大跨度预应力混凝土结构设计中的要点

大跨度预应力混凝土结构设计中的要点

作者：赖洪卫

来源：《建筑工程技术与设计》2015年第16期

【摘要】本文论述了大跨度预应力混凝土结构设计中要点，并结合某工程实例，对大跨度预应力混凝土结构的设计方案及特点进行分析，以供参考。 【关键词】大跨度；预应力；混凝土结构

大跨度结构多用于民用建筑中的影剧院、体育馆、展览馆、其他大型公共建筑，工业建筑中的大跨度厂房、大型仓库等。目前工程上常用的大跨度的结构形式主要有网架结构、网壳结构、膜结构、薄壳结构等，对于混凝土结构来说，在大跨度问题上经常采用钢—混凝土结构及预应力结构。近年来，预应力混凝土结构在工程上的应用有很大的发展，其设计受到了人们的日益重视。 1 设计要点

1.1 预应力筋的合理布置

通常，跨中与支座正负弯矩以抛物线的形式交替出现，故钢筋布置亦按交替出现规律布设。在设计各种无梁大板结构（ 如不等跨无梁大板结构） 过程中，很多情况下框架之间柱上板带跨中部分属于正弯矩区域，故假如预应力的钢筋在此区域内弯起，负弯矩区将集中出现在柱附近区域，这种布置形式对板的受力极为不利。正确的钢筋布置形式是在跨中大部分区域内不弯起预应力钢筋，而靠近在柱附近的负弯矩区将部分预应力钢筋弯起。在设计出现这种情况时，结构设计人员必须在图纸说明中重点说明，以避免在施工中出现预应力钢筋布筋曲线的错误。另外，在设计中，四段抛物线形式对于边跨板中预应力钢筋的布筋类型来说，是不合适的。如在边跨板中采用这种四段抛物线结构形式，不仅会造成边跨梁附近应力过大，超出安全范围，而且会因此而使板在边跨梁附近抗裂性能满足不了规范要求。实际设计过程中应根据边跨板的受力特点，采用二段抛物线或三段抛物线形式布置。 目前，我国常用的预应力钢筋有下述几种：

1） 热处理钢筋。热处理钢丝具有强度高、松弛小等特点。它以盘圆形式供应，可省掉对焊和整直等工序，大大方便施工。

2） 消除应力钢丝。消除应力钢丝有光面、螺旋肋和刻痕几种形式，施工方便。 3） 钢绞线。一般由一股3根和一股7根不同直径的高强度钢丝绞制在一起而成，施工方便且与混凝土粘结强度高。钢筋布置方案是大跨度预应力混凝土结构设计的重点，其布置方式有多种，最常用的是在跨中板带中占1/3 左右，另2/3 钢筋布置在柱上板带中。这种布筋方案

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对普通钢筋的设计来说，不仅能确保板受力合理同时也最省原材料。但在设计板跨相差超过20%及以上的多跨连续板时，设计采用长跨方向集中布筋，跨中板带布1/3 左右或均匀布置，短跨方向柱上板带布2/3 的布置方案更节省原材料。

施工时注意事项： 1） 预应力筋的铺放顺序及位置，必须正确处理好钢筋铺放顺序与管道敷设、钢筋铺放顺序与钢筋绑扎顺序之间的关系。铺放时，应尽量减少交叉穿束，严格按设计图纸中要求的细部构造执行，布置并固定好承压板及梁端钢筋网片等。预应力钢筋形式须综合考虑弯矩、剪力、扭矩和轴力的共同作用，还要考虑构造及施工上的可行性。图1为预应力钢筋的3种布置形式，从不同角度出发可以酌情考虑采用不同的布置形式。2） 必须保证钢筋的保护层厚度。3） 应在上、下层钢筋间设置专门保证矢高的措施，注意防止钢绞线的互相缠绕，以保证预应力筋的矢高。4） 钢绞线每隔一定距离（ 约500 mm） 应进行固定，以防止浇捣混凝土时变位。5） 当钢绞线与预埋管路系统发生矛盾时，应以钢绞线优先。 图1. 预应力钢筋布置形式 1.2连续构件设计

大量工程建设实践证明，将单跨预应力梁截面延伸以达到连续结构效果，从而设计成连续结构，具有诸多优点，因为多跨结构在超载情况下，内力重分布能力强，可提高受弯承载力。同一束预应力筋不仅可用作正弯矩筋亦能用作负弯矩筋，受力合理，削弱了支座处附加弯矩对柱子的不利影响。此外，其支座形成的刚性节点，具备良好的结构性能，可抵抗风载或地震所引起的水平力。当大梁被施加预应力时，易产生轴向力压缩变形，对柱产生较大附加弯矩。可采用对大梁进行多跨连续布置，设计多排柱共同参与工作，可减轻这种作用力。 1.3抗震性能设计

当前国际混凝土结构工程界对预应力混凝土结构抗震问题给予了很大的重视。研究表明预应力结构在地震区的应用是肯定的，但和普通钢筋混凝土结构一样，需要的是进行合理的抗震设计和施工。工程中可采用竖向预应力加固普通钢筋混凝土结构来提高结构抗震性能，这样的话可以提高结构抵抗水平荷载的能力，并在地震之后又能很快的复原。

地震区建筑对结构构件的延性有较高的要求，主要表现在预应力结构构件中，通过最小配筋率对非预应力钢筋的配置进行限制，以防止裂缝的出现。在设计时，应根据预应力筋连续布置的特点，按以下步骤进行地震区预应力结构的配筋设计：

1） 对结构构件进行分析，计算出构件在竖向作用力与水平作用力下的内力包络图，并对支座和跨中截面进行次应力和调幅计算；2） 根据计算结果在跨中截面按照延性要求进行非预应力钢筋布置，再根据内力反算出预应力钢筋的配置情况； 3） 已知预应力钢筋的配筋量及布置曲线，用内力随截面位置变化情况图形进行核算，补足各截面所需的非预应力钢筋； 4） 检查、调整。

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1.4防火设计

人们常忽视预应力钢筋混凝土楼板的防火问题，钢筋混凝土虽然不是易燃材料，实际上防火隔热性能较差，当温度达到临界点时，预应力钢筋的屈服点开始下降，蠕变加快，致使预应力板的强度、刚度迅速下降，使板的挠度变化加剧，板下面出现裂缝； 另外，在高温下混凝土性能也非一成不变，楼板受拉的方向与板下混凝土受热膨胀一致，加速了板中挠度的变化。当遇到部分预应力混凝土建筑构件的耐火极限达不到有关国家设计防火规范的要求，如预应力混凝土楼板当受力钢筋的保护层为10 mm 时，耐火极限小于0.5 h 达不到《建筑设计防火规范》规定的一、二级耐火等级建筑物的需要，因此要进行处理。常见有两种方法： 一是加厚保护层。试验表明，当预应力空心楼板上总荷载不变时，楼板的耐火极限随保护层加厚而增加。一般当主筋保护层为1 cm，2cm，3cm 时，其预应力空心楼板耐火极限分别为25 min，40 min和50 min。二是用预应力混凝土防火隔热涂料处理。目前在我国106和TA 预应力混凝土楼板防火隔热涂料已广泛应用，表面喷涂5mm 厚的106 预应力混凝土楼板防火隔热涂料层和8 mm厚的预应力混凝土板防火隔热涂料层时，其耐火极限分别由0.5 h 以下提高到1.8 h 和1.6 h 以上。 2 工程实例 2.1工程概况

某综合楼工程地下室2 层，地上15 层，总建筑面积约31000 m2。本工程主体结构设计采用无粘结预应力钢筋混凝土板—柱结构，主体部分柱网布置8 m × 8 m，地下室底板采用无粘结预应力混凝土板结构，其中长72 m × 48 m。 2.2 结构设计方案及特点

本工程在结构设计上全部采用后张部分预应力混凝土结构。目前，现浇预应力混凝土结构最常用的施工技术为后张法，后张法预应力混凝土结构施工分为有粘结法及无粘结法两种。有粘结法通过灌浆实现有粘结，有粘结筋的最大应力出现在最大弯矩截面处，破坏时临界截面有粘结筋的应力非常接近钢筋的极限强度。有粘结预应力混凝土结构具有极限强度高、抗震性能好，通常应用于框架梁。无粘结法靠端锚建立预应力，无粘结筋的应力沿全长呈均匀布置，当构件遭到外力破坏时，无粘结筋的应力仍低于条件屈服点。由于无粘结筋的应力沿长度均匀布置的特点，预应力钢筋的非弹性性能即构件的能量消散不能得到充分发挥。

本工程在框架梁的预应力度λ≤0.7，设计中采用有粘结预应力混凝土结构。本工程次梁不需要抵抗地震力，次梁设计采用结构施工简单，适合数量多、吨位不大的次梁的无粘结预应力结构。在同一工程混凝土楼盖采用不同的预应力结构，可利用无粘结结构与有粘结结构的结构优势，不仅保证了工程质量，也降低了施工难度，有利于施工进度的推进。

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本工程采用PKPM 计算软件，按照有关规范，预应力混凝土结构等级属于一级或二级。对于一级和二级的抗裂控制，主要是控制构件受拉边缘混凝土产生的拉应力。由于本工程梁跨度为18.7 m，普通梁跨高比为10 ～ 15，所以可知，普通梁高为1240 mm ～1870 mm，可见梁高过大，不满足观众视线的要求。扁梁的宽高比为20 ～ 25。本工程扁梁的梁高可选用范围在748 mm ～ 935 mm之间。可见，大大的降低了梁高，适合于本工程的特点。另外，预应力梁与柱子节点区便于布置抗冲切钢筋，抗冲切性能好，相对于板柱体系结构，其冲切破坏锥体的斜截面较大，在荷载较大的情况下，设置暗梁或横向加宽即可解决，而且，预应力扁梁结构抗剪承载力并不小于普通梁柱结构。

在梁、柱节点设计上，本工程在结构设计时采用了多种梁柱节点形式： 1） 柱比梁宽节点及梁柱同宽节点； 2） 纵向钢筋及大部分钢绞线通过柱的宽扁梁节点； 3） 纵向钢筋及大部分钢绞线在柱外通过的宽扁梁节点。

2.3 预应力钢筋张拉及固定端的设计特点

对于框架梁及其固定端，其预应力框架张拉、固定端施工都在梁柱节点的区域范围内进行。图2表明预应力张拉对上部框架结构的次内力数据值是可观的，特别是转换大梁上部3-4层框架；故在设计上应慎重复核，并引起注意。 图2. 预应力张拉对上部框架结构的影响

（a）预应力张拉完毕后结构弯矩图， （b）预应力张拉引起结构次弯矩图

在此区域内，由于设计的柱筋、梁筋、局压钢筋等各种钢筋交错布置，在施工时易出现以下问题：1） 易使柱或梁中钢筋移位，从而降低整个构筑物结构的承载力。

2） 这个区域内的混凝土施工时难以浇捣密实，施工质量无法保证。为克服以上问题，本工程在设计时采取： a. 将预应力钢筋伸过节点区域，在梁中进行锚固与张拉。当预应力钢筋较多时，应采取分批分段进行张拉与锚固。同时在施工时应保证分批张拉的间距，不得小于1000 mm，预留斜槽在张拉时需利用变角器进行张拉。此种方法缺点是对钢筋等原材料有一定的浪费，但对工程质量安全有保障。b. 设置专门的预应力筋张拉与锚固区，具体位置可设在梁、柱侧向或底部等位置，以加腋形式体现。此方法要求较高，须保证锚固区有足够大的混凝土面积以及足够多局压钢筋以防止钢筋混凝土结构开裂，而且会对结构的美观产生一定的负面影响。

3） 每层在浇灌柱混凝土时，由于在梁柱节点区柱边进行预应力钢筋张拉，柱顶应比相应楼板层高出300 mm 左右，以节约梁预应力钢筋张拉时间，从而不影响梁拆模。此种方法对施工方要求较高，需各施工方密切配合。 3 结语

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预应力混凝土在高层建筑结构中的应用有很大的发展空间，如无粘结预应力混凝土平板具有降低建筑物层高，节约原材料，简化施工模板，加快施工进度等显著优势，广泛用于高层建筑的楼盖建筑中； 预应力混凝土饰面保温复合墙板不仅能满足建筑外墙装饰的多样性、耐久性需要，同时又在建筑节能、建筑保温、施工进度、工业规模化生产等方面发挥优势。 参考文献

[1] JCJ 92-2004，无粘结预应力混凝土结构技术规程[S]. [2] JGJ 140-2004，预应力混凝土结构抗震设计规范[S].

[3] 叶修喜，张锦松，赖海斌. 双向大跨度预应力混凝土厂房结构设计[J]. 工程建设与设计，2011（ 6） ： 89-92.