大跨预应力混凝土楼盖结构选型研究

刘君鸿

(福建华景建筑设计院有限公司，福建 厦门 361001)

0 前 言

大跨预应力混凝土是指基于大跨度(跨度≥30 m)结构工程中，在混凝土结构上预先施加压力，从而在混凝土牵拉中抑制裂缝风险的一种混凝土材料。此类材料若运用在楼盖设计环节，能够满足建筑工程施工需求。

1 大跨预应力混凝土的优势及其基本要求

1.1 优 势

在大跨度工程项目中，考虑到跨度指标较大，故而为了保障工程建设质量，应充分借助预应力混凝土，消除裂缝风险，以免混凝土结构生成裂缝，增加返工维修损失。所谓的预应力混凝土是指在混凝土结构施工期间，以人为施加压力的方式，提前对混凝土结构给予一个压力，促使混凝土处于受压状态，这样可以与裂缝产生时形成的拉力予以抵消，便于混凝土结构能够适当延缓开裂速度。结合相关研究结果，预应力混凝土因其显著的应用优势，而被广泛运用在大跨度工程项目中。

1)大刚度且抗裂性能优良。混凝土结构中裂缝的生成伴随着拉力的出现。而预应力混凝土因其在尚未开裂前已经施加了压力，造成混凝土基于荷载作用保持力的均匀分布，既能延长使用年限，又能增强刚度，促使大跨度混凝土结构保持优良性能。其原理图见图1。

2)省材自重轻。预应力混凝土结构在施工设计期间，它所使用的材料无论从数量还是结构尺寸设计结果上，都体现出了节约特性。而且预应力混凝土因其具备预应力作用，混凝土结构重量有所减轻。相比普通混凝土结构，其材料消耗量较少。

3)省力。预应力混凝土应用在大跨度桥梁项目中，对于桥梁中混凝土梁体结构，可以在预应力辅助下，降低主拉应力，促使设计者在腹板尺寸设计期间，能够适当实施降低厚度，整体结构承载力更小。

4)耐疲劳性与耐压性较好。预应力混凝土结构运用在大跨度桥梁建设项目中，结构中相关配件常在超出承载极限时出现破损情况。而预加压力可以对混凝土结构起到紧固作用，使之不易达到疲劳极限的标准，而且还可以产生显著的抗弯折能力。因此，预应力混凝土在大跨结构设计中发挥着重要作用。

图1 预应力混凝土力的变化原理图

1.2 基本要求

在预应力混凝土实际使用期间，它需要满足一定的基本要求，方可展现出应用特性。以钢混结构为例，要想表现出预应力混凝土优势，要求选用的钢筋材料具有较高的强度，而且钢混结构紧密性良好，保持优良的塑性，以免受钢筋材料影响，造成预应力混凝土表面生成裂缝。从市场调查中可了解到：热处理钢筋以及冷轧带钢筋较为适用。而在钢混结构中应用预应力混凝土，还要求混凝土材料的收缩性、抗压强度以及硬度较好[1]。

2 预应力混凝土楼盖结构的常见类型

预应力混凝土楼盖结构按照不同分类依据，能够产生多样性类型。而楼盖实则包含主梁、次梁以及楼板部分。楼盖的建设是为了进一步夯实楼面承载基础，保持楼体稳定性，妥善处理好梁柱协调关系。

2.1 结构分类

依据结构特征可以将楼盖结构以肋梁结构为主。同时，还涵盖着密肋、无梁以及井式楼盖等综合类型。每一种结构都各有特征。如针对肋梁结构进行细分，可分为单向板肋结构与双向板肋结构，见图2～3。

图2 单向板肋形楼盖结构图

图3 双向板肋形楼盖结构图

此种楼盖中是以现浇预应力混凝土结构为主。此结构的跨度多在6～8 m可以根据此次研究中的楼盖结构设计要求进行细化分析。井式楼盖属于大跨结构，它以井字形布置梁体，以双向板布置梁板，以合力应对荷载力。至于无梁楼盖，它是单纯以板体支撑柱体的形式承载楼面力量，无次梁、主梁部分。密肋楼盖结构是以高密度梁板布置形式分配承载力，具体类型同单向板肋梁楼盖。

2.2 支撑分类

在不同支撑力的分类标准下，它可以经过纵横比划分依据予以分类，即双向与单向楼盖。对于纵横比常根据板体长短边比例予以分析。纵横比即为长短边长度比。单向楼盖结构，它的长短边长度比多高于2∶1[2]。

2.3 施工分类

在大跨楼盖结构施工中，施工方式的差异性也会形成不同类型的楼盖。好比利用现浇整体施工工艺，能够提升楼盖结构的防水性、抗震性。如若借助装配式技术予以施工，则能够达到高效省材的施工效果。另外一种类型是装配整体施工工艺，基本上属于前两种工艺融合施工方法。

3 大跨预应力混凝土楼盖结构选型方法

3.1 分析楼盖结构受力性能

在大跨预应力混凝土楼盖结构选型过程中，需要先对楼盖结构的受力性能予以综合分析，从受力性能分析结果中，预判施工方案可行性。本次研究中以南安一中昌财体育馆项目为例，建筑面积3 316.03 m2，用地面积2 119.32 m2，跨度为28.3 m，均以混凝土肋梁结构为建设主体，梁高2.5 m，北侧挡墙高度超出6 m。经过相关分析，确定此项目符合预应力楼盖施工条件，且本项目设有卫生间、无障碍设施以及绿色建筑。在本项目施工中，其屋顶造型上以学士帽形式进行设计，其入口柱廊处设有宽为20.8m的大台阶，依据梁板结构特点分析其梁板应力分配情况。

例如，针对预应力混凝土梁板处，可以对其应变应力加以检测。相关人员可以借助应变传感器设施，于梁顶、梁底乃至梁中设置应变检测。在双向肋板楼盖类型中，可以直接获取传感器实测数值。对于待测点数量的确定应至少保持10个，以免出现偶然问题，造成此次测试结果失真。一般情况下，在楼盖结构中的次梁部分，可在张拉检测中了解到其的应力合格率。若低于3.5 MPa，则表明此结构受力不均匀，反之则代表此类型的楼盖结构符合施工要求。因此，应变应力测试工作的开展，也是增加本工程中楼盖结构适中性的重要途径。

3.2 对比楼盖结构类型经济性

在楼盖结构选型期间，除了需要判断其受力性能是否达标外，还需对比不同类型下的工程造价，以此权衡经济性指标，尽量节省工程建设成本。由于楼盖类型较为多样。所以，在经济性分析时，多采用对比检测法，对其实际成本予以计取，而后比对哪一种类型工程造价较低，汇总综合因素后选择经济性突出的预应力楼盖结构类型。其对比结果见表1。从表1中可以发现按照对应的设计方案进行设计时，其中单向双次梁楼盖结构的经济性更强。依据设计步骤，它的主梁与次梁截面保持密切的关系。相关人员在确定楼盖类型时，理应参照其经济性对比数值，在多种楼盖结构的施工结果相差不大前提下，应尽量选择花费成本偏低的楼盖类型。尤其是面对材料市价波动较大的城市，于建筑工程中开展楼盖结构施工设计工作，需要随时根据市场变动情况，制定科学的工程造价方案，以供相关人员及时从经济性层面上分析当前的楼盖结构是否符合施工要求。实际上，之所以单向双次梁类型的工程造价偏小，源于实际施工阶段，钢筋使用量偏少，这就导致整体成本消耗量有所降低。从具体的对比结果中，并非局限于单向双次梁。此处仅列举常见的楼盖类型，其余类型不予赘述[3]。

表1 三种不同预应力楼盖结构造价对比结果

表1中混凝土(C40)以福建省2021年12月份均价530元/m3为标准，钢筋价格3.8元/kg，模板价格65元/m2。

而在不同结构楼盖中进行比对，预应力楼盖在相同跨度项目中，同钢结构楼盖比较，其的工程造价略高。以跨度为31.2 m的工程项目为例，在有梁板(C30)中其的工程量为605.83 m2，合计25.65万元，而有梁板(C40)中则需要花费25.880 6万元。至于直行楼梯以及模板施工中的造价费用为16.813 9万元、37.639 1万元，汇总现浇构件等多个施工环节，合计需要165万元。而与之对应的钢结构楼盖，钢梁施工需消耗34.004 675万元，屋面板与屋面檩条则对应9.378 3万元、5.496 66万元，外加吊运费、制作费以及彩钢安装费等，合计花费111万元。同预应力楼盖比较，整体上节省54万元，由此证实大跨预应力混凝土楼盖建设中，照比钢结构的经济性较低。为了进一步节约预应力楼盖结构的工程造价，则应当对其具体楼盖类型进行合计设计，以期在预应力楼盖施工中，预应力楼盖可以有效控制工程造价，避免超出预期成本。

3.3 优化楼盖结构布置方案

在确定应用预应力混凝土楼盖结构后，还需要对其楼盖类型进行优选，这样才能保证选择的预应力楼盖在大跨度工程中，能够在多个类型预应力楼盖中表现出其特点。其中在预应力楼盖选型阶段，应当针对布置方案予以细化分析，从中知晓方案中预应力楼盖差异，由此判定此种预应力楼盖的应用价值，并择取适合的结构类型完成施工任务。依据大跨楼盖结构设计要求，可以选择单向次梁与井字梁两种楼盖结构，井字梁楼盖结构如图4所示。

图4 井字梁楼盖结构

前者施工中，其能够按照预应力混凝土与钢筋材料的均衡分配，为建筑物内部空间的拓展提供保障。楼盖结构的选择能够影响空间使用量，而且除了上述的经济性不同外，其布置方法也不一致。单向次梁楼盖布置期间，其能够满足大跨度施工要求，在柱网布置过程中，可以经过不同参数的设计，实现空间的延伸。在主梁与次梁跨度存在差异时，选择此种楼盖布置形式，可以提升主梁截面尺寸的合理性。从实践项目实际布置经验中，可了解到：单向次梁此种布置形式下编制的布置方案，它可以达到15 m跨度。尤其在预应力混凝土楼盖结构布置中，20 m跨度的项目中依旧适用。所以，此种布置形式更适合在大跨度结构工程中。相关人员可以充分扩大此种布置方案的推广范围[4]。

后者在布置大跨预应力混凝土结构时，其的布置形式以“井”字形为基础。作为一种较为特殊的布置方法，此种楼盖结构能够体现出高刚度特性，同样适用于大跨楼盖结构施工条件中。预应力混凝土相比较更加省材，在布置楼盖结构时，也可以借助混凝土特性，妥善处置施工步骤。一方面，要求施工人员按照标准的布置方案落实楼盖结构施工内容时，应当避免交叉施工；另一方面，应当借助肋梁高度指标的调整要求，积极使用此种布置方式。对于楼盖结构选型方案的补充与优化，理应从净高要求等方面加以分析[5]。

3.4 加强楼盖结构刚度可控性

预应力楼盖结构的选择，还可以从刚度可控性上进行分析。预应力楼盖本身在预应力作用下表现出抗变形优势。而随着结构类型的变化，预应力楼盖结构的刚度也会随之改变，此时应当研究预应力楼盖结构对刚度的影响程度。在预应力混凝土楼盖选型中，还应当针对楼盖平板的刚度进行深度研究。一般情况下，无梁平板中对于预应力筋的布设方法较为多样，为了体现出预应力楼盖的刚度性，应以下述不同预应力筋分布方式，确保预应力楼盖体现出应用优势：第一种是在建筑楼盖的板带间布设预应力筋，通常在布设后，临近建筑柱边板带上分布的预应力筋弯矩要远高于中间板带预应力筋，自此增加了预应力筋分布均匀性，促使此种预应力筋分布形势下产生的预应力楼盖，能够拥有高承载力价值；第二种是在两个不同方向布设预应力筋，以此在双向协同作用下，增加预应力楼盖刚度，其中平板上分布的预应力筋明显能够为支撑梁给予助力。经过相关研究得出：预应力楼盖中要想提高刚度，可以按照此种布筋的手段，提升楼盖结构抗变形能力，以便在施工人员建设楼盖时，能够体现易于施工价值。鉴于此，关于大跨度预应力楼盖类型的确定，还需考虑刚度参数变化规律，衡量此种类型楼盖的适中性，符合大跨工程预应力楼盖选型施工标准。

需要注意的是，无论是在大跨预应力混凝土楼盖结构施工设计环节，还是在大跨预应力混凝土楼盖结构施工环节，都很容易受到各种外在因素的干扰，从而影响整体施工效果和施工进度。特别是大跨预应力混凝土楼盖结构施工设计，本身带有一定的风险性因素，一旦设计不当，后续施工则很容易安全事故，甚至造成人员伤亡，这就需要各个部门的工作人员予以重视，严格按照施工图纸规范要求，选择最优楼盖结构类型。而且，在后续工程施工期间，需要保证钢筋连续，预先进行技术交底，采用机械连接接头，使得楼盖结构类型选择得当、施工效果理想。

4 结 论

大跨预应力混凝土楼盖结构施工设计环节，需要从对应的楼盖结构类型中予以优选，并从受力性能、经济性、布置方案、刚度可控性等方面展开分析。基于大跨预应力混凝土设计而成的楼盖结构，具有显著优势。

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