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摘要：介紹有粘結預應力混凝土技術在高層建筑超長結構中的具體設計方法；同時論述預應力設計對指導施工及保證工程質量的必要性與重要性。

關鍵詞：高層建筑；超長結構；預應力結構；設計

1前言

預應力結構設計技術的發(fā)展，為現(xiàn)代高層建筑向更高、體型更復雜，結構形式更多樣、功能更全、綜合性更強的方向發(fā)展提供了更大的可塑空間。通?？墒菇ㄖ镌谕回Q直線上，上部樓層布置住宅、旅館，中部樓層作為辦公用房，下部樓層作商店、餐館等。以滿足綜合性的不同需要。本文所介紹的工程設計是一幢集辦公、休閑為一體的高檔辦公樓。

2工程概況

本工程位于益陽市赫山區(qū)，建筑面積31000m2，地上21層，地下一層，總高度為83m。其中一層為大型商場，二層為餐廳，三層為娛樂場所，四層及以上為公寓和辦公樓。工程結構形式采用框架一剪力墻結構，裙樓為超長結構，結構平面布置隨建筑變化而逐層變化，圖1為四層的結構平面圖，樓層主、次梁均為預應力混凝土技術。

3結構方案設計

混凝土結構構件在混凝土材料收縮和環(huán)境溫差的作用下發(fā)生的體積縮小變形從而增大結構構件的拉應力，當該拉應力大于構件的極限抗拉強度時，構件即開裂。對此，現(xiàn)行規(guī)范中規(guī)定框架-剪力墻結構伸縮縫最大為45~55m。本結構縱向長度近159.6m，遠超過上述規(guī)定，而且6個剪力筒大大增強其中間混凝土樓面水平側向約束。如增加兩道或三道結構伸縮縫，必須采用從基礎到頂層增加雙梁雙柱來實現(xiàn)，這除了增加施工難度和成本之外，還大大影響了使用功能和建筑要求。設計采用預應力技術解決這一結構超長問題，通過對結構施加預應力，在結構中預先產生壓應力。使其抵消超長結構在季節(jié)溫差和混凝土收縮過程中產生的拉應力。理論與實踐證明預應力對控制超長結構鋼筋混凝土結構裂縫是有效的。

預應力除了可有效控制裂縫的作用之外，其主要作用是能有效抵抗豎向荷載并明顯降低構件尺寸。經初算,預應力鋼筋混凝土結構8.4m跨主梁的梁高可由原來普通鋼筋混凝土主梁的700mm降為500mm，次梁梁高可由600mm降為450mm，16.4m跨主梁的梁高可由1600mm左右降為900mm~

1100mm。這樣在保持凈層高不變的情況下，每層高度可降低200mm。經綜合考慮決定采用預應力方案，使樓層數(shù)量在建筑總高不變的情況下增加一層，從而取得顯著的經濟效果。

為此，在設計中我們針對本工程的結構形式和布置特點，確定了以下主要設計原則：

3.1為有效控制混凝土裂縫以及降低層高，結構縱橫兩個方向的梁均布置預應力筋；考慮到規(guī)范要求，采取有粘結預應力，跨后澆帶的鎖縫預應力筋采用無粘結預應力。

3.2根據(jù)文獻[2]，混凝土中有效預應力大于0.7Mpa，則可基本避免溫度應力導致混凝土開裂。所以間距為2.8m的主次梁均應施加預應力，已達到在板中建立一定預壓力避免樓板開裂的目的。

3.3后澆帶位置要合理，避免布置在側向剛度很大的構件周圍，以免影響兩側板帶的自由收縮。

3.4由于結構復雜，預應力筋數(shù)量和形式多樣，設計時就必須考慮采取相應的構造和施工措施來避免預應力張拉施工時可能造成混凝土開裂。

4預應力計算

4.1設計重點

a)4~6軸部分結構地下一層至六層縱向均為8.4m跨的框架結構，其中六樓為空中花園，七、八樓中空，到九、十層縱向成為連接兩邊塔樓的16.4m跨大梁板,其中十層為空中花園。按結構整體計算結果配筋，并對兩層柱采取加強措施。另外施工時九層的支撐為兩層高，而且后澆帶的設置使地下一層至六層的A~C軸和E~F軸以及九、十層A~F軸在后澆帶未澆混凝土、鎖縫筋未張拉之前形成12.4m的大懸挑結構。所以這些部位結構的支撐均通過認真計算確定并適當加強。

b)如圖1所示，十層和十一層17~20/C~G軸之間是一個懸挑大網(wǎng)架，面積為25.2m×33.6m，矢高為一個樓層高度，通過大型預埋件固定在17、18、19、20、E、F、G梁柱節(jié)點上。在風荷載的作用下支座對結構產生很大的水平推拉力，十一層G點支座向外拉力最大，為1300kN。為了避免在梁柱節(jié)點預埋件處局部混凝土產生過大的集中應力，在預埋件上鉆直徑20mm的孔，采用無粘結應力筋對預埋件進行錨固,把支座拉力傳向遠端框架結構。無粘結預應力筋與原結構預應力筋不相干，基本走梁中直線，張拉控制應力為0.6fptk。

c)二十層屋面設置了冷卻塔、擦窗機以及沿周邊7m高的廣告牌。所以本樓層荷載復雜，特別是廣告牌支座在風荷載作用下，每個支座最不利彎矩為250kN·m，支座兩個支點間距為800mm則支點上下反復集中力約為300KN。支座間距為28m，對于16.8m跨大梁就有5個點落在梁中位置，荷載值很大。

針對以上所述的設計重點難點，預應力設計緊密與建筑、鋼結構、設備等專業(yè)配合，均采取了相應有效合理的設計措施。

4.2預應力計算標準

材料強度等級:混凝土C40，局部采用杜拉纖維C60混凝土;有粘結和無粘結預應力筋為1860高強低松弛鋼絞線，張拉控制應力均為0.75fptk。

本工程采用SATWE以及PREC程序進行抗裂驗算以及配筋計算。根據(jù)規(guī)范要求:結構設計應滿足正常使用極限狀態(tài)、承載能力極限狀態(tài)以及耐久性的要求。針對結構多樣復雜性。對不同情況的構件采取不同的控制標準（見表1）。

所有預應力梁普通鋼筋基本采用對稱配筋，其受壓區(qū)高度均小于0.35h0，縱向受拉鋼筋折算配筋率均不大于3％，符合規(guī)范要求。所有梁均進行兩層托一層的施工工況以及樓面自重下一次張拉反拱工況的驗算，均未開裂。

5構造設計

5.1后澆帶設置

如圖1所示，三道后澆帶把結構分成長度均為36m左右的四個區(qū)段，有效解決了側向剛度很大的剪力筒約束混凝土樓板自由收縮的問題?；炷恋氖湛s隨時間而增長，初期發(fā)展較快，兩周可完成全部收縮的1/4，一個月約可完成1/2，三個月完成60％～80％。在后澆帶澆筑之前，超長板可視為一種能接近于自由變形的構件，后澆帶選擇兩個月后而且氣溫低于主體結構澆灌時氣溫澆灌，考慮豎向結構（柱和墻）的約束影響，可認為此時收縮變形已完成50％。穿越后澆帶的鎖縫預應力筋在后澆帶混凝土達到100％強度時即可張拉。為增強后澆帶的抗裂性能，采用比原強度等級高一個等級的膨脹混凝土澆灌。

預應力對于E～F軸段結構從第三層就到17軸為止，則該區(qū)段15～16軸之間的后澆帶的作用不是很明顯。為加快施工進度，從第六層開始把該后澆帶取消，預應力筋最長55.4m。同時在16軸與剪力墻之間預留臨時施工后澆帶，以實現(xiàn)兩端張拉和避免拉裂混凝土。同理在C、E軸邊板設置200mm寬的臨時后澆帶，以防止4～6軸間的橫向次梁預應力張拉時把內部結構拉裂。

5.2錨具設計

由于荷載和結構形式復雜，預應力梁內的預應力數(shù)量種類很多，根據(jù)各種組合采用了單孔、4孔、6孔、9孔和12孔等多種型號的錨具。固定端采用了擠壓式錨具。因此本工程預應力錨具及相關配筋種類較多。

5.3張拉槽、后澆帶構造設計

由于后澆帶或梁面張拉槽處需要采用變角張拉技術，而要實現(xiàn)變角張拉的操作，梁面普通鋼筋以及箍筋必須有足夠的間隔。如設計不作預先充分的考慮，必將帶來如截筋而無法補強等施工問題，最終影響工程質量。所以設計時應對構造復雜的地方進行特殊處理，以保證施工質量。

在梁后澆帶處或梁面張拉槽處，先按張拉變角塊所需的空間以及盡量少斷鋼筋的原則排好普通鋼筋，對割斷鋼筋采取增加相應搭接筋進行補強。后澆帶及梁面張拉槽處張拉端的詳細構造設計（見圖2和圖3）。

5.4張拉順序設計

根據(jù)本工程的結構設計特點，張拉各個區(qū)域分開進行，先張拉次梁，后張拉主梁。這主要由于先張拉主梁（特別是與次梁垂直的主梁），有可能會由于主梁反拱抬起未張拉的次梁，而導致后者的開裂。預應力筋張拉順序如下：

a）先沿著一個方向張拉縱向次梁，再返回張拉縱向主梁；

b）沿一個方向張拉橫向主、次梁；

c）橫向主梁由于中間16.4m跨所配的預應力筋比兩邊兩短跨多，必須先張拉貫通全50.4m梁的預應力筋，在兩邊短跨梁內建立起預壓力，再張拉中間其余預應力筋。否則必定把兩邊短跨梁拉裂。

6結語

經各方共同努力，本工程施工進展順利，經觀察沒有發(fā)現(xiàn)結構裂縫，質量優(yōu)良。工程實踐表明：

6.1采用預應力技術和合理布置后澆帶是解決超常結構混凝土開裂的有效途徑。

6.2在高層中，施加預應力能起承受主要豎向荷載而降低構件尺寸的作用。所以在保持總高度不變的情況下，采用預應力方案可以增加建筑物層數(shù)，從而取得顯著的經濟效益。

6.3預應力結構配筋計算應根據(jù)實際情況而定，對同一幢建筑中的不同構件，同一個構件的不同工況都應采取相應不同的設計標準。

6.4預應力結構設計應全面、深入考慮合理的構造設計和恰當?shù)氖┕し椒?、順序，這有利于指導施工各方配合，保證施工進度和工程質量。

參考文獻：

[1]混凝土結構設計規(guī)范.GB50010-2002.

[2]美國混凝土協(xié)會規(guī)范.AC1318.

[3]陶學康.后張預應力混凝土設計手冊.北京：中國建筑工業(yè)出版社.

[4]徐焱，蘇文元.超長結構中預應力的應用.新世紀預應力技術創(chuàng)新學術交流會論文集.

[5]CECS180：2005建筑工程預應力施工規(guī)程.