段陽萍 (容海川城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司 山西太原 030027)

0 引言

隨著科技的不斷發(fā)展及社會的不斷進(jìn)步，建筑結(jié)構(gòu)向大跨度、大空間的方向發(fā)展。預(yù)應(yīng)力技術(shù)由于可對結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的受力性能加以提高和改善，能解決大跨度結(jié)構(gòu)中混凝土梁的剛度問題，同時(shí)還具有較小的截面和較少的鋼筋用量，經(jīng)濟(jì)性能良好，以及具有良好的抗震性能，可以避免結(jié)構(gòu)的破壞，因而被廣泛地應(yīng)用于大跨度連續(xù)框架結(jié)構(gòu)中[1]。如，山西省襄垣大酒店，入口大廳上空采用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力井字梁方案，跨度27mx27m，四層屋面梁方案采用預(yù)應(yīng)力空心樓蓋方案，跨度27mx30.7m；晉中工人文化宮籃球館項(xiàng)目，樓面及屋面梁采用有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力框架梁方案，平面尺寸22.55mx63.2m等。

根據(jù)筆者工作實(shí)際，主要研究大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并以太原市迎澤區(qū)三十六中學(xué)改擴(kuò)建工程中風(fēng)雨操場屋面梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，探討大跨度結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力梁的優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用。

1 大跨度預(yù)應(yīng)力框架梁的設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)原則

框架是建筑工程中最重要的結(jié)構(gòu)形式之一。近年來，隨著預(yù)應(yīng)力技術(shù)的廣泛應(yīng)用與發(fā)展，采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)，加大樓板跨度，建成具有建筑平面布置靈活、內(nèi)部空間較大等特點(diǎn)的大跨預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)大量涌現(xiàn)，并取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。根據(jù)相關(guān)研究及工作結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的具體實(shí)踐，認(rèn)為在設(shè)計(jì)大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土?xí)r，需特別注意如下原則[2]：

（1）預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析按最不利組合進(jìn)行分析，且需要額外考慮施工張拉影響、溫差和收縮徐變作用等。在裂縫三級控制條件下，裂縫寬度驗(yàn)算要按照承載能力極限狀態(tài)要求進(jìn)行。

（2）超長結(jié)構(gòu)平面形狀布置宜簡單規(guī)則，平面變化處宜平緩，盡量避免立面不規(guī)則和剛度突變的情況發(fā)生。結(jié)構(gòu)立面布置宜規(guī)則，結(jié)構(gòu)剛度分布宜均勻、連續(xù)，不出現(xiàn)集中或者過度間斷，剪力墻等抗側(cè)剛度較大的構(gòu)件宜布置在結(jié)構(gòu)中部。

（3）承載能力極限狀態(tài)分析可采用彈性或塑性理論分析方法，但是對于截面的計(jì)算而言，取彈性分析時(shí)的。

（4）在長期荷載組合下，應(yīng)控制框架梁下部外圍的拉應(yīng)力及梁截面裂縫寬度。

（5）預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)一般屬于超靜定結(jié)構(gòu)，在其正截面承載力計(jì)算和抗裂驗(yàn)算中，應(yīng)考慮次彎矩的影響。

1.2 設(shè)計(jì)流程

大跨度預(yù)應(yīng)力框架梁設(shè)計(jì)和計(jì)算流程一般如圖1所示。

2 工程概況

太原市第三十六中學(xué)校位于山西省太原市，是目前太原市規(guī)模最大的初級中學(xué)之一。學(xué)校按18軌制初級中學(xué)設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目為太原市迎澤區(qū)三十六中學(xué)改擴(kuò)建工程，地上五層/地下一層，結(jié)構(gòu)形式為框架結(jié)構(gòu)，建筑高度為22.914m（室外地面到坡屋面中點(diǎn)）。本工程總建筑面積為29 278.86m2，包括地上建筑面積19 768.43m2，地下建筑面積9 510.43m2。規(guī)劃凈用地面積17 186.12m2。工程抗震設(shè)防烈度為8度，0.2g，第二組；抗震設(shè)防類別為乙類。

圖1 大跨度預(yù)應(yīng)力框架梁設(shè)計(jì)和計(jì)算流程

風(fēng)雨操場結(jié)合下沉廣場設(shè)置于地下空間，共一層，局部設(shè)置夾層。夾層區(qū)域主要布置乒乓球館、體育教室、體育器材室等；大空間結(jié)構(gòu)為室內(nèi)籃球場。風(fēng)雨操場層高9.3m，夾層區(qū)域建筑層高4.8m和4.5m。

3 風(fēng)雨操場大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)概況

本項(xiàng)目中風(fēng)雨操場為地下建筑，長寬為40.2×21.9（長寬比1.84），其建筑面積為840.72m2；頂板覆土厚度為0.9m。結(jié)構(gòu)類型為框架結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力梁板體系?；炷翉?qiáng)度等級為C40。風(fēng)雨操場頂部為400m標(biāo)準(zhǔn)室外操場，風(fēng)雨操場層高9.3 m，凈高7.4 m，最大梁跨為21.9 m。風(fēng)雨操場地面標(biāo)高-10.200，頂板結(jié)構(gòu)標(biāo)高-0.900。

預(yù)應(yīng)力梁（短跨方向）截面：750×1900（4根）；普通主梁（長跨方向）：400×1000（2根），普通次梁（長跨方向）：350X800（6根）。

3.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

本工程為大跨度大懸挑梁采用后張有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技木，預(yù)應(yīng)力大梁抗震等級為一級，采用1 860Mpa有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，預(yù)應(yīng)力筋抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fptk=1 860Mpa。預(yù)應(yīng)力張拉控制應(yīng)力為1 860x0.75=1 395MPa，超張拉3%，單根預(yù)應(yīng)力筋的張拉力為200KN。當(dāng)混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%之后且齡期不少于10d，方可進(jìn)行張拉。

3.3 材料要求

（1）鋼材：預(yù)應(yīng)力筋采用直徑15.2mm，極限強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1 860MPa的低弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線。其性能應(yīng)滿足《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線》（GB/T5224-2003）的規(guī)定。

（2）錨具：張拉端與固定端貓具別采用一類夾片群錨（園錨）體系，由廠家提供其靜載載側(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其性能必須滿足《預(yù)應(yīng)力筋用錨具、夾具和連接器應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》JGJ 85-2010中錨具的要求，夾片硬度要按規(guī)范要求進(jìn)行抽檢，并提供生產(chǎn)廠家或檢測機(jī)構(gòu)出具的硬度報(bào)告。

（3）混凝土：預(yù)應(yīng)力混凝土強(qiáng)度等級C40，混凝土中不得使用任何摻加氯化物的外加劑。用于預(yù)應(yīng)力筋封端的混凝土為微膨脹細(xì)石混凝土或防水砂漿。

（4）水泥漿：有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力孔道灌漿采用42.5的普通桂酸鹽水泥，水灰比宜控制在0.40~0.45之間，可摻入適量膨脹劑及高效減水劑，以增加孔道灌漿的密實(shí)性，水泥漿28d強(qiáng)度不得低于30MPa。

（5）波紋管：用于粘結(jié)預(yù)應(yīng)力孔道的材料為金屬波紋管，壁厚不應(yīng)小于0.25mm。

3.4 主要設(shè)計(jì)圖

（1）預(yù)應(yīng)力筋曲線圖

（2）預(yù)應(yīng)力張拉端構(gòu)造圖

（3）預(yù)應(yīng)力張拉端錨具主要尺寸示意圖

圖3 預(yù)應(yīng)力張拉端構(gòu)造圖

圖2 預(yù)應(yīng)力筋曲線圖

4 大跨度預(yù)應(yīng)力框架梁結(jié)構(gòu)優(yōu)勢及經(jīng)濟(jì)評價(jià)

4.1 大跨度預(yù)應(yīng)力框架梁結(jié)構(gòu)優(yōu)勢

就結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，大跨度預(yù)應(yīng)力框架梁結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)如下優(yōu)勢：

（1）在公共建筑中，可有效擴(kuò)大使用空間，很好地滿足使用功能；

（2）在相同的荷載作用下，大跨度預(yù)應(yīng)力梁板中的內(nèi)力可減少；

（3）有利于結(jié)構(gòu)的抗震，且結(jié)構(gòu)受震害后，有較好的恢復(fù)力特性；

（4）在多層和高層建筑中可有效減少結(jié)構(gòu)層高度，增加樓層數(shù)；

（5）結(jié)構(gòu)的截面剛度高，梁板截面尺寸減少，可減輕自重；

（6）在超載情況下進(jìn)行內(nèi)力重分布，能提高受彎承載力；

（7）預(yù)應(yīng)力筋多跨連續(xù)布置，且受力合理，只需要較少的錨具，張拉施工費(fèi)用也大大減少；

（8）結(jié)構(gòu)的綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)好，可降低建筑結(jié)構(gòu)的單位造價(jià)等。

4.2 大跨預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價(jià)

在中國，由于目前預(yù)應(yīng)力混凝土設(shè)計(jì)技術(shù)水平不是很高，故其與普通混凝土結(jié)構(gòu)相比，經(jīng)濟(jì)效果不明顯。但是，對于大跨預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的工程造價(jià)而言，經(jīng)濟(jì)效果還是較為明顯的。如，預(yù)應(yīng)力的施工一般不會對絕對工期有太大的影響，且其還可以加快模板與支撐的周轉(zhuǎn)率，節(jié)省一部分工期，進(jìn)而降低工程造價(jià)。

圖4 預(yù)應(yīng)力張拉端錨具主要尺寸示意圖

具體而言，大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)有如下經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢：

（1）可提供較普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)更大的開間和跨度，可在相同的設(shè)備等需求條件下，減少建筑面積，進(jìn)而減少投資，同時(shí)可以降低梁高和層高，又可相應(yīng)減少空調(diào)費(fèi)用等；

（2）在材料上多使用了預(yù)應(yīng)力鋼材、錨具、墊板、波紋管等，減少了普通鋼筋用量及截面面積，相應(yīng)地減少了梁、柱甚至基礎(chǔ)的混凝土用量，進(jìn)而減少工程造價(jià)；

（3）一般對工期不會有太大的影響，且還可以加速模板和支撐的周轉(zhuǎn)率和減少一部分支撐費(fèi)用；

（4）可減少維修施工費(fèi)用，增加使用年限等。

4.3 風(fēng)雨操場大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)優(yōu)勢及經(jīng)濟(jì)分析

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，預(yù)應(yīng)力梁（短跨方向）截面：750×1 900（4根）；普通主梁（長跨方向）：400×1 000（2根），普通次梁（長跨方向）：350×800（6根）。如用井字梁代替預(yù)應(yīng)力梁，則可實(shí)現(xiàn)同樣需求功能的前提下，需井字梁：450×1 300；（短跨方向）截面：450×1 300（12根）；（長跨方向）截面：450×1 300（6 根）。

由此分析可見，在相同的荷載作用下，使用大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，梁根數(shù)、長度減少，且板截面尺寸減少，可以節(jié)省大量鋼筋，與之對應(yīng)錨具也減少，張拉施工費(fèi)用也大大減少，故大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)的綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)好，可降低建筑結(jié)構(gòu)的單位造價(jià)等。

5 結(jié)語

綜上所述，相比于普通梁，大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土梁結(jié)構(gòu)性能好，可以節(jié)省大量鋼筋，不僅可以滿足結(jié)構(gòu)的使用功能要求，其綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)也較好。因此，采用大跨度預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)技術(shù)，對太原市迎澤區(qū)三十六中學(xué)改擴(kuò)建工程中風(fēng)雨操場屋面梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是相對較為經(jīng)濟(jì)和合理的。