预拉力柱技术在某大悬挑结构中的应用

李学平 刘富君

（同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海200092）

0 引 言

当今社会，随着科技与经济的飞速发展、各种新技术与新材料的不断出现，人们对建筑物的要求越来越高，利用建筑物的外观来表达人类的艺术思想成了判断建筑设计水平高低的重要标准。这必然给结构设计工程师们提出了许多新的问题，对新材料及新结构形式的科学应用提出了更高的要求，以满足建筑师们的奇思妙想。在这些标新立异建筑中，大悬挑结构经常被采用［1-2］。

普通大悬挑结构的设计与施工［3］已比较成熟，基本可以通过加大悬挑构件（悬挑梁、悬挑桁架等）的矢高及减轻结构的自重等方法解决。但也有一些特殊的悬挑结构，由于建筑本身的一些特点而不能采用传统的方法来解决。如本工程建筑的一个最大的特点就是结构的悬挑平衡端（压重端）的压重相对不足，从而导致传递悬挑荷载所形成弯矩的受拉构件的拉力过大，加大了这些构件的设计难度。本工程通过采用预拉力柱技术，很好地解决了这个问题，使集中在少数构件的拉力较均匀地分配到更多的构件上，减小了受拉构件的设计难度。

本文结合某大学生活动中心的设计，通过预拉力柱技术较好地解决了压重不足类悬挑结构设计中的一系列难点问题。

1 工程概况

本工程为天津某大学大学生活动中心的一个单元。该活动中心根据功能绕中心庭院划分为1#～6#建筑单元，并通过设置抗震缝将建筑划分为多个结构单体。本工程是5#建筑单元（剧院结构），建筑面积1 900 m2，宽33.6 m，长57.7 m，地上1层，高16.00 m。建筑效果图、平面图及结构三维模型图分别见图1-3。

本工程抗震设防烈度为8 度，设计基本地震加速度为0.2g。设计地震分组为第二组。建筑场地类别为Ⅳ类，场地特征周期 0.75 s［3］。

图1 本工程效果图Fig.1 Design sketch of the project

图2 一层结构平面示意图Fig.2 The arrangement of first plane

图3 结构三维模型图Fig.3 The structure 3D model diagram

2 预拉力柱结构方案分析

2.1 设计采用的结构方案

2.1.1 结构重力方案

根据剧院的建筑布置，沿剧院两侧的墙体（图2，B轴、F轴）设置了两榀主要悬挑桁架桁，其上弦杆兼作屋面梁、下弦杆则沿观众席的斜板边缘设置，形成了变高度的悬挑桁架见图4（B 轴、F 轴处的结构布置图）。在桁架的平衡端（图4、6-9 轴）设置了平衡桁架，且在平衡桁架接近尾端（图4、8轴处柱A）施加了向下的预拉力，以发挥基础结构及桩基的平衡作用。为降低观众席重力传至悬挑桁架的比例，一层观众席下设置了三榀变截面梁，其下端延伸锚入地下室纵向墙体，另一端搁置于横向封口桁架，以将观众席的大部分荷载提前传至基础，见图5（图2 中的1-1 剖面图）。标高16 m 处的屋面结构采用主、次钢梁+钢筋桁架板型式。横向主钢梁跨度26.8 m 且两端悬挑，纵向次梁跨度7 m，钢筋桁架板厚120 mm。

2.1.2 抗侧力方案

纵向沿 B 轴、F 轴在 4-6 轴范围内，设置了宽14 m 的钢支撑框架以承担纵向地震作用；此外，该钢支撑框架还可以平衡悬挑桁架引起的部分弯矩，见图4。横向除在9 轴布置了混凝土剪力墙外，在2 轴观众席后墙位置布置了钢桁架（兼作悬挑桁架的封口桁架），将屋面的地震作用传递到观众席楼板，再通过观众席楼板传递至基础。

图4 B轴、F轴处的结构布置图（桁架A）Fig.4 Structural layout between B and F axis（truss A）

2.2 设计方案分析

本工程结构特点：①悬挑跨度大（23 m），且悬挑段的荷载大，观众席及后部放映室等均位于悬挑区域上。②非悬挑段的荷载较小，相对悬挑段表现为压重不足。因为此单元为剧院结构，中间为大空间，只有部分屋面及B 轴和F 轴的部分建筑隔墙及结构构件提供压重。

图5 图2中的1-1剖面图Fig.5 1-1 profile in Figure 2

根据结构特点及建筑布置要求，较合理的结构方案为框架剪力墙（图6）及框架支撑（图7）。分析可得如下结论：①框架剪力墙结构及框架支撑结构，6轴处柱子（柱C）都会产生较大的拉力，4轴处柱子（柱D）都会产生较大的压力；②若在8轴施加预拉力，即结构采用预拉力柱技术，6 轴处柱子的拉力及4 轴处柱子的压力都会显著减小，因为通过预拉力柱，原集中于柱C 的拉力较好地分布在了柱 A、柱 B 及柱 C 上，见图 8 及图 9；③框架支撑结构更有利于预拉力柱效果的发挥，因为框架支撑结构相对于框架剪力墙结构的刚度较低，可以发挥平衡端的平衡作用，而不至于让悬挑端形成的弯矩过多地集中于刚度较大的剪力墙上，见图10。

图6 框架剪力墙方案模型图Fig.6 Frame shear wall scheme model diagram

图7 框架支撑方案模型图Fig.7 Framework support program model diagram

图8 框架支撑方案，柱在恒荷载工况下轴力对比图Fig.8 The axial force comparison of the column under the condition of constant load for frame support scheme

图9 框架剪力墙方案，柱在恒荷载工况下轴力对比图Fig.9 The axial force comparison of column under constant load condition for frame shear wall scheme

图10 框架剪力墙方案与框架支撑方案柱在恒+活荷载下轴力对比图Fig.10 The axial force comparison of column under condition for frame shear wall scheme

3 设计方法

3.1 结构整体分析方法

采用预拉力柱技术的结构涉及结构的施工顺序问题及预拉力柱预拉力的后施加问题，采用的施工模拟分析方法应符合结构的实际施工过程。本工程采用Etabs 软件对结构进行了施工模拟分析。

采用Etabs 软件可以将结构分成不同的阶段进行分析，并且在不同阶段上施加相应的荷载。本工程分为两个阶段，如图11 所示为结构施工模拟分析第一阶段模型图，6轴与9轴之间的柱及部分斜撑未设置（是预拉力柱、后施工柱及斜撑），c处的支座为只约束Z向位移的支座与缝单元的串联支座，模拟施工过程的脚手架；a、b 对应于设置预拉力柱的位置各施加1 500 kN 的拉力，模拟预拉力柱的预拉力，模型其他部分只施加主体结构的自重荷载。如图12所示为结构施工模拟分析第二阶段模型图，去掉c处支座，补全预拉力柱、后施工柱及后施工支撑，并施加其余恒载及活荷载。

图11 结构施工模拟分析第一阶段模型图Fig.11 Structure construction simulation and analysis of the first stage

图12 结构施工模拟分析第二阶段模型图Fig.12 Structure construction simulation and analysis of the second stage

3.2 关键构件设计要点

3.2.1 预拉力柱预拉力的确定

预拉力柱设计的关键是预拉力值的确定，其确定原则如下：在正常使用工况下，受拉柱（包括预拉力柱）的拉力值相对接近。如此较均匀分配结构的拉力，可最大限度降低结构构件的设计难度。按如上原则确定的本工程预拉力柱的预拉力值为1 500 kN，分析结果见表1。

3.2.2 悬挑桁架杆件设计

悬挑桁架设计时，不考虑与其上弦杆相连的混凝土板的作用，即分析时将此处的混凝土板的刚度设为0。不考虑混凝土板的受拉作用更符合结构的实际受力性能，也相对保守。

表1 在恒+活荷载工况下，预拉力值为1 500 kN时柱轴力表Table 1 Axial force of column with 1 500 kN pretension under dead and live load condition

3.2.3 基础设计

由本工程的结构特点（6 轴大拉力，4 轴大压力）可以看出，结构基础容易出现较大的不均匀沉降，针对此问题本工程采取了如下措施：①加大了4轴处柱底承台的桩长，为28 m（其他为25 m）；②正负零之下，各柱间设置混凝土墙（墙高2.5 m）加强结构的整体性；③6-9 轴间的基础连梁设置翼缘（600 mm宽），增加受拉柱柱底的压重。

4 施工技术措施

本工程的预拉力柱技术需要在结构主体施工结束一定时间后对8 轴的钢柱进行预张拉，故张拉前7轴和8轴的柱子应处于断开的状态；为保证结构体系施工时的稳定，此两处柱子采取先整根施工，然后施加预拉力前进行切割、施加预拉力后焊接的方式施工。具体过程如下：

本工程共有4 根柱需要切割。钢柱编号于8～B（以下简称 8-B）轴线和8～F（8-F）轴线以及7～B（7-B）轴线和7～F（7-F）轴线。卸载顺序依次为7-F、7-B、8-F、8-B，如图13所示。

卸载时的安全保证方案如下：

（1）支撑系统：利用等肢角钢200×24 mm 对称布置在型钢柱腹板空腔的肋板上，其上放置1 mm厚钢片30 层，利用角钢支撑与千斤顶支撑交替受力，并逐层抽取钢片，以达到缓慢稳定卸载的目的。

（2）卸载系统：将螺旋千斤顶（50 t）（螺旋卸载不会突然将力卸掉，保证安全）对称放置于焊接好的牛腿平台上，见图14、图15，其上部放置钢管（D219×16 mm）以保证将节点上部荷载传至千斤顶。同时为保证两个千斤顶的同步卸载，将其转动手柄通过连杆焊接到一起。

图13 钢柱切割顺序图Fig.13 Cutting sequence diagram of steel column

图14 柱8-F、柱8-B切割卸载节点图Fig.14 Column 8-B，8-F cutting and unloading node

图15 -柱7-F、柱7-B切割卸载节点图Fig.15 Column 7-B，7-F cutting and unloading node

（3）侧向稳定系统：在8 轴10 m 标高处有两根斜梁，用来保证柱子的平面外稳定。此外将原来的翼缘连接夹板变为长圆孔连接，在不影响竖向位移的同时，对柱子的水平位移进行有效约束。

预拉力施加前与预拉力柱相连的非桁架A的构件先处于铰接状态，或先不安装或预留后浇带，待预拉力是施加后再刚接或安装或浇筑；砌筑的砌体墙先与其顶部构件预留缝隙，待预拉力施加后再砌筑。如此可保证预拉力柱实际连接情况与计算假定相符。

5 结论及建议

通过对压重相对不足大悬挑结构中预拉力柱技术的设计应用，可以得到以下结论：

（1）预拉力柱技术效果显著。它可以有效地改善大悬挑结构的受力性能，在压重不足的情况下，效果更佳。

（2）采用预拉力柱技术结构的施工过程分析是此种结构分析设计的重点及难点之一，应全面考虑各种问题，使结构分析模型与结构实际受力性能相符；且应注明较详细的施工过程要点，并在施工交底时分析清楚明白，确保施工方全面理解设计意图，指导施工。

（3）预拉力柱技术的实现需要全面且行之有效的技术措施。本技术的实现不只是传统的结构最终状态的设计问题，而是全过程设计，要考虑与其实现相关联的各方面问题。