建筑结构设计实践及预应力技术应用研究

王红艳

（中咨海外咨询有限公司，北京100048）

1 引言

本文对本人近十年做的主要建筑结构设计项目进行总结与拓展，包括对工程的概述，对结构设计参数及结果的判定，难点总结，工程的注意事项等。

2 内蒙二连市宾利国际商务会馆的框剪结构

2.1 项目概况

内蒙二连市宾利国际商务会馆,建设地点为二连市西部。本建筑物主楼地下一层，地上十一层，结构型式采用框架-剪力墙结构，基础型式为带肋梁的筏板基础，裙房地上三层，基础采用独立柱基础。建筑功能为餐饮、休闲游泳、酒店住宿。建筑面积约2×104m2。本次设计使用的软件为中国建筑科学研究院PKPM系列设计软件。

2.2 结构设计参数及设计过程

第一，从甲方提供的地勘中查得跟结构建模有关的参数。设防烈度：6度；设计地震第一组；设计基本地震加速度值为0.05g，场地土类别：一类。基本风压：0.65kN/m2。按抗震规范查得剪力墙抗震等级为三级，框架抗震等级为四级。第二，将剪力墙主要布置在结构的四角及楼电梯间位置。双向布置剪力墙，形成双向抗侧力体系。第三，按相应的建筑材料导算楼面荷载、梁上线荷载。按相应的板跨、梁跨估算板厚及梁高，确定裙房以下板厚为110mm，裙房以上主体板厚110mm，梁截面为350mm×600mm，局部板跨梁跨大者予以加大。第四，对材料的选择：梁柱纵筋采用三级钢，梁板的混凝土等级采用C30；对柱混凝土强度的等级则涉及几方面的考虑（轴压比，裙房楼层采用强度相对较低的砼），裙房的柱砼强度等级定为C30（在软件特殊构件里指定），因裙房有些柱和裙房墙体连在一起，施工不宜分开，裙房墙体采用C40，故墙体相连的柱砼等级也采用C40。输入梁板柱进行整体试算。

初次算的结构的基本参数控制刚度周期位移满足规范要求[1]，裙房个别节点Y向位移比大于1.5需调整，根据此节点的位置及整体的刚度布置，最后在裙房增加了一道南北向的外墙，位移比才满足了要求。随后又对各层墙体厚度进行了分段：地下外墙300mm厚，其它墙体地下部分到三层250mm厚，四层及以上采用200mm厚，裙房部分的弧墙因其受力的复杂性厚度均采用250mm，其他个别需要调整的地方予以加大。在计算过程中，有的参数需要优化，有些暗柱配筋偏大，通过反复试算，将底部加强区墙体的配筋率增大为0.6，墙体和暗柱的配筋比较均匀，配筋合适。

2.3 本工程主要设计点与难点处理

结构和建筑专业的配合关系尤为重要。本项工程有三个点和建筑的配合关系较为典型，在此略作小结。一是游泳池的设计。游泳池设在裙房范围内首层，为托设游泳池及放置设备管道设置了夹层。二是裙房弧形结构和建筑弧形外墙的配合。根据外圈柱的布置设置一定数量的弧梁，当设置弧梁不能较好地锚进柱时采用直梁外挑弧形板，使结构和建筑外立面较好地融合。三是顶层大会议室井字梁的设计。根据建筑功能的要求全楼需设置一个多功能厅，因多功能厅为大空间需要较高的层高且需要拔柱，最后协议设置在顶层。多功能厅范围拔掉两棵柱，采用井字梁的楼面布置，严格按井字梁的协同作用，双向梁高截面一致。

为解决沉降及伸缩问题，裙房和主体设置沉降缝，东西向带裙房层结构长度超过50m，与主楼设置的沉降缝兼做伸缩缝。

3 包头恒大帝景小区

3.1 项目概况

包头恒大帝景小区的部分住宅，设计时间：2013年。下面仅以4#楼为例进行总结归纳。住宅单体为地上28层，地下2层。建筑面积约3×104m2。结构体系为剪力墙结构，基础形式为钢筋砼平板式筏基。建筑分三个单元，结构分三个塔，以一个塔为计算单元进行计算。计划施工图含钢量控制在50KN/m2。

3.2 结构设计参数及设计过程

首先，将建筑提供的平面及立面所限制的梁高输入模型，墙体大致分三段：地下～4 层，5～20 层，21～28 层，初次输入较长墙肢长度，粗算查看各结果参数的情况。初算下来Y向刚度冗余较大，X向刚度比规范要求1000小。随后缩短了Y向墙肢的长度，使Y向刚度接近1200，X向因建筑门窗宽度的需要墙肢不宜拉长，墙体宽度的调整对结构刚度的贡献也有限，貌似难以找到调整的突破口。后经仔细观察结构立面，发现有部分窗台做了垂直的返台，结构可以利用这部分返台做成梁，使刚度增加。算下来增高的连梁两边墙垛轴压比和抗震计算都满足要求。这样调下来使两个方向的刚度满足了规范要求，周期以平动为主，周期比在0.59，抗扭刚度较好，位移满足规范要求，整体刚度较合适，经济性也较好。

此次设计刚度的优化及平面布置的均匀对称对含钢量控制起到了至关重要的作用。基础采用有限元计算，合理地选择参数对计算结果也有相当的影响，此次筏板计算指定了配筋率0.15%，点取了上部结构计算时传给基础刚度，同时采用新方法进行网格划分，使基础的配筋较为合理。筏板厚分别按1.2m和1.4m进行了试算，比较了配筋结果，最终选定1.4m厚配筋更为经济。

地下车库顶板采用现浇混凝土单向板肋梁楼盖，基础采用独立基础加250mm厚防水板。车库顶板的消防车荷载按相应的覆土厚度做了折减，使设计合理经济[2]。

3.3 本工程主要设计点与难点处理

地下车库外墙采用C30混凝土，龄期60天，有效地控制了外墙裂缝。同时车库伸缩后浇带距离适当缩短，车库顶板厚度用250mm，配筋适当加密，有效控制了车库顶板底板的裂缝。防水板下面设置100mm厚聚苯板，由此调节独立基础与防水板的沉降差。

对于防水板配筋的验算采用了倒楼盖模型，柱帽加slab复杂楼板。在PKPM复杂楼板计算模块下，按标准跨输入柱，然后布置虚梁，特殊构件里定义弹性板6，再执行相应的计算。查看结果输出文件，配筋三级钢10@200满足要求。

4 北京北纬路中学预应力技术的应用

项目位于北京市西城区北纬路46号。功能为教学楼，主体地上层数四层，主体高度17.100m。预应力区域属于南段，地下为风雨操场（仅一层和半层观众平台）。1/2交D～L，3交D～L轴采用预应力转换梁，5～7交D～L轴采用预应力框架梁。此次采用后张法有粘结预应力梁。主要参数设置：预应力筋抗拉强度标准值 (MPa)：1860；局部偏差对摩擦的影响系数：*0.0040；预应力筋与壁之间的摩擦系数：*0.12；张拉方式：两端张拉；张拉控制应力系数：0.75；张拉时混凝土强度与设计强度的比值：0.90；预应力筋混凝土保护层厚度(mm)：50；有无粘结：1；有效预应力系数：0.58；最大裂缝宽度限值：0.20。

此次应力束应用了一种线型，选用了二次抛物线型，本文认为应该做几种线型的组合来解决一根梁挠度和裂缝等各种问题，但是没有相应的参考实例和工程经验，对于组合量和分配系数没有查到依据，暂且没有对多种线型做进一步试算。张拉端节点如下图所示。

5 结语

结构设计是一门很严谨的学问，也是一个比较辛苦的工作。各个工程不尽相同，有自己的特点和设计的难点，因此，需要对规范熟悉并不断学习新的规范要求，对结构设计软件参数的设置理解透彻，对软件计算的原理和假定予以了解，才能做出正确合理的设计。此外还应关注本行业的发展动态，适时地采用新技术新材料，关注新的结构形式的出现，学习更多的结构软件加强对设计项目的多方核算，才能与时俱进，提升技术竞争力，创造出更多的时代精品。