预应力筋部分的施工图最后仍要由结构设计人员签章并承担技术责任；b.预应力框架的梁、柱配筋构造和普通混凝土框架有所区别，若预应力筋的设计交由施工单位完成，在技术衔接上容易脱节。
1预应力框架设计中应注意的若干问题
1.1结构师要注意在使用荷载作用下，预应力混凝土梁截面各阶段的应力变化和梁裂缝发展情况，下面以预应力简支梁的跨中截面为例简要说明：
第一阶段：加载至混凝土上边由拉变压，下边压应力减小到零，钢筋拉应力略有增加，构件反拱减小，略有挠度。第二阶段：加载至裂缝即将出现，混凝土上边压应力增加，下边拉应力达到ftk，钢筋拉应力增加了2α·Eftk，构件挠度增加。第三阶段：加载至破坏，截面下部裂缝开展，构件挠度剧增，预应力钢筋拉应力增加到fpy，非预应力钢筋拉应力增加到fy，混凝土上面压应力增加到fcm。第四阶段：在破坏前，卸去荷载，裂缝将闭合，混凝土重新受压。
由此可知预应力混凝土梁在各个阶段的内力变化情况与普通混凝土梁有所不同。
1.2预应力框架的计算：
预应力框架梁在正常使用条件下一般不开裂，整个结构在使用阶段处于弹性工作状态，因此采用结构力学杆系模型的计算理论来计算预应力框架是切实可行的，也即采用现有的TBSA、TAT、SATWE等计算程序可以进行预应力框架的内力分析，其内力分析结果是安全可靠的。
1.3“荷载平衡法”在实际应用中应注意的问题：
“荷载平衡法”只是为超静定预应力结构的内力分析提供了一种简化手段，将预应力所起的作用折算成等效荷载参与结构计算，这种计算方法的理论基础是当预应力混凝土梁在正常使用条件下处于弹性工作时，预应力筋的应力变化幅度很小，可近似地认为是一个定值，即：σpe=σcon－σl（其中：σpe有效预应力、σcon张拉控制应力、σl预应力损失）。实验证明，在正常使用状态下其计算结果与试验结果吻合很好，但在极限承载力状态下，梁已接近破坏，预应力筋的应力比在弹性条件下增加了许多，这时用“荷载平衡法”进行配筋计算是不妥的。
因此“荷载平衡法”只能用于计算预应力梁的挠度和裂缝，而计算梁的极限承载力时，不能考虑预应力等效荷载的作用，只能按照普通混凝土框架的计算方法求出梁柱的内力，再套用预应力的相关公式分别计算出预应力和非预应力钢筋。
1.4在计算梁的极限承载力时是否需考虑次弯矩的不利影响：
框架结构在预应力等效荷载作用下会产生次弯矩，一般情况下次弯矩对梁支座有利而对梁跨中不利。研究资料证明，在极限承载力状态下仍存在着次弯矩，但其大小只有正常使用状态下的30%~60%。故从工程实用的角度来说，当次弯矩对结构有利时可不考虑，但对结构不利时在极限承载力计算时应考虑。
1.5用正常使用状态和极限承载力状态两种方法计算得出预应力筋差别较大的原因：
应注意到，用正常使用状态下的计算公式得出的预应力筋数量，比用极限承载力状态下的计算公式得出的结果要大得多。通过文献资料对比分析，发现主要由以下原因造成：（1）《混凝土结构设计规范》对预应力结构的最大裂缝宽度的限值比普通混凝土要严，规定预应力混凝土构件在室内正常环境下采用二级裂缝控制，在露天环境采用一级裂缝控制。但在实际工程中用得最多的后张法有粘结或无粘结预应力体系，一般情况下预应力筋是摆在普通钢筋里面，其保护层较厚，混凝土即使开裂对于无粘结预应力筋来说它的外面有油脂和塑料套管的保护，对于有粘结预应力筋来说它的外面有砂浆和波纹管的保护，而且预应力筋在卸去荷载后其裂缝会自动闭合；（2）我国规范中恒载和活载的分项系数分别是1.2和1.4，美国规范中恒载和活载的分项系数分别是1.4和1.7，两者相比用我国规范进行极限状态下的配筋计算结果偏低。
由此可认为，采用后张法无粘结或有粘结预应力体系的预应力梁，其裂缝宽度可按同级普通混凝土梁的要求来控制，在有经验的前提下还可进一步放松。
1.6框架柱设计应注意的问题：
（1）进行框架柱极限承载力计算时，可不考虑梁中预应力等效荷载作用下所产生的对框架柱有利的综合弯矩。（2）框架柱的轴压比限值：决定框架延性的一个重要因素就是框架柱的轴压比，轴压比越低则柱子的延性越好，因此，在设计中除加强框架柱的配筋构造外，另一个重要的手段就是控制框架柱的轴压比。预应力结构底层框架柱的轴压比宜控制在0.6以内。（3）进行框架柱的极限承载力计算时，柱截面计算高度h0的取值：预应力框架的跨度一般都比较大，框架柱所受的弯矩也较大，所需配筋较多，且在梁柱节点处还要给预应力锚具留出位置，因此框架柱往往选用较粗的钢筋甚至要配双排钢筋。TBSA或PKPM的柱配筋计算程序内定的柱截面高度隐含值h0=h-35（或40），其计算出来的柱配筋会偏小，实际工作中要将柱内力取出后用手工方法进行配筋验算复核。
2预应力框架的结构布置及配筋构造：
2.1预应力框架的结构布置：
框架梁的截面高度h可采用（1/12～1/18）L，梁截面宽度b=（1/3～1/5）h，当截面仅配置一束预应力筋时b=250～300mm，当在同一截面高度配置二束预应力筋时b=300～400mm。
框架柱多为矩形截面，按轴压比小于0.6来确定截面尺寸。此外，柱宽尚应满足梁的预应力筋和柱纵筋的布置要求，在平面布置中柱子较长的一边宜垂直于梁的轴线方向。
2.2框架梁的配筋构造：
梁中普通钢筋的构造易被结构设计师忽略，预应力梁的截面配筋应注意：（1）梁中受拉区配置的纵向普通钢筋的最小截面面积As应必须有足够保障。纵向非预应力筋应均匀分布在梁的受拉区并靠近受拉边缘，其直径不应小于14mm，长度应符合钢筋锚固长度的要求；（2）梁箍筋直径不宜过细，一般取10～16mm，间距100～200mm。（3）由于温度应力和不均匀沉降的影响，即使在预应力张拉完成后，也会出现若干条沿梁长方向均匀分布的较细的垂直裂缝，为防止这种裂缝的出现，梁两侧宜放置直径为10～16mm的普通钢筋，间距控制在100～150mm，长度应符合钢筋锚固长度的要求。
2.3框架柱的配筋构造：
框架柱配筋应注意：（1）在排列柱纵向钢筋时须首先考虑预应力锚具的布置；（2）柱纵向钢筋应尽量选用较粗的直径以减少钢筋的根数便于施工。当选用直径在28mm以上的钢筋时，应在设计中特别注明要采用机械连接。
2.4框架节点的配筋构造：
预应力框架边柱节点构造与普通框架不同：（1）为避免与预应力锚具和局部承压钢筋网片发生矛盾，梁顶纵筋伸至柱边后应向上弯折；（2）框架柱宜伸出屋面与女儿墙同高，便于梁顶纵筋和柱纵筋的锚固。
结语：上述是对预应力框架设计的粗浅体会，在今后的工作中将继续学习不断探索，以提高设计水平。
参考文献
[1]GB50010-2002，混凝土结构设计规范[S].
[2]宋玉普.预应力混凝土建筑结构[M].北京：机械工业出版社，2007.