高層建筑預(yù)應(yīng)力混凝土超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

1、高層建筑預(yù)應(yīng)力混凝土超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)        摘 要：介紹有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)在高層建筑超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)中的具體設(shè)計(jì)方法；同時(shí)論述預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)對(duì)指導(dǎo)施工及保證工程質(zhì)量的必要性與重要性。 關(guān)鍵詞：高層建筑；超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)；預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì) 1前言 預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)的，為高層建筑向更高、體型更復(fù)雜，結(jié)構(gòu)形式更多樣、功能更全、綜合性更強(qiáng)的方向發(fā)展提供了更大的可塑空間。通常可使建筑物在同一豎直線上，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(shè)計(jì)是一幢集辦公、休閑為

2、一體的高檔辦公樓。 2工程概況 本工程位于益陽(yáng)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(chǎng)，二層為餐廳，三層為娛樂場(chǎng)所，四層及以上為公寓和辦公樓。工程結(jié)構(gòu)形式采用框架一剪力墻結(jié)構(gòu)，裙樓為超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)平面布置隨建筑變化而逐層變化，圖1為四層的結(jié)構(gòu)平面圖，樓層主、次梁均為預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)。 3結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)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(jié)構(gòu)構(gòu)件的拉應(yīng)力，當(dāng)該拉應(yīng)力大于構(gòu)件的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，構(gòu)件即開裂。對(duì)此，現(xiàn)行規(guī)范中規(guī)定框架-剪力墻結(jié)構(gòu)伸縮縫最大為4555m。本結(jié)構(gòu)縱向長(zhǎng)度近159.6m，遠(yuǎn)超過上述規(guī)定，而

3、且6個(gè)剪力筒大大增強(qiáng)其中間混凝土樓面水平側(cè)向約束。如增加兩道或三道結(jié)構(gòu)伸縮縫，必須采用從基礎(chǔ)到頂層增加雙梁雙柱來實(shí)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(shè)計(jì)采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)解決這一結(jié)構(gòu)超長(zhǎng)問題，通過對(duì)結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力，在結(jié)構(gòu)中預(yù)先產(chǎn)生壓應(yīng)力。使其抵消超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)在季節(jié)溫差和混凝土收縮過程中產(chǎn)生的拉應(yīng)力。理論與實(shí)踐證明預(yù)應(yīng)力對(duì)控制超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫是有效的。 預(yù)應(yīng)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(gòu)件尺寸。經(jīng)初算,預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)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

4、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(jīng)綜合考慮決定采用預(yù)應(yīng)力方案，使樓層數(shù)量在建筑總高不變的情況下增加一層，從而取得顯著的效果。 為此，在設(shè)計(jì)中我們針對(duì)本工程的結(jié)構(gòu)形式和布置特點(diǎn)，確定了以下主要設(shè)計(jì)原則： 3.1為有效控制混凝土裂縫以及降低層高，結(jié)構(gòu)縱橫兩個(gè)方向的梁均布置預(yù)應(yīng)力筋；考慮到規(guī)范要求，采取有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力，跨后澆帶的鎖縫預(yù)應(yīng)力筋采用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力。 3.2根據(jù)2，混凝土中有效預(yù)應(yīng)力大于0.7Mpa，則可基本避免溫度應(yīng)力導(dǎo)致混凝土開裂。所以間距為2.8m的主次梁均應(yīng)施加預(yù)應(yīng)力，已達(dá)到在

5、板中建立一定預(yù)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(cè)向剛度很大的構(gòu)件周圍，以免影響兩側(cè)板帶的自由收縮。 3.4由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，預(yù)應(yīng)力筋數(shù)量和形式多樣，設(shè)計(jì)時(shí)就必須考慮采取相應(yīng)的構(gòu)造和施工措施來避免預(yù)應(yīng)力張拉施工時(shí)可能造成混凝土開裂。 4預(yù)應(yīng)力 4.1設(shè)計(jì)重點(diǎn) a)46軸部分結(jié)構(gòu)地下一層至六層縱向均為8.4m跨的框架結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)整體計(jì)算結(jié)果配筋，并對(duì)兩層柱采取加強(qiáng)措施。另外施工時(shí)九層的支撐為兩層高，而且后澆帶的設(shè)置使地下一層至六層的AC軸和EF軸以及九、十層AF軸在后澆

6、帶未澆混凝土、鎖縫筋未張拉之前形成12.4m的大懸挑結(jié)構(gòu)。所以這些部位結(jié)構(gòu)的支撐均通過認(rèn)真計(jì)算確定并適當(dāng)加強(qiáng)。 b)如圖1所示，十層和十一層1720/CG軸之間是一個(gè)懸挑大網(wǎng)架，面積為25.2m×33.6m，矢高為一個(gè)樓層高度，通過大型預(yù)埋件固定在17、18、19、20、E、F、G梁柱節(jié)點(diǎn)上。在風(fēng)荷載的作用下支座對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的水平推拉力，十一層G點(diǎn)支座向外拉力最大，為1300kN。為了避免在梁柱節(jié)點(diǎn)預(yù)埋件處局部混凝土產(chǎn)生過大的集中應(yīng)力，在預(yù)埋件上鉆直徑20mm的孔，采用無粘結(jié)應(yīng)力筋對(duì)預(yù)埋件進(jìn)行錨固,把支座拉力傳向遠(yuǎn)端框架結(jié)構(gòu)。無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋與原結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力筋不相干，基本走梁中直線，張

7、拉控制應(yīng)力為0.6fptk。 c)二十層屋面設(shè)置了冷卻塔、擦窗機(jī)以及沿周邊7m高的廣告牌。所以本樓層荷載復(fù)雜，特別是廣告牌支座在風(fēng)荷載作用下，每個(gè)支座最不利彎矩為250kN·m，支座兩個(gè)支點(diǎn)間距為800mm則支點(diǎn)上下反復(fù)集中力約為300KN。支座間距為28m，對(duì)于16.8m跨大梁就有5個(gè)點(diǎn)落在梁中位置，荷載值很大。 針對(duì)以上所述的設(shè)計(jì)重點(diǎn)難點(diǎn)，預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)緊密與建筑、鋼結(jié)構(gòu)、設(shè)備等專業(yè)配合，均采取了相應(yīng)有效合理的設(shè)計(jì)措施。 4.2預(yù)應(yīng)力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn) 材料強(qiáng)度等級(jí):混凝土C40，局部采用杜拉纖維C60混凝土;有粘結(jié)和無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋為1860高強(qiáng)低松弛鋼絞線，張拉控制應(yīng)力均為0.75 fptk

8、。 本工程采用SATWE以及PREC程序進(jìn)行抗裂驗(yàn)算以及配筋計(jì)算。根據(jù)規(guī)范要求:結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)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(duì)結(jié)構(gòu)多樣復(fù)雜性。對(duì)不同情況的構(gòu)件采取不同的控制標(biāo)準(zhǔn)（見表1）。 所有預(yù)應(yīng)力梁普通鋼筋基本采用對(duì)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(jìn)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(yàn)算，均未開裂。 5構(gòu)造設(shè)計(jì) 5.1后澆帶設(shè)置 如圖1所示，三道后澆帶把結(jié)構(gòu)分成長(zhǎng)度均為36m左右的四個(gè)區(qū)段，有效解決了側(cè)向剛度很大的剪力筒約束混凝土樓板自由收縮的問題。混凝土的收縮隨時(shí)間而增長(zhǎng)，初期發(fā)展

9、較快，兩周可完成全部收縮的1/4，一個(gè)月約可完成1/2，三個(gè)月完成6080。在后澆帶澆筑之前，超長(zhǎng)板可視為一種能接近于自由變形的構(gòu)件，后澆帶選擇兩個(gè)月后而且氣溫低于主體結(jié)構(gòu)澆灌時(shí)氣溫澆灌，考慮豎向結(jié)構(gòu)（柱和墻）的約束影響，可認(rèn)為此時(shí)收縮變形已完成50。穿越后澆帶的鎖縫預(yù)應(yīng)力筋在后澆帶混凝土達(dá)到100強(qiáng)度時(shí)即可張拉。為增強(qiáng)后澆帶的抗裂性能，采用比原強(qiáng)度等級(jí)高一個(gè)等級(jí)的膨脹混凝土澆灌。 預(yù)應(yīng)力對(duì)于EF軸段結(jié)構(gòu)從第三層就到17軸為止，則該區(qū)段1516軸之間的后澆帶的作用不是很明顯。為加快施工進(jìn)度，從第六層開始把該后澆帶取消，預(yù)應(yīng)力筋最長(zhǎng)55.4m。同時(shí)在16軸與剪力墻之間預(yù)留臨時(shí)施工后澆帶，以實(shí)現(xiàn)兩

10、端張拉和避免拉裂混凝土。同理在C、E軸邊板設(shè)置200mm寬的臨時(shí)后澆帶，以防止46軸間的橫向次梁預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)把內(nèi)部結(jié)構(gòu)拉裂。 1         5.2錨具設(shè)計(jì) 由于荷載和結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，預(yù)應(yīng)力梁內(nèi)的預(yù)應(yīng)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(hào)的錨具。固定端采用了擠壓式錨具。因此本工程預(yù)應(yīng)力錨具及相關(guān)配筋種類較多。 5.3張拉槽、后澆帶構(gòu)造設(shè)計(jì) 由于后澆帶或梁面張拉槽處需要采用變角張拉技術(shù)，而要實(shí)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(shè)計(jì)不作預(yù)先充分的考慮，必將帶

11、來如截筋而無法補(bǔ)強(qiáng)等施工問題，最終影響工程質(zhì)量。所以設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)構(gòu)造復(fù)雜的地方進(jìn)行特殊處理，以保證施工質(zhì)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(duì)割斷鋼筋采取增加相應(yīng)搭接筋進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。后澆帶及梁面張拉槽處張拉端的詳細(xì)構(gòu)造設(shè)計(jì)（見圖2和圖3）。 5.4張拉順序設(shè)計(jì) 根據(jù)本工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，張拉各個(gè)區(qū)域分開進(jìn)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(huì)由于主梁反拱抬起未張拉的次梁，而導(dǎo)致后者的開裂。預(yù)應(yīng)力筋張拉順序如下： a）先沿著一個(gè)方向張拉縱向次梁，再返回張拉縱向主梁； b）沿一個(gè)方向張拉橫向主、次梁；

12、 c）橫向主梁由于中間16.4m跨所配的預(yù)應(yīng)力筋比兩邊兩短跨多，必須先張拉貫通全50.4m梁的預(yù)應(yīng)力筋，在兩邊短跨梁內(nèi)建立起預(yù)壓力，再?gòu)埨虚g其余預(yù)應(yīng)力筋。否則必定把兩邊短跨梁拉裂。 6結(jié)語(yǔ) 經(jīng)各方共同努力，本工程施工進(jìn)展順利，經(jīng)觀察沒有發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)裂縫，質(zhì)量?jī)?yōu)良。工程實(shí)踐表明： 6.1采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)和合理布置后澆帶是解決超常結(jié)構(gòu)混凝土開裂的有效途徑。 6.2在高層中，施加預(yù)應(yīng)力能起承受主要豎向荷載而降低構(gòu)件尺寸的作用。所以在保持總高度不變的情況下，采用預(yù)應(yīng)力方案可以增加建筑物層數(shù)，從而取得顯著的效益。 6.3預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)配筋應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況而定，對(duì)同一幢建筑中的不同構(gòu)件，同一個(gè)構(gòu)件的不同工況都應(yīng)采取相應(yīng)不同的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。 6.4預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)全面、深入考