大跨度预应力结构在建筑结构设计中的设计与应用研究

摘 要：随着现代建筑技术的不断发展，大跨度预应力结构在建筑结构设计中的应用越来越广泛。大跨度预应力结构具有轻质、高强、刚度大、抗震性能好等优点，能够满足大空间、大跨度、高层建筑的需求，为现代建筑设计提供了更多的选择。基于此，对大跨度预应力结构在建筑结构设计中的设计与应用进行详细的阐述。

关键词：大跨度预应力结构；建筑；结构设计

中图分类号：TU758.11                              文献标识码：A                              文章编号：2096-6903（2023）12-0011-03

0 引言

随着城市化进程的加快，建筑物的高度和规模不断扩大，传统的混凝土结构已经难以满足现代建筑的需求，基于此，大跨度预应力结构应运而生。该结构具有较大的跨度空间，可以有效地减轻建筑物的质量，提高建筑物的使用性能。预应力技术的应用，使得大跨度结构在承载能力、抗震性能等方面具有显著优势。随着现代建筑技术的发展，大跨度预应力结构在桥梁、体育馆、展览馆等大型公共建筑中得到广泛应用。

1 大跨度预应力结构的特点与基本原理

1.1 大跨度预应力结构的特点

1.1.1 高强度

大跨度预应力结构采用高强度的材料，如钢丝、钢绞线等，具有较高的抗拉强度和抗压强度，能够承受较大的荷载。这种高强度的材料使得大跨度预应力结构在面对风力、地震等自然灾害时具有较好的稳定性和安全性，也能提高建筑物的使用寿命和耐久性。

1.1.2 轻质化

大跨度预應力结构的自重较轻，有利于减轻建筑物的整体质量，降低基础承载压力，提高建筑物的经济性和安全性。采用轻质化的材料和结构设计，可以降低建筑物的造价，减少对地基的压力，降低地基沉降的风险，还有利于提高建筑物的抗震性能和抗风性能。

1.1.3 良好的抗震性能

大跨度预应力结构具有较好的延性，能够在地震等自然灾害中有效地减小结构的变形和破坏，提高结构的抗震性能。预应力结构在受到外力作用时，能够通过预应力筋的张拉力来抵消部分外力，从而提高结构的刚度和稳定性。预应力结构在地震等灾害发生时，由于其较好的延性，能够有效地减小结构的变形和破坏，提高结构的抗震性能。

1.1.4 高度可调性

大跨度预应力结构的高度可以通过调整预应力筋的张拉程度来实现，具有较高的可调性，能够满足不同工程的需求。这种高度可调性使得大跨度预应力结构在设计时具有更大的灵活性，可以根据实际工程需求进行高度调整，以满足不同的建筑功能和使用要求。高度可调性还有利于提高建筑物的空间利用率，实现更加紧凑和高效的建筑空间设计。

1.2 大跨度预应力结构的基本原理

1.2.1 预应力原理

在建筑物施工过程中，常通过预先施加应力，使结构产生一定的预压应力，从而提高结构的承载能力和刚度。这种预应力可以是自重荷载、外部荷载或者两者的组合。通过预应力的施加，可以使结构在承受荷载时更加稳定，从而提高建筑物的整体性能。

1.2.2 材料力学原理

利用材料的强度和刚度特性，合理选择材料和截面形式，可以满足结构的承载能力和刚度要求。不同的材料具有不同的强度和刚度特性，因此在设计大跨度预应力结构时，需要根据建筑物的使用要求和环境条件，选择合适的材料和截面形式，以保证结构的安全可靠。

1.2.3 结构力学原理

通过对结构的受力分析，确定结构的内力分布和受力状态，从而保证结构的安全性和稳定性。在大跨度预应力结构的设计过程中，需要对结构的受力进行分析，以确定结构的内力分布和受力状态。这样有助于确保结构在承受荷载时不会出现破坏或失稳的情况，从而提高建筑物的使用寿命[1]。

1.2.4 施工工艺原理

根据结构的施工工艺要求，选择合适的预应力施加方式和工艺参数，以保证结构的质量和性能。在大跨度预应力结构的设计过程中，需要考虑施工工艺的要求，如预应力施加的方法、工艺参数的选择等。这些因素都会影响结构的质量和使用性能，因此需要在设计过程中予以充分考虑。

2 建筑结构设计中大跨度预应力结构的设计要点

2.1 荷载分析

在设计过程中，负荷分析不仅是一个技术性的过程，也是一个深思熟虑的决策过程，其将直接影响建筑物的安全性、耐久性和功能性。

首先，需要根据建筑物的使用功能、结构和材料等因素进行深入的负荷分析，确定结构的荷载组合以及每个荷载的大小和位置。

其次，需要考虑到各种影响结构负荷的自然因素，包括风力、地震、温度变化等。强风会导致建筑物的结构产生额外的负荷；地震会使建筑物的结构产生剧烈的震动；温度变化会影响建筑材料的性能，从而改变建筑结构承受荷载的能力。

最后，还需要考虑人的行为的影响。例如，人们会在建筑物内进行各种活动，如走动、跑步、举重等，这些都会增加结构的负荷。因此，需要对这些行为进行详细的研究，以便更准确地预测结构的负荷。

通过对荷载的分析，可以确定结构的安全系数[2]。安全系数是衡量建筑结构能够承受的最大负荷与实际负荷之间关系的数值。通过这个数值，可以判断结构是否能够在各种条件下保持稳定和安全。如果安全系数过高，会导致成本过高；如果安全系数过低，那么结构会过于危险，无法满足使用功能的要求。因此，确定一个适当的安全系数是至关重要的。

2.2 结构布局

在确定了荷载之后，需要进行一系列的分析和计算，以便更好地理解建筑结构的需求和限制。这些分析包括对荷载的分布、大小和持续时间的研究以及对结构的材料和设计的理解。在这个过程中，需要根据荷载分析和结构力学原理，确定结构的布局方案，包括梁、柱、板的尺寸和位置等关键参数的选择。

这些参数的选择不仅影响建筑的结构稳定性和刚度，还会对建筑的美观和使用效率产生重大影响[3]。例如，如果梁的位置选择不当，会导致结构的稳定性降低。如果板的尺寸过大或过小，也会影响建筑的刚度和美观。因此需要根据具体的荷载和设计要求，综合考虑各种因素，如材料的强度和耐久性、建筑的使用需求和环境条件等，来确定最佳的结构布局方案。

结构布局还需要考虑建筑的整体设计和美观。如果一个高层建筑的柱子过于突出，会影响其外观。因此，需要在满足结构安全和稳定的前提下，尽可能地使结构布局与建筑的整体设计相协调。

2.3 结构形式与材料选择

在确定了结构布局之后，需要选择合适的结构形式。结构形式是决定结构性能的关键因素[4]。常见的结构形式有框架结构、拱桥结构、悬索结构等。每种结构形式都有其优点和缺点，需要根据具体的使用环境和性能要求来选择。在确定了结构的形式之后，需要选择合适的材料。材料的强度、韧性、耐久性等都会影响结构的性能。因此，选择合适的材料是非常重要的。对于大跨度结构，通常需要选择高强度钢筋混凝土或预应力钢材等。

2.4 构件与预应力设计

在确定了结构的布局和形式之后，需要对各个构件进行详细设计，包括梁的截面形状、板的长度和宽度等[5]。构件的设计直接影响结构的性能和施工难度。在确定了结构的布局、形式和材料之后，需要确定预应力的大小和施加方式。预应力是一种可以提高结构承载能力和刚度的方法。预应力的大小和施加方式需要根据结构的荷载分析和材料特性来确定。

2.5 锚固系统设计

在进行锚固系统设计时，需要选择合适的锚固方式和锚具。锚固方式的选择主要取决于预应力筋的材料、直径、长度以及受力情况。常见的锚固方式有粘结式锚固、机械式锚固、化学锚固等。粘结式锚固适用于预应力筋的直径较小、长度较短的情况；机械式锚固适用于预应力筋的直径较大、长度较长的情况；化学锚固适用于预应力筋的直径较大、长度较长且需要长期使用的情况。

在选择合适的锚具时，需要考虑预应力筋的直径、长度、材料等因素。锚具的作用是将预应力筋与结构物牢固地连接在一起，防止预应力筋在使用过程中发生滑移和断裂。因此，在选择锚具时，需要确保其具有足够的强度和刚度，可以承受预应力筋在荷载作用下产生的应力。

3 建筑结构设计中大跨度预应力结构的应用实例

3.1 工程概况

某建筑工程为三类住宅组团用地，其中地上建筑面积为272 927.8 m?，配置居委会、托老所、小型垃圾压缩收集站、商业等设施，建筑面积约20 460 m?。地块内中小套型住宅建筑面积不低于住宅建筑面积的80%，共201 974.2 m?。其设计建设标准为：多层住宅建筑面积不大于90 m?，小高层住宅建筑面积不大于95 m?，高层住宅建筑面积不大于100 m?。

工程中，地下总用地面积为136 463 m?，起止深度为±0.00～6.50 m。由于其中商业建筑空间需求较大，传统的建筑结构难以满足其舒适度要求。因此，项目方决定采用大跨度预应力结构作为主要承载结构，以实现建筑空间的最大化利用。

3.2 预应力结构设计

在大跨度预应力结构的设计过程中，需要对结构的受力特点进行分析。这包括了对结构的自重、荷载、材料性能等因素的研究。通过对这些因素的深入研究和理解，可以确定结构的合理形式和尺寸，以满足其在使用过程中的安全性和稳定性要求。

设计过程中，还需要对结构的预应力分布进行优化设计。预应力是一种通过预先施加应力，使结构在使用过程中能够承受更大的荷载的方法。通过优化预应力分布，可以提高结构的承载能力和抗震性能，从而提高整个结构的使用寿命和安全性。

在本工程中，采用了单层正交异性板柱-支撑结构体系。这种结构体系具有结构简单、受力明确、施工方便等优点，非常适合大跨度预应力结构的设计。根据结构的受力特点，选择了高强度钢材作为主要材料。高强度钢材具有强度高、韧性好、耐久性强等优点，能够满足大跨度预应力结构在受力上的要求[6]。为了进一步增强结构的承载能力和抗震性能，还通过预应力技术对钢材进行了加固。在结构内部设置了预应力筋，通过张拉的方式使钢筋产生预应力，不仅可以提高结构的承载能力，还可以提高结构的抗震性能。

3.3 施工工艺

在本工程中，大跨度预应力结构的施工工艺主要包括构件制作、安装、张拉和锚固等环节。这些环节的顺利进行对于保证整个工程的质量和安全至关重要。

在构件制作过程中，需要对钢材进行切割、成型和焊接等工序。切割是将原材料切割成所需尺寸的过程，这一步骤需要精确控制切割尺寸，以确保构件的尺寸符合设计要求。成型是将切割好的钢材通过各种加工方法（如弯曲、冲压等）使其形状符合设计要求。焊接是将切割和成型后的钢材通过高温熔化后连接在一起，形成一个完整的构件。在这个过程中，需要严格控制焊接质量，确保焊缝牢固可靠。

在安装过程中，需要对构件进行定位、连接和固定。定位是为了确保构件在结构中的正确位置，避免因位置偏差导致结构不稳定。连接是将各个构件之间的连接部位进行连接，通常采用螺栓、鉚钉等方式进行连接。固定是为了确保构件在安装过程中的稳定性，通常采用支撑、临时固定等方式进行固定。在安装过程中，还需要对构件进行检查，确保其表面平整、无裂纹等缺陷。

在张拉和锚固环节，需要对预应力筋进行精确的张拉和锚固。张拉是将预应力筋从初始状态拉伸到设计的预应力值的过程，这一过程需要精确控制张拉力和张拉速度，以保证结构的承载能力和抗震性能达到设计要求。锚固是将预应力筋与混凝土结构中的钢筋或其他锚固件连接在一起的过程，这一过程需要确保预应力筋与锚固件之间的连接牢固可靠，以保证结构的整体性和稳定性。

在灌浆环节，预应力梁张拉完成后应停12 h，用以观察钢绞线的锚固情况，然后尽快进行孔道灌浆。每个预应力孔道灌浆应缓慢均匀地进行，不能中途停顿。灌浆时灌浆管不能离开灌浆孔，以免空气进入孔道形成氣泡。为使灌浆饱满，应待排气孔排出浓浆后将排气孔封闭，整个孔道灌满后再封闭灌浆孔，确保预应力筋不被腐蚀，提高预应力筋与混凝土结构的一体性。

3.4 工程效果

经过施工人员对施工和监理单位的严格把关，该大跨度预应力结构工程顺利竣工。在建筑使用过程中，结构表现出良好的承载能力和抗震性能，满足了设计要求和使用功能。建筑结构的外观美观大方，与周边环境相协调，得到了业主和使用者的一致好评。

4 结束语

大跨度预应力结构的设计与应用是一项复杂而富有挑战性的工程任务。在实际设计过程中，需要充分考虑结构的安全性、经济性、美观性和创新性等因素，以实现最佳的设计效果。还需要不断学习和掌握新的设计理念、方法和技术，以满足不断变化的建筑需求。此外，大跨度预应力结构的设计和应用是现代建筑结构设计的一种重要发展趋势。通过对这种结构的深入研究和实践，可以为建筑行业提供更多的创新思路和技术手段。

参考文献

[1] 吴一峰.大跨度预应力混凝土框架结构的设计及注意要点[J].建筑技术开发，2019，46（11）：15-16.

[2] 张敏，曾思智.大跨度预应力结构高支模架的设计和分析[J].南昌工程学院学报，2015，34（6）：10-13.

[3] 万安清.预应力大跨度空间钢结构的应用与展望分析[J].中国高新技术企业，2016（25）：123-124.

[4] 柳立新.高层蜘蛛网式结构大跨度梁后张法预应力施工技术[J].施工技术，2016，45（13）：138-140+143.

[5] 邹雨洪.大跨度预应力混凝土结构施工技术的应用[J].建材与装饰，2016（17）：56-57.

[6] 张凝，黄勇.大跨度悬挑混凝土框架斜拉索结构设计与研究[J].贵州大学学报（自然科学版），2015，32（5）：76-83.

收稿日期：2023-09-11

作者简介：朱粟郁（1991—），男，上海人，本科，工程师，研究方向：结构设计与应用。