探究大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計
【摘要】預(yù)應(yīng)力混凝土在高層建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用有很大的發(fā)展空間，如無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土平板具有降低建筑物層高，節(jié)約原材料，簡化施工模板，加快施工進度等顯著優(yōu)勢。文章對大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中的若干要點問題進行了論述。
【關(guān)鍵詞】大跨度；預(yù)應(yīng)力；混凝土結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)設(shè)計；大型建筑
1、預(yù)應(yīng)力筋的合理布置
當(dāng)下我國建筑施工中較為常用的預(yù)應(yīng)力鋼筋種類如下：
（1）熱處理鋼筋，這種鋼筋通常具有較高的強度，且松弛較小，同時在進行材料運輸時都是以盤式儲存并供應(yīng)，免掉了整直及對焊等工藝，用起來十分方便；
�。�2）去除應(yīng)力鋼絲，這種鋼筋應(yīng)用于具體的施工時，使用也很方便，且有多種形式可以選擇，如光面鋼絲、刻痕鋼絲等；
�。�3）鋼絞線，此種鋼筋通常會由具有較高強度的鋼絲絞制而成，通常為三股或七股直徑不同的鋼絲，這種鋼筋形式在使用時十分方便，且能夠較好地黏附于混凝土中。
鋼筋布置方案是大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點，其布置方式有多種，最常用的是在跨中板帶中占1/3左右，另外2/3鋼筋布置在柱上板帶中。這種布筋方案對普通鋼筋的設(shè)計來說，不僅能確保板受力合理，同時也最省原材料。但在設(shè)計板跨相差超過20%及以上的多跨連續(xù)板時，設(shè)計采用長跨方向集中布筋，跨中板帶布1/3左右或均勻布置，短跨方向柱上板帶布2/3的布置方案更節(jié)省原材料，同時也能夠達(dá)到較好的載荷承載能力。實際設(shè)計過程中也應(yīng)根據(jù)邊跨板的受力特點，更多考慮采用二段拋物線或三段拋物線形式布置。
在具體的施工中應(yīng)注意以下環(huán)節(jié)的操作：
�。�1）預(yù)應(yīng)力筋的鋪放順序及位置，必須正確處理好鋼筋鋪放順序與管道敷設(shè)、鋼筋鋪放順序與鋼筋綁扎順序之間的關(guān)系。鋪放時，應(yīng)盡量減少交叉穿束，嚴(yán)格按設(shè)計圖紙中要求的細(xì)部構(gòu)造執(zhí)行，布置并固定好承壓板及梁端鋼筋網(wǎng)片等；
（2）必須保證鋼筋的保護層厚度；
�。�3）應(yīng)在上、下層鋼筋間設(shè)置專門保證矢高的措施，注意防止鋼絞線的互相纏繞，以保證預(yù)應(yīng)力筋的矢高；
�。�4）鋼絞線每隔一定距離（約500mm）應(yīng)進行固定，以防止?jié)矒v混凝土?xí)r變位；
�。�5）當(dāng)鋼絞線與預(yù)埋管路系統(tǒng)發(fā)生矛盾時，應(yīng)以鋼絞線優(yōu)先。
2、抗震性能設(shè)計
不論是何種建筑，其本身都要具有一定的抗震性，而在全球的混凝土結(jié)構(gòu)工程研究界中，都十分重視預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的抗震問題，而大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)多是用于一些大型的公共建筑之中，在其建成使用后多為人員密集型環(huán)境，如果相應(yīng)的大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)沒有達(dá)到一定的抗震等級，那么一旦發(fā)生地震等自然災(zāi)害就會造成大量的人身及財產(chǎn)損失，因此在進行大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計時，尤其要注重抗震性能設(shè)計。目前國際混凝土結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域都十分關(guān)注預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的抗震問題。經(jīng)過大量的研究后得出，這種大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)是可以在地震區(qū)使用的，但其與一般的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)一樣都要進行相應(yīng)的抗震設(shè)計及施工。
3、連續(xù)構(gòu)件設(shè)計
對大量的工程建筑實踐案例進行詳細(xì)的分析后，得出在大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用單跨預(yù)應(yīng)力梁截面延伸的方式，可以有效地實現(xiàn)連續(xù)結(jié)構(gòu)，進而完成連續(xù)結(jié)構(gòu)件的設(shè)計。這種設(shè)計方式具有很多的優(yōu)點，特別是在多跨結(jié)構(gòu)超載、內(nèi)力重力分布能力較強時，能夠有效提高彎承載能力。此外，一束預(yù)應(yīng)力筋能夠用于正彎及負(fù)彎兩種彎矩筋，這種形式相應(yīng)地降低了支座處附加彎矩對柱的有害影響，且其受力情況更趨于合理性。當(dāng)有預(yù)應(yīng)力施于大梁時，就會使大梁較易發(fā)生附加彎矩并彎形，這時可對大梁使用多跨連續(xù)布置，多排柱共同工作可相應(yīng)地削弱這預(yù)應(yīng)力。
4、防火設(shè)計
在進行建筑設(shè)計時，很多情況下都會忽略到鋼筋混凝土的防火性能，因為鋼筋混凝土本身并不可燃，即可忽略其防火設(shè)計，但事實上并不是這樣，鋼筋混凝土雖然自身不易燃，但它的防火隔熱性能非常差，當(dāng)溫度過高并達(dá)到鋼筋強度臨界點時，預(yù)應(yīng)力鋼筋就會出現(xiàn)屈服點下滑的現(xiàn)象，使得其相變及蠕變加快，進而造成預(yù)應(yīng)力板強度和剛度都急劇下降，并出現(xiàn)結(jié)構(gòu)裂縫，使其喪失了原有的結(jié)構(gòu)功能，同時，處于高溫環(huán)境下的混凝土也會發(fā)生撓度變化的情況，同樣造成了結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，如果達(dá)到一定的溫度和時間，那么這種大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)就會表現(xiàn)出明顯的不穩(wěn)定狀態(tài)，甚至發(fā)生坍塌等危險事故。因此在進行大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)特別注意所設(shè)計的結(jié)構(gòu)要符合國家的設(shè)計防火相關(guān)規(guī)范及規(guī)定內(nèi)容，如《建筑設(shè)計防火規(guī)范》等。
5、工程實例
5. 1 工程概況
某綜合樓工程地下室2 層，地上15 層，總建筑面積約31 000 m2。本工程主體結(jié)構(gòu)設(shè)計采用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土板―柱結(jié)構(gòu)，主體部分柱網(wǎng)布置8 m×8 m，地下室底板采用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土板結(jié)構(gòu)，其中長72 m×48 m。
5. 2 結(jié)構(gòu)設(shè)計方案及特點
本工程在結(jié)構(gòu)設(shè)計上全部采用后張部分預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。
目前，現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)最常用的施工技術(shù)為后張法，后張法預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)施工分為有粘結(jié)法及無粘結(jié)法兩種。有粘結(jié)法通過灌漿實現(xiàn)有粘結(jié)，有粘結(jié)筋的最大應(yīng)力出現(xiàn)在最大彎矩截面處，破壞時臨界截面有粘結(jié)筋的應(yīng)力非常接近鋼筋的極限強度。有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)具有極限強度高、抗震性能好，通常應(yīng)用于框架梁。無粘結(jié)法靠端錨建立預(yù)應(yīng)力，無粘結(jié)筋的應(yīng)力沿全長呈均勻布置，當(dāng)構(gòu)件遭到外力破壞時，無粘結(jié)筋的應(yīng)力仍低于條件屈服點。由于無粘結(jié)筋的應(yīng)力沿長度均勻布置的特點，預(yù)應(yīng)力鋼筋的非彈性性能即構(gòu)件的能量消散不能得到充分發(fā)揮。
本工程在框架梁的預(yù)應(yīng)力度λ≤0. 7，設(shè)計中采用有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。本工程次梁不需要抵抗地震力，次梁設(shè)計采用結(jié)構(gòu)施工簡單，適合數(shù)量多、噸位不大的次梁的無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。在同一工程混凝土樓蓋采用不同的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，可利用無粘結(jié)結(jié)構(gòu)與有粘結(jié)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，不僅保證了工程質(zhì)量，也降低了施工難度，有利于施工進度的推進。 本工程采用PKPM 計算軟件，按照有關(guān)規(guī)范，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)等級屬于一級或二級。對于一級和二級的抗裂控制，主要是控制構(gòu)件受拉邊緣混凝土產(chǎn)生的拉應(yīng)力。由于本工程梁跨度為18.7 m，普通梁跨高比為10～15，所以可知，普通梁高為1 240 mm～1 870 mm，可見梁高過大，不滿足觀眾視線的要求。扁梁的寬高比為20～25。本工程扁梁的梁高可選用范圍在748 mm～935 mm之間�？梢�，大大的降低了梁高，適合于本工程的特點。另外，預(yù)應(yīng)力梁與柱子節(jié)點區(qū)便于布置抗沖切鋼筋，抗沖切性能好，相對于板柱體系結(jié)構(gòu)，其沖切破壞錐體的斜截面較大，在荷載較大的情況下，設(shè)置暗梁或橫向加寬即可解決，而且，預(yù)應(yīng)力扁梁結(jié)構(gòu)抗剪承載力并不小于普通梁柱結(jié)構(gòu)。
5. 3 預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉及固定端的設(shè)計特點
對于框架梁及其固定端，其預(yù)應(yīng)力框架張拉、固定端施工都在梁柱節(jié)點的區(qū)域范圍內(nèi)進行。在此區(qū)域內(nèi)，由于設(shè)計的柱筋、梁筋、局壓鋼筋等各種鋼筋交錯布置，在施工時易出現(xiàn)以下問題：
1） 易使柱或梁中鋼筋移位，從而降低整個構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)的承載力。
2） 這個區(qū)域內(nèi)的混凝土施工時難以澆搗密實，施工質(zhì)量無法保證。為克服以上問題，本工程在設(shè)計時采�。� a. 將預(yù)應(yīng)力鋼筋伸過節(jié)點區(qū)域，在梁中進行錨固與張拉。當(dāng)預(yù)應(yīng)力鋼筋較多時，應(yīng)采取分批分段進行張拉與錨固。同時在施工時應(yīng)保證分批張拉的間距，不得小于1 000 mm，預(yù)留斜槽在張拉時需利用變角器進行張拉。此種方法缺點是對鋼筋等原材料有一定的浪費，但對工程質(zhì)量安全有保障。b. 設(shè)置專門的預(yù)應(yīng)力筋張拉與錨固區(qū)，具體位置可設(shè)在梁、柱側(cè)向或底部等位置，以加腋形式體現(xiàn)。此方法要求較高，須保證錨固區(qū)有足夠大的混凝土面積以及足夠多局壓鋼筋以防止鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)開裂，而且會對結(jié)構(gòu)的美觀產(chǎn)生一定的負(fù)面影響。
3） 每層在澆灌柱混凝土?xí)r，由于在梁柱節(jié)點區(qū)柱邊進行預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉，柱頂應(yīng)比相應(yīng)樓板層高出300 mm 左右，以節(jié)約梁預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉時間，從而不影響梁拆模。此種方法對施工方要求較高，需各施工方密切配合。
結(jié)語
綜上所述，雖然該結(jié)構(gòu)具有諸多優(yōu)點，但也要借助于具有高施工技術(shù)水平的施工隊伍才能達(dá)到最終的建筑要求，因此，施工單位要積極并嚴(yán)格地依照各項技術(shù)指標(biāo)及操作規(guī)范進行施工，在工程實踐中不斷改進原有的施工技術(shù)，加大對工程施工的管理，避免質(zhì)量及安全事故的發(fā)生，達(dá)到提高施工質(zhì)量的最終目的。
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