探究大跨度预应力混凝土结构设计

张永军 叶稀炜

【摘要】预应力混凝土在高层建筑结构中的应用有很大的发展空间，如无粘结预应力混凝土平板具有降低建筑物层高，节约原材料，简化施工模板，加快施工进度等显著优势。文章对大跨度预应力混凝土结构设计中的若干要点问题进行了论述。

【关键词】大跨度；预应力；混凝土结构；结构设计；大型建筑

1、预应力筋的合理布置

当下我国建筑施工中较为常用的预应力钢筋种类如下：

（1）热处理钢筋，这种钢筋通常具有较高的强度，且松弛较小，同时在进行材料运输时都是以盘式储存并供应，免掉了整直及对焊等工艺，用起来十分方便；

（2）去除应力钢丝，这种钢筋应用于具体的施工时，使用也很方便，且有多种形式可以选择，如光面钢丝、刻痕钢丝等；

（3）钢绞线，此种钢筋通常会由具有较高强度的钢丝绞制而成，通常为三股或七股直径不同的钢丝，这种钢筋形式在使用时十分方便，且能够较好地黏附于混凝土中。

钢筋布置方案是大跨度预应力混凝土结构设计的重点，其布置方式有多种，最常用的是在跨中板带中占1/3左右，另外2/3钢筋布置在柱上板带中。这种布筋方案对普通钢筋的设计来说，不仅能确保板受力合理，同时也最省原材料。但在设计板跨相差超过20%及以上的多跨连续板时，设计采用长跨方向集中布筋，跨中板带布1/3左右或均匀布置，短跨方向柱上板带布2/3的布置方案更节省原材料，同时也能够达到较好的载荷承载能力。实际设计过程中也应根据边跨板的受力特点，更多考虑采用二段抛物线或三段抛物线形式布置。

在具体的施工中应注意以下环节的操作：

（1）预应力筋的铺放顺序及位置，必须正确处理好钢筋铺放顺序与管道敷设、钢筋铺放顺序与钢筋绑扎顺序之间的关系。铺放时，应尽量减少交叉穿束，严格按设计图纸中要求的细部构造执行，布置并固定好承压板及梁端钢筋网片等；

（2）必须保证钢筋的保护层厚度；

（3）应在上、下层钢筋间设置专门保证矢高的措施，注意防止钢绞线的互相缠绕，以保证预应力筋的矢高；

（4）钢绞线每隔一定距离（约500mm）应进行固定，以防止浇捣混凝土时变位；

（5）当钢绞线与预埋管路系统发生矛盾时，应以钢绞线优先。

2、抗震性能设计

不论是何种建筑，其本身都要具有一定的抗震性，而在全球的混凝土结构工程研究界中，都十分重视预应力混凝土结构的抗震问题，而大跨度预应力混凝土结构多是用于一些大型的公共建筑之中，在其建成使用后多为人员密集型环境，如果相应的大跨度预应力混凝土结构没有达到一定的抗震等级，那么一旦发生地震等自然灾害就会造成大量的人身及财产损失，因此在进行大跨度预应力混凝土结构设计时，尤其要注重抗震性能设计。目前国际混凝土结构研究领域都十分关注预应力混凝土结构的抗震问题。经过大量的研究后得出，这种大跨度预应力混凝土结构是可以在地震区使用的，但其与一般的钢筋混凝土结构一样都要进行相应的抗震设计及施工。

3、连续构件设计

对大量的工程建筑实践案例进行详细的分析后，得出在大跨度预应力混凝土结构设计中采用单跨预应力梁截面延伸的方式，可以有效地实现连续结构，进而完成连续结构件的设计。这种设计方式具有很多的优点，特别是在多跨结构超载、内力重力分布能力较强时，能够有效提高弯承载能力。此外，一束预应力筋能够用于正弯及负弯两种弯矩筋，这种形式相应地降低了支座处附加弯矩对柱的有害影响，且其受力情况更趋于合理性。当有预应力施于大梁时，就会使大梁较易发生附加弯矩并弯形，这时可对大梁使用多跨连续布置，多排柱共同工作可相应地削弱这预应力。

4、防火设计

在进行建筑设计时，很多情况下都会忽略到钢筋混凝土的防火性能，因为钢筋混凝土本身并不可燃，即可忽略其防火设计，但事实上并不是这样，钢筋混凝土虽然自身不易燃，但它的防火隔热性能非常差，当温度过高并达到钢筋强度临界点时，预应力钢筋就会出现屈服点下滑的现象，使得其相变及蠕变加快，进而造成预应力板强度和刚度都急剧下降，并出现结构裂缝，使其丧失了原有的结构功能，同时，处于高温环境下的混凝土也会发生挠度变化的情况，同样造成了结构失稳，如果达到一定的温度和时间，那么这种大跨度预应力混凝土结构就会表现出明显的不稳定状态，甚至发生坍塌等危险事故。因此在进行大跨度预应力混凝土结构设计时，应特别注意所设计的结构要符合国家的设计防火相关规范及规定内容，如《建筑设计防火规范》等。

5、工程实例

5. 1 工程概况

某综合楼工程地下室2 层，地上15 层，总建筑面积约31 000 m2。本工程主体结构设计采用无粘结预应力钢筋混凝土板—柱结构，主体部分柱网布置8 m×8 m，地下室底板采用无粘结预应力混凝土板结构，其中长72 m×48 m。

5. 2 结构设计方案及特点

本工程在结构设计上全部采用后张部分预应力混凝土结构。

目前，现浇预应力混凝土结构最常用的施工技术为后张法，后张法预应力混凝土结构施工分为有粘结法及无粘结法两种。有粘结法通过灌浆实现有粘结，有粘结筋的最大应力出现在最大弯矩截面處，破坏时临界截面有粘结筋的应力非常接近钢筋的极限强度。有粘结预应力混凝土结构具有极限强度高、抗震性能好，通常应用于框架梁。无粘结法靠端锚建立预应力，无粘结筋的应力沿全长呈均匀布置，当构件遭到外力破坏时，无粘结筋的应力仍低于条件屈服点。由于无粘结筋的应力沿长度均匀布置的特点，预应力钢筋的非弹性性能即构件的能量消散不能得到充分发挥。

本工程在框架梁的预应力度λ≤0. 7，设计中采用有粘结预应力混凝土结构。本工程次梁不需要抵抗地震力，次梁设计采用结构施工简单，适合数量多、吨位不大的次梁的无粘结预应力结构。在同一工程混凝土楼盖采用不同的预应力结构，可利用无粘结结构与有粘结结构的结构优势，不仅保证了工程质量，也降低了施工难度，有利于施工进度的推进。

本工程采用PKPM 计算软件，按照有关规范，预应力混凝土结构等级属于一级或二级。对于一级和二级的抗裂控制，主要是控制构件受拉边缘混凝土产生的拉应力。由于本工程梁跨度为18.7 m，普通梁跨高比为10～15，所以可知，普通梁高为1 240 mm～1 870 mm，可见梁高过大，不满足观众视线的要求。扁梁的宽高比为20～25。本工程扁梁的梁高可选用范围在748 mm～935 mm之间。可见，大大的降低了梁高，适合于本工程的特点。另外，预应力梁与柱子节点区便于布置抗冲切钢筋，抗冲切性能好，相对于板柱体系结构，其冲切破坏锥体的斜截面较大，在荷载较大的情况下，设置暗梁或横向加宽即可解决，而且，预应力扁梁结构抗剪承载力并不小于普通梁柱结构。

5. 3 预应力钢筋张拉及固定端的设计特点

对于框架梁及其固定端，其预应力框架张拉、固定端施工都在梁柱节点的区域范围内进行。在此区域内，由于设计的柱筋、梁筋、局压钢筋等各种钢筋交错布置，在施工时易出现以下问题：

1） 易使柱或梁中钢筋移位，从而降低整个构筑物结构的承载力。

2） 这个区域内的混凝土施工时难以浇捣密实，施工质量无法保证。为克服以上问题，本工程在设计时采取： a. 将预应力钢筋伸过节点区域，在梁中进行锚固与张拉。当预应力钢筋较多时，应采取分批分段进行张拉与锚固。同时在施工时应保证分批张拉的间距，不得小于1 000 mm，预留斜槽在张拉时需利用变角器进行张拉。此种方法缺点是对钢筋等原材料有一定的浪费，但对工程质量安全有保障。b. 设置专门的预应力筋张拉与锚固区，具体位置可设在梁、柱侧向或底部等位置，以加腋形式体现。此方法要求较高，须保证锚固区有足够大的混凝土面积以及足够多局压钢筋以防止钢筋混凝土结构开裂，而且会对结构的美观产生一定的负面影响。

3） 每层在浇灌柱混凝土时，由于在梁柱节点区柱边进行预应力钢筋张拉，柱顶应比相应楼板层高出300 mm 左右，以节约梁预应力钢筋张拉时间，从而不影响梁拆模。此种方法对施工方要求较高，需各施工方密切配合。

结语

综上所述，虽然该结构具有诸多优点，但也要借助于具有高施工技术水平的施工队伍才能达到最终的建筑要求，因此，施工单位要积极并严格地依照各项技术指标及操作规范进行施工，在工程实践中不断改进原有的施工技术，加大对工程施工的管理，避免质量及安全事故的发生，达到提高施工质量的最终目的。

参考文献

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