浅析建筑结构的框架结构设计中预应力技术的运用

陈锐

（安徽省建筑设计研究总院股份有限公司， 安徽 合肥 230000）

在近几十年建筑工程中建筑、 结构等相关专业通过对预应力技术的研究和工程上的实践， 我国的预应力混凝土技术得到了快速的发展。 通过在众多工程上的技术实践， 证实了预应力技术在逐渐改善的同时对增强结构构件的力学性能、 提高耐久性和减轻结构重量等方面具有显著的优势。 预应力技术的应用增加了建筑的跨度和空间， 能够有效的降低梁的高度和楼板厚度， 同时具备降低工程造价、 满足质量、 安全、 建筑风格或造型等需求。 因此， 预应力技术逐渐成为建筑工程中不可缺少的元素， 被广泛应用于各种建筑、桥梁、 道路和城市轨道交通等诸多领域。 预应力技术渐渐的发展成为一种先进的结构形式， 他在我国建筑工程中的应用数量和范围已成为衡量建筑技术水平的一个标准。

1 预应力技术概述及常见构件

在当今建筑工程框架结构设计中， 预应力技术可看做是在结构构件承受外荷载之前， 对张拉模板内的钢筋施加一定的预压应力。 这种预压力技术可以提高构件的刚度、 韧性， 有效的推迟结构构件在受力状态下的裂缝开展时间， 提高混凝土的使用寿命和在荷载作用下的耐久性。 20 世纪90 年代以来， 我国建筑结构中的钢材消耗量逐渐增大， 钢筋混凝土结构的的技术应用也迅速发展。 随着建筑形态和结构功能的多样化和复杂化， 建筑结构设计出现了许多新的问题和难点。 目前， 预应力技术的应用方法主要分为后张法和先张法。 先张法技术的操作方式为先对钢筋进行张拉预应力施工然后在对模板中浇筑混凝土。 后张法技术为先在模板中进行混凝土的浇筑， 后张拉钢筋施加预应力的方式。 两者的施工工艺、 所需的工具及适用范围也有一定的差异。 后张法的施工流程， 如图1 所示。

图1 后张法施工流程示意图

预应力技术在当前建筑工程中的应用越来越广泛， 针对不同的结构体系应该采用不同的设计方案。当前建筑结构常用的预应力技术主要有预应力平板结构技术、 转换层结构技术、 梁大板框架技术等技术措施。 1) 预应力平板结构: 在钢筋混凝土板结构中，其施工过程中， 往往都是对柱结构和隔墙框架结构之间布置一道次梁， 这种结构设计体系会导致建筑内部的梁交错复杂， 会对建筑结构的完整性和美观性有一定影响， 也会出现室内装修难度大的现象。 通过采用预应力板结构， 可以有效避免这种工作缺陷， 结构设计中可以在楼板周围设置特定的边梁结构， 局部部分设置一些隔墙， 同时可以取消其他室内的部分外露梁。 应用这类技术的结构设计， 可以在改善楼板受力性能的同时， 提高室内的美观性能； 2) 转换层结构:近年来， 建设项目的功能与设计之间存在一定的矛盾， 需要大柱网、 大空间的办公区域功能的建筑项目与住宅的建筑结构设计存在一定的差异， 因此此类的建筑项目需要设置一定的预应力转换层结构， 在对转换层结构进行施加预应力， 使转换层结构中的梁本身与内部的预应力钢筋共同作用以平衡上部结构的荷载。 这样的设计可以使结构层受力明确， 建筑中得底部建筑可以得到大空间结构， 使其满足功能需求； 3)有梁大板结构: 带梁的大型板式结构是利用预应力混凝土技术在现浇楼板的结构柱网上布置框架梁， 这样可以在楼板结构上布置一定的隔墙结构。 这类的结构设计会使得柱网之间的间距较大， 因此在设计中节省了次梁的设计与布置要求， 减少了施工的麻烦。 可以有效避免结构内错综复杂的梁板结构， 具有建筑结构体系良好、 结构净高大、 对裂缝的抵抗性能好等优点。

2 建筑工程框架结构设计原则

框架结构设计原则: 1) 遵循弹性适中原则， 具有适当弹性的结构系统称为合理系统。 如果建筑构件的刚度太大， 变形性能会比较差。 在受到瞬间作用力的情况下， 更有可能造成局部损坏， 同时损坏会逐渐在建筑物内蔓延， 但是建筑物的结构也不宜过软。 因此， 建设结构刚度的大小程度仍然是设计人员所值得思考的问题； 2) 多道防线原则， 结构体系的安全等级是由设置了多少道防线来决定的。 在发生灾难时，所有结构构件共同工作， 以尽可能地保持建筑物的稳定性。 在这一点上， 将所有希望都寄托在一个特定的组件上是极其危险的。 用于土木工程结构的多肢墙结构的性能优于单体墙， 框架剪力墙的效果优于纯框架等。 因此结构设计人员可以在设计中采用多道防线的设计原则； 3) 疏通关节原则， 结构体系的整体结构应该是一体的， 这样可以使建筑对外力作用下所受到的荷载进行快速传递和减小。 因此， 结构设计人员在设计时应尽可能把构件中的关键部位打通， 使外部荷载在关键部位能够有快速传递的路径。 这样， 建筑的结构就形成了整体， 使其受外力的影响较小。 设计时要关注建筑物的外部荷载， 科学合理的进行计算，然后增强建筑物的结构受力性能， 防止建筑物因外力而损坏4) 抓住主要问题原则， 框架结构中强柱弱梁、强剪弱弯现象是建筑结构设计中的重要概念。 简而言之， 整个结构由不同的组件组成， 每个组件都有不同的作用， 并根据其重要性分为不同的类别。 在突然发生破坏力的情况下， 各个部件协同工作以抵抗外力的破坏。 必须牺牲次要组件以防止关键组件的破坏或最大限度地减少对建筑物的损坏。 在一般的框架结构设计中， 柱子发挥的作用一般比梁的作用要大， 所以柱子不能先被外力所破坏。 为了保证柱子在最后关节被破坏， 梁被设计成较弱的环节使之先破坏， 这样的话可以减少损失。

3 预应力技术在建筑结构设计中的重要性

3.1 设计原则

应用预应力技术时必须遵守一定的设计原则。 1)在结构抗震计算时， 需要将结构的柔性、 刚性、 刚柔性度等理论与楼层和布局的实际需要相结合进行设计工作； 2) 在设计建筑物的框架结构时， 应该首要采用双向梁柱结构体系。 在特定设计中， 设计人员可以在框架梁之间设置一些提升结构稳定性的结构体系和框架梁体系， 以满足复杂结构的整体稳定性要求； 3)采用预应力技术应该考虑其是否可以有效降低工程的造价成本； 4) 随着建筑基础设施数量和规模的不断扩大， 建筑结构设计对安全的要求越来越高， 因此设计人员在运用预应力技术时， 需要遵循安全、 科学的设计原则。

3.2 施工准备工作

为充分发挥预应力技术在建筑结构设计中的作用和优势， 必须在框架结构施工的准备阶段切实有效地做好各项工作。 1) 钢筋的规格、 型号、 质量存在较大差异， 这对框架结构设计和结构的影响也不同。 严格把控钢筋材料的性能和规格， 合理选择工程最适用的钢筋型号， 按钢筋要求的施工顺序进行施工作； 2)也要把控钢筋焊接过程中的工作质量。 不同的钢筋直径和尺寸， 需要不同的焊接工艺。 因此在施工过程中， 需要根据钢筋直径分析具体情况， 选择最佳焊接方案； 3) 在钢筋框架固定过程中， 要选择合适的成型模具， 避免出现偏移。 框架固定施工完成时， 需要组织专家和技术人员检查和验收， 并在检查过程中严格遵守规范要求， 及时发现该过程中的质量问题， 实施整改方案以满足设计标准和要求。

3.3 预应力大小的选择

预应力大小的设定在一定程度上决定了预应力建筑结构侯建的正常使用和承载能力， 也影响着工程的造价， 对建筑结构来说是多方面考虑的设计优化因素。 在我国的相关规范中， 关于预应力大小的取值的规定是基于全国范围内的一般情况， 取值和要求相对比较严格， 但在实际项目中， 设计师可以根据工程的实际情况来决定混凝土结构的预应力大小。

预应力混凝土结构的预应力大小和混凝土本身的抗裂性共同决定了结构的抗裂性， 但由于混凝土本身的抗裂性差的特点， 所以预应力的大小决定了预应力混凝土结构的抗裂性。 如果预应力太小， 结构的抗裂性会降低。 同时， 如果预应力过小， 意味着预应力钢筋不足， 将无法获得预应力结构的效果， 而且预应力结构从施工到张拉的施工过程繁琐并且要求高。 但过大的预应力会导致结构出现过度反拱的现象， 最终影响建筑物结构构件的正常使用， 特别是在对结构要求更高的的建筑物中， 其影响更大。 预应力的设置过大意味着预应力钢筋设置较多， 其结构的造价会有所增加。 预应力的大小与截面形状、 构件荷载等因素有关。 根据有关资料， 对于住宅建筑结构中， 预应力选择标准要求结构构件基本上没有无挠度。 规范上要求的预应力度要小于0.75。 但是在设计时通常的的取值范围通常是0.6 到0.75。 因此， 这设计过程中， 通常对永久荷载或者活荷载出现比较频繁的地方， 预应力度只要求梁边不产生或产生很小的弯曲拉应力。 在此基础上同时考虑结构的安全和经济性即可。

4 预应力技术在建筑结构设计中的应用分析

4.1 预应力混凝土结构方案的选择

在预应力工程中应该首先对预应力混凝土施工方案进行对比选择， 可以先从建筑结构的柱网尺寸进行研究。 1) 如果框架结构柱子间距跨度小， 连续跨度大， 可以采用宽梁结构体系和梁高小的结构进行设计。 如果在实际工程地质环境复杂的情况下， 同时存在连续张拉跨度较多时， 需要将连续跨度控制在4 跨范围内； 2) 在连续跨设计中， 可以设计为短跨的设计方式， 将短跨位置分开， 并可以在一定的范围内设置相应的后浇带。 当建筑结构的跨度大于18m时， 梁的弯矩增加， 支撑的钢筋数量也增加。 为充分满足抗弯抗剪要求， 需适当设置抗裂预应力。 适当增加加强筋的数量， 采用加腋的结构形式， 保证预应力加强筋在受力时保持平缓的应力变化曲线， 有效降低在实际工况下钢筋预应力损失。

4.2 地基基础结构的设计应用

建筑工程结构的安全性和稳定性是依靠稳定的下部结构地基作为支撑。 设计人员在设计时需要考虑地基承载力、 地质环境等因素， 并做到持续优化项目基础结构的设计。 1) 根据土建工程有关地基规范要求的标准， 制定符合土建工程需要的设计方案。 结构设计人员需要详细分析总结现场的具体施工条件和土质， 结合土建设计方案， 确定复核施工要求的后浇带施工方案。 混凝土结构的变形和不均匀沉降， 都会导致建筑下部基础产生一定的裂缝现象。 通过积极利用后浇带的处理方法， 可以有效减少裂缝的发生； 2)为防止混凝土因温度变化而开裂， 设计者采用后浇带法作为主要结构设计形式之一。 对于不能成功操作后浇带的部位， 结构设计人员应充分结合施工现场的条件， 明确后浇带本身的截面形状， 并结合施工现场不同的水位、 条件设置相应的防水板， 达到工程建设的目标。

4.3 工程结构局部设计

设计人员应考虑建筑结构内部设计的功能性和层次性， 从整体结构控制要求出发， 优化项目结构的内部环节， 同时从细节入手， 逐渐构建完善的安装体系。 整体设计与局部优化同步设计工作， 构建综合工程结构体系， 进一步提高工程结构的安全性， 避免资源浪费， 对工程结构进行内部调整和统筹优化。 设计人员需要结合施工现场需求， 适当选用几何结构形式， 提高工程质量和整体设计水平。

4.4 预应力度与抗裂控制

预应力混凝土结构在施工构件过程中需要经历较长的是时间养护， 需要保证从注浆到张拉各个环节的施工效果。 因此， 设计者需要综合考虑这一时期可能出现的不利因素。 包括去除钢筋混凝土次梁和板支撑、 混凝土收缩， 以确保施工过程中的有效性。 通常情况下， 预拌混凝土在进行现场施工时， 在预应力钢筋张拉施工完成之前可能会出现较大的裂缝， 最高可达0.3mm。 由于这些钢筋本身受力较大， 张拉产生的裂缝一般情况下不会自动闭合， 由于裂缝的存在可能直接影响建筑框架结构构件的耐久性。 因此， 在设计阶段需要考虑到钢筋自身的性能属性， 结合施工造成的沉降等负面影响， 选择合适的钢筋型号和配筋量。

综上所述， 我们可以看出预应力结构具有以下优点: 1) 有效的减小地下室的深度和基坑的开挖深度。对于有地下室的大型、 高层建筑， 地下室常被用作车库或开发商业区， 在这类建筑中的底板和顶板都可以采用预应力楼板。 对楼层高度要求较高的区域， 如配电房、 发电机房等， 在对底板的设置中可以进行局部的向下开挖， 以满足设备高度要求。 这样设计的地下室结构的层高会降低， 底板受到的水压力也会降低，减少基坑的开挖深度， 外墙混凝土用量也会减少， 在此基础上可以降低一定的成本； 2) 对结构内部的使用功能来说可以得到一定的改善， 业主可以根据自己的爱好， 对结构内部空间进行合理的布置。 预应力楼板非常适合不断变化的功能需求， 隔墙可以放置在任何位置， 为用户提供最大的自由发挥的空间， 并大大提高了房屋的的使用功能和等级； 3) 抗裂性能较好，在预应力混凝土结构中， 预应力钢筋可以产生向上的等效荷载， 同时在楼板上产生一定的轴向压力， 增加楼板刚度， 显著降低挠度， 显著提高抗裂性。

5 结语

建筑物的框架结构设计是一项全面而又系统的工作。 在项目结构设计阶段中， 设计人员不仅要拥有综合丰富的设计理论功底， 还需要充分发挥主观能动性和创造性思维， 将框架结构的设计与实际的施工工程结构有效结合， 确保最终设计的项目结构质量满足要求。

预应力技术在建筑结构设计中的实际应用， 可以有效地提高整体建筑结构的稳定性和科学性， 提升建筑工程的质量和施工单位的施工水平。 特别在大型建筑物的结构设计中， 结构复杂、 设计难度大。 为了保证工程结构的整体设计有效性， 充分利用预应力技术， 需要对局部有全面的了解。 预应力技术整体优化与结构局部优化之间的关系， 持续优化使结构更符合工程设计需要。 目前， 预应力技术在建筑框架结构中的应用是结构设计和现场施工的重要应用形式， 设计方案本身的质量是影响建筑结构安全和质量的重要基础。 因此， 在设计过程中如何提升设计的质量需要更多的设计人员去为之思考。