浅析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
中图分类号：tu528.571文献标识码： a 文章编号：
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[1]，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[2]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
c40，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[2][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[2][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：
[1]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.
[2]gb-50010-2002.混凝土结构设计规范[m].北京：中国建筑工业出版社，2002.
[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.。