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高层建筑预应力混凝土超长结构的设计
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摘 要：介绍有粘结预应力混凝土技术在高层建筑超长结构中的具体设计方法；同时论述预应力设计对指导施工及保证工程质量的必要性与重要性。
关键词：高层建筑；超长结构；预应力结构；设计
1前言
预应力结构设计技术的发展，为现代高层建筑向更高、体型更复杂，结构形式更多样、功能更全、综合性更强的方向发展提供了更大的可塑空间。通常可使建筑物在同一竖直线上，上部楼层布置住宅、旅馆，中部楼层作为办公用房，下部楼层作商店、餐馆等。以满足综合性的不同需要。本文所介绍的工程设计是一幢集办公、休闲为一体的高档办公楼。
2工程概况
本工程位于益阳市赫山区，建筑面积31000m2，地上21层，地下一层，总高度为83m。其中一层为大型商场，二层为餐厅，三层为娱乐场所，四层及以上为公寓和办公楼。工程结构形式采用框架一剪力墙结构，裙楼为超长结构，结构平面布置随建筑变化而逐层变化，图1为四层的结构平面图，楼层主、次梁均为预应力混凝土技术。
3结构方案设计
混凝土结构构件在混凝土材料收缩和环境温差的作用下发生的体积缩小变形从而增大结构构件的拉应力，当该拉应力大于构件的极限抗拉强度时，构件即开裂。对此，现行规范中规定框架-剪力墙结构伸缩缝最大为45~55m。本结构纵向长度近159.6m，远超过上述规定，而且6个剪力筒大大增强其中间混凝土楼面水平侧向约束。如增加两道或三道结构伸缩缝，必须采用从基础到顶层增加双梁双柱来实现，这除了增加施工难度和成本之外，还大大影响了使用功能和建筑要求。设计采用预应力技术解决这一结构超长问题，通过对结构施加预应力，在结构中预先产生压应力。使其抵消超长结构在季节温差和混凝土收缩过程中产生的拉应力。理论与实践证明预应力对控制超长结构钢筋混凝土结构裂缝是有效的。
预应力除了可有效控制裂缝的作用之外，其主要作用是能有效抵抗竖向荷载并明显降低构件尺寸。经初算,预应力钢筋混凝土结构8.4m跨主梁的梁高可由原来普通钢筋混凝土主梁的700mm降为500mm，次梁梁高可由600mm降为450mm，16.4m跨主梁的梁高可由1600mm左右降为900mm~
1100mm。这样在保持净层高不变的情况下，每层高度可降低200mm。经综合考虑决定采用预应力方案，使楼层数量在建筑总高不变的情况下增加一层，从而取得显著的经济效果。
为此，在设计中我们针对本工程的结构形式和布置特点，确定了以下主要设计原则：
3.1为有效控制混凝土裂缝以及降低层高，结构纵横两个方向的梁均布置预应力筋；考虑到规范要求，采取有粘结预应力，跨后浇带的锁缝预应力筋采用无粘结预应力。
3.2根据文献[2]，混凝土中有效预应力大于0.7Mpa，则可基本避免温度应力导致混凝土开裂。所以间距为2.8m的主次梁均应施加预应力，已达到在板中建立一定预压力避免楼板开裂的目的。
3.3后浇带位置要合理，避免布置在侧向刚度很大的构件周围，以免影响两侧板带的自由收缩。
3.4由于结构复杂，预应力筋数量和形式多样，设计时就必须考虑采取相应的构造和施工措施来避免预应力张拉施工时可能造成混凝土开裂。
4预应力计算
4.1设计重点
a)4~6轴部分结构地下一层至六层纵向均为8.4m跨的框架结构，其中六楼为空中花园，七、八楼中空，到九、十层纵向成为连接两边塔楼的16.4m跨大梁板,其中十层为空中花园。按结构整体计算结果配筋，并对两层柱采取加强措施。另外施工时九层的支撑为两层高，而且后浇带的设置使地下一层至六层的A~C轴和E~F轴以及九、十层A~F轴在后浇带未浇混凝土、锁缝筋未张拉之前形成12.4m的大悬挑结构。所以这些部位结构的支撑均通过认真计算确定并适当加强。
b)如图1所示，十层和十一层17~20/C~G轴之间是一个悬挑大网架，面积为25.2m×33.6m，矢高为一个楼层高度，通过大型预埋件固定在17、18、19、20、E、F、G梁柱节点上。在风荷载的作用下支座对结构产生很大的水平推拉力，十一层G点支座向外拉力最大，为1300kN。为了避免在梁柱节点预埋件处局部混凝土产生过大的集中应力，在预埋件上钻直径20mm的孔，采用无粘结应力筋对预埋件进行锚固,把支座拉力传向远端框架结构。无粘结预应力筋与原结构预应力筋不相干，基本走梁中直线，张拉控制应力为0.6fptk。
c)二十层屋面设置了冷却塔、擦窗机以及沿周边7m高的广告牌。所以本楼层荷载复杂，特别是广告牌支座在风荷载作用下，每个支座最不利弯矩为250kN·m，支座两个支点间距为800mm则支点上下反复集中力约为300KN。支座间距为28m，对于16.8m跨大梁就有5个点落在梁中位置，荷载值很大。
针对以上所述的设计重点难点，预应力设计紧密与建筑、钢结构、设备等专业配合，均采取了相应有效合理的设计措施。
4.2预应力计算标准
材料强度等级:混凝土C40，局部采用杜拉纤维C60混凝土;有粘结和无粘结预应力筋为1860高强低松弛钢绞线，张拉控制应力均为0.75 fptk。
本工程采用SATWE以及PREC程序进行抗裂验算以及配筋计算。根据规范要求:结构设计应满足正常使用极限状态、承载能力极限状态以及耐久性的要求。针对结构多样复杂性。对不同情况的构件采取不同的控制标准（见表1）。
所有预应力梁普通钢筋基本采用对称配筋，其受压区高度均小于0.35h0，纵向受拉钢筋折算配筋率均不大于3%，符合规范要求。所有梁均进行两层托一层的施工工况以及楼面自重下一次张拉反拱工况的验算，均未开裂。
5构造设计
5.1后浇带设置
如图1所示，三道后浇带把结构分成长度均为36m左右的四个区段，有效解决了侧向刚度很大的剪力筒约束混凝土楼板自由收缩的问题。混凝土的收缩随时间而增长，初期发展较快，两周可完成全部收缩的1/4，一个月约可完成1/2，三个月完成60%～80%。在后浇带浇筑之前，超长板可视为一种能接近于自由变形的构件，后浇带选择两个月后而且气温低于主体结构浇灌时气温浇灌，考虑竖向结构（柱和墙）的约束影响，可认为此时收缩变形已完成50%。穿越后浇带的锁缝预应力筋在后浇带混凝土达到100%强度时即可张拉。为增强后浇带的抗裂性能，采用比原强度等级高一个等级的膨胀混凝土浇灌。
预应力对于E～F轴段结构从第三层就到17轴为止，则该区段15～16轴之间的后浇带的作用不是很明显。为加快施工进度，从第六层开始把该后浇带取消，预应力筋最长55.4m。同时在16轴与剪力墙之间预留临时施工后浇带，以实现两端张拉和避免拉裂混凝土。同理在C、E轴边板设置200mm宽的临时后浇带，以防止4～6轴间的横向次梁预应力张拉时把内部结构拉裂。
5.2锚具设计
由于荷载和结构形式复杂，预应力梁内的预应力数量种类很多，根据各种组合采用了单孔、4孔、6孔、9孔和12孔等多种型号的锚具。固定端采用了挤压式锚具。因此本工程预应力锚具及相关配筋种类较多。
5.3张拉槽、后浇带构造设计
由于后浇带或梁面张拉槽处需要采用变角张拉技术，而要实现变角张拉的操作，梁面普通钢筋以及箍筋必须有足够的间隔。如设计不作预先充分的考虑，必将带来如截筋而无法补强等施工问题，最终影响工程质量。所以设计时应对构造复杂的地方进行特殊处理，以保证施工质量。
在梁后浇带处或梁面张拉槽处，先按张拉变角块所需的空间以及尽量少断钢筋的原则排好普通钢筋，对割断钢筋采取增加相应搭接筋进行补强。后浇带及梁面张拉槽处张拉端的详细构造设计（见图2和图3）。
5.4张拉顺序设计
根据本工程的结构设计特点，张拉各个区域分开进行，先张拉次梁，后张拉主梁。这主要由于先张拉主梁（特别是与次梁垂直的主梁），有可能会由于主梁反拱抬起未张拉的次梁，而导致后者的开裂。预应力筋张拉顺序如下：
a）先沿着一个方向张拉纵向次梁，再返回张拉纵向主梁；
b）沿一个方向张拉横向主、次梁；
c）横向主梁由于中间16.4m跨所配的预应力筋比两边两短跨多，必须先张拉贯通全50.4m梁的预应力筋，在两边短跨梁内建立起预压力，再张拉中间其余预应力筋。否则必定把两边短跨梁拉裂。
6结语
经各方共同努力，本工程施工进展顺利，经观察没有发现结构裂缝，质量优良。工程实践表明：
关键词：高层建筑；超长结构；预应力结构；设计
1前言
预应力结构设计技术的发展，为现代高层建筑向更高、体型更复杂，结构形式更多样、功能更全、综合性更强的方向发展提供了更大的可塑空间。通常可使建筑物在同一竖直线上，上部楼层布置住宅、旅馆，中部楼层作为办公用房，下部楼层作商店、餐馆等。以满足综合性的不同需要。本文所介绍的工程设计是一幢集办公、休闲为一体的高档办公楼。
2工程概况
本工程位于益阳市赫山区，建筑面积31000m2，地上21层，地下一层，总高度为83m。其中一层为大型商场，二层为餐厅，三层为娱乐场所，四层及以上为公寓和办公楼。工程结构形式采用框架一剪力墙结构，裙楼为超长结构，结构平面布置随建筑变化而逐层变化，图1为四层的结构平面图，楼层主、次梁均为预应力混凝土技术。
3结构方案设计
混凝土结构构件在混凝土材料收缩和环境温差的作用下发生的体积缩小变形从而增大结构构件的拉应力，当该拉应力大于构件的极限抗拉强度时，构件即开裂。对此，现行规范中规定框架-剪力墙结构伸缩缝最大为45~55m。本结构纵向长度近159.6m，远超过上述规定，而且6个剪力筒大大增强其中间混凝土楼面水平侧向约束。如增加两道或三道结构伸缩缝，必须采用从基础到顶层增加双梁双柱来实现，这除了增加施工难度和成本之外，还大大影响了使用功能和建筑要求。设计采用预应力技术解决这一结构超长问题，通过对结构施加预应力，在结构中预先产生压应力。使其抵消超长结构在季节温差和混凝土收缩过程中产生的拉应力。理论与实践证明预应力对控制超长结构钢筋混凝土结构裂缝是有效的。
预应力除了可有效控制裂缝的作用之外，其主要作用是能有效抵抗竖向荷载并明显降低构件尺寸。经初算,预应力钢筋混凝土结构8.4m跨主梁的梁高可由原来普通钢筋混凝土主梁的700mm降为500mm，次梁梁高可由600mm降为450mm，16.4m跨主梁的梁高可由1600mm左右降为900mm~
1100mm。这样在保持净层高不变的情况下，每层高度可降低200mm。经综合考虑决定采用预应力方案，使楼层数量在建筑总高不变的情况下增加一层，从而取得显著的经济效果。
为此，在设计中我们针对本工程的结构形式和布置特点，确定了以下主要设计原则：
3.1为有效控制混凝土裂缝以及降低层高，结构纵横两个方向的梁均布置预应力筋；考虑到规范要求，采取有粘结预应力，跨后浇带的锁缝预应力筋采用无粘结预应力。
3.2根据文献[2]，混凝土中有效预应力大于0.7Mpa，则可基本避免温度应力导致混凝土开裂。所以间距为2.8m的主次梁均应施加预应力，已达到在板中建立一定预压力避免楼板开裂的目的。
3.3后浇带位置要合理，避免布置在侧向刚度很大的构件周围，以免影响两侧板带的自由收缩。
3.4由于结构复杂，预应力筋数量和形式多样，设计时就必须考虑采取相应的构造和施工措施来避免预应力张拉施工时可能造成混凝土开裂。
4预应力计算
4.1设计重点
a)4~6轴部分结构地下一层至六层纵向均为8.4m跨的框架结构，其中六楼为空中花园，七、八楼中空，到九、十层纵向成为连接两边塔楼的16.4m跨大梁板,其中十层为空中花园。按结构整体计算结果配筋，并对两层柱采取加强措施。另外施工时九层的支撑为两层高，而且后浇带的设置使地下一层至六层的A~C轴和E~F轴以及九、十层A~F轴在后浇带未浇混凝土、锁缝筋未张拉之前形成12.4m的大悬挑结构。所以这些部位结构的支撑均通过认真计算确定并适当加强。
b)如图1所示，十层和十一层17~20/C~G轴之间是一个悬挑大网架，面积为25.2m×33.6m，矢高为一个楼层高度，通过大型预埋件固定在17、18、19、20、E、F、G梁柱节点上。在风荷载的作用下支座对结构产生很大的水平推拉力，十一层G点支座向外拉力最大，为1300kN。为了避免在梁柱节点预埋件处局部混凝土产生过大的集中应力，在预埋件上钻直径20mm的孔，采用无粘结应力筋对预埋件进行锚固,把支座拉力传向远端框架结构。无粘结预应力筋与原结构预应力筋不相干，基本走梁中直线，张拉控制应力为0.6fptk。
c)二十层屋面设置了冷却塔、擦窗机以及沿周边7m高的广告牌。所以本楼层荷载复杂，特别是广告牌支座在风荷载作用下，每个支座最不利弯矩为250kN·m，支座两个支点间距为800mm则支点上下反复集中力约为300KN。支座间距为28m，对于16.8m跨大梁就有5个点落在梁中位置，荷载值很大。
针对以上所述的设计重点难点，预应力设计紧密与建筑、钢结构、设备等专业配合，均采取了相应有效合理的设计措施。
4.2预应力计算标准
材料强度等级:混凝土C40，局部采用杜拉纤维C60混凝土;有粘结和无粘结预应力筋为1860高强低松弛钢绞线，张拉控制应力均为0.75 fptk。
本工程采用SATWE以及PREC程序进行抗裂验算以及配筋计算。根据规范要求:结构设计应满足正常使用极限状态、承载能力极限状态以及耐久性的要求。针对结构多样复杂性。对不同情况的构件采取不同的控制标准（见表1）。
所有预应力梁普通钢筋基本采用对称配筋，其受压区高度均小于0.35h0，纵向受拉钢筋折算配筋率均不大于3%，符合规范要求。所有梁均进行两层托一层的施工工况以及楼面自重下一次张拉反拱工况的验算，均未开裂。
5构造设计
5.1后浇带设置
如图1所示，三道后浇带把结构分成长度均为36m左右的四个区段，有效解决了侧向刚度很大的剪力筒约束混凝土楼板自由收缩的问题。混凝土的收缩随时间而增长，初期发展较快，两周可完成全部收缩的1/4，一个月约可完成1/2，三个月完成60%～80%。在后浇带浇筑之前，超长板可视为一种能接近于自由变形的构件，后浇带选择两个月后而且气温低于主体结构浇灌时气温浇灌，考虑竖向结构（柱和墙）的约束影响，可认为此时收缩变形已完成50%。穿越后浇带的锁缝预应力筋在后浇带混凝土达到100%强度时即可张拉。为增强后浇带的抗裂性能，采用比原强度等级高一个等级的膨胀混凝土浇灌。
预应力对于E～F轴段结构从第三层就到17轴为止，则该区段15～16轴之间的后浇带的作用不是很明显。为加快施工进度，从第六层开始把该后浇带取消，预应力筋最长55.4m。同时在16轴与剪力墙之间预留临时施工后浇带，以实现两端张拉和避免拉裂混凝土。同理在C、E轴边板设置200mm宽的临时后浇带，以防止4～6轴间的横向次梁预应力张拉时把内部结构拉裂。
5.2锚具设计
由于荷载和结构形式复杂，预应力梁内的预应力数量种类很多，根据各种组合采用了单孔、4孔、6孔、9孔和12孔等多种型号的锚具。固定端采用了挤压式锚具。因此本工程预应力锚具及相关配筋种类较多。
5.3张拉槽、后浇带构造设计
由于后浇带或梁面张拉槽处需要采用变角张拉技术，而要实现变角张拉的操作，梁面普通钢筋以及箍筋必须有足够的间隔。如设计不作预先充分的考虑，必将带来如截筋而无法补强等施工问题，最终影响工程质量。所以设计时应对构造复杂的地方进行特殊处理，以保证施工质量。
在梁后浇带处或梁面张拉槽处，先按张拉变角块所需的空间以及尽量少断钢筋的原则排好普通钢筋，对割断钢筋采取增加相应搭接筋进行补强。后浇带及梁面张拉槽处张拉端的详细构造设计（见图2和图3）。
5.4张拉顺序设计
根据本工程的结构设计特点，张拉各个区域分开进行，先张拉次梁，后张拉主梁。这主要由于先张拉主梁（特别是与次梁垂直的主梁），有可能会由于主梁反拱抬起未张拉的次梁，而导致后者的开裂。预应力筋张拉顺序如下：
a）先沿着一个方向张拉纵向次梁，再返回张拉纵向主梁；
b）沿一个方向张拉横向主、次梁；
c）横向主梁由于中间16.4m跨所配的预应力筋比两边两短跨多，必须先张拉贯通全50.4m梁的预应力筋，在两边短跨梁内建立起预压力，再张拉中间其余预应力筋。否则必定把两边短跨梁拉裂。
6结语
经各方共同努力，本工程施工进展顺利，经观察没有发现结构裂缝，质量优良。工程实践表明：
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200901/13831.htm
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