組合線型大跨預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計及施工分析

曹忠華

0 引言

某國際商務(wù)酒店位于某縣開發(fā)區(qū)，總建筑面積5.8 萬m，地上建筑面積約4.0 萬m，地下建筑面積約1.8 萬m。該國際酒店地下2 層，地上由21 層主樓和6 層裙房組成。地下負(fù)二層為人防區(qū)，地下負(fù)一層主要是廚房及停車庫；地上1～9 層為商業(yè)、會議、宴會部分，10～20 層為住宿部分，21 層為酒店運(yùn)營辦公部分。

該建筑地下室負(fù)二層層高為3.6m，負(fù)一層層高5.3m，主樓1～5 層層高6.0m，其余層高4.5m；裙房層高6.0m，局部大空間宴會廳層高12.0m，建筑高度為36.45m。主樓與裙房在±0.00 以上由抗震縫分成兩個結(jié)構(gòu)單元，本文主要研究分析裙房宴會廳大跨度預(yù)應(yīng)力梁對結(jié)構(gòu)設(shè)計影響，宴會廳位于裙房中部尺寸為27.0m×38.5m。

宴會廳根據(jù)開洞情況及周邊樓梯電梯布置剪力墻與框架柱形成框剪結(jié)構(gòu)。根據(jù)該裙房宴會廳使用面積和人員情況考慮裙房建筑抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類，根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限采用50 年。抗震設(shè)防烈度為7度區(qū)第一組，結(jié)構(gòu)框架等級為二級，剪力墻抗震等級為一級。

1 裙房結(jié)構(gòu)體系選擇及預(yù)應(yīng)力筋布置選型

該國際酒店裙房主要功能為宴會廳，宴會廳由于層高要求均為2 層層高且周邊樓電梯通風(fēng)井較多，故存在較多開洞和穿層現(xiàn)象（如圖1），穿層位于3 層、5 層及屋面。從平面圖可知其開洞率遠(yuǎn)大于規(guī)范要求的30%，樓板有效寬度也遠(yuǎn)小于規(guī)范要求的50%。因此該結(jié)構(gòu)平面極不規(guī)則，為考慮其抗震性和安全性在基礎(chǔ)選型和結(jié)構(gòu)選型上都進(jìn)行了對比分析。

圖1 預(yù)應(yīng)力梁布置圖（虛線表示預(yù)應(yīng)力梁）

1.1 基礎(chǔ)選型及結(jié)構(gòu)基本概況

根據(jù)裙房部分建筑空間布局和地質(zhì)勘察報告內(nèi)容，因宴會廳中間跨度較大，地下有兩層地下室需考慮其中間部分抗浮問題，同時主樓荷載較大，根據(jù)地勘報告需采用樁基，故綜合考慮抗浮及土質(zhì)情況，該項目基礎(chǔ)形式采用人工挖孔樁，裙房大部分柱采用一柱一樁的形式，對于承受預(yù)應(yīng)力梁大跨度荷載的柱下根據(jù)荷載情況采用多樁承臺的形式，該基礎(chǔ)方案既解決了結(jié)構(gòu)抗浮問題，同時也滿足基礎(chǔ)承載力要求。

主體結(jié)構(gòu)因結(jié)構(gòu)平面極不規(guī)則，為滿足結(jié)構(gòu)的整體抗震性能和控制結(jié)構(gòu)平面局部扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，該結(jié)構(gòu)在大洞口周邊及重要豎向通道周邊設(shè)置鋼筋混凝土剪力墻。經(jīng)過在平面不同位置設(shè)置剪力墻進(jìn)行對比分析，最終確定剪力墻布置的位置。因該結(jié)構(gòu)平面極不規(guī)則，為增加其抗震性能，除進(jìn)行有限元整體分析及彈性時程分析法補(bǔ)充計算外，也要對其關(guān)鍵構(gòu)件、關(guān)鍵部位及重要構(gòu)件進(jìn)行彈塑性分析，保證其在中震情況下不屈服，同時對其框架梁柱提高抗震措施等級。

1.2 預(yù)應(yīng)力梁布置對比分析

根據(jù)建筑平面功能情況，綜合分析了采用雙向預(yù)應(yīng)力梁布置形式和單項預(yù)應(yīng)力梁布置形式的結(jié)構(gòu)性能。根據(jù)分析結(jié)果雙向預(yù)應(yīng)力布置形式比單向預(yù)應(yīng)力布置梁板抗變形能力和抗裂能力較好，但其雙向框架柱截面均較大，不利用建筑空間使用，且因該建筑兩側(cè)均為樓梯電梯間，導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力梁張拉端及錨固端布置極難實(shí)現(xiàn)。故綜合分析該項目采用縱向框架預(yù)應(yīng)力梁現(xiàn)澆梁板的形式。本文主要針對3 層、5 層及屋面大跨度預(yù)應(yīng)力梁為例進(jìn)行受力分析和研究，其預(yù)應(yīng)力布置平面圖如圖1，該預(yù)應(yīng)力梁跨度為27.0m。

1.3 預(yù)應(yīng)力梁中預(yù)應(yīng)力筋的形式選擇分析

該裙房宴會廳樓面及屋面為縱向預(yù)應(yīng)力梁布置，跨度為27.0m。根據(jù)該預(yù)應(yīng)力梁受荷面積情況，首先選擇四段拋物線形式布置預(yù)應(yīng)力筋，進(jìn)行預(yù)應(yīng)力梁受力分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)雖然解決了預(yù)應(yīng)力梁抗裂性能和撓度問題，但預(yù)應(yīng)力梁兩端框架柱配筋較大，導(dǎo)致框架柱截面影響建筑使用功能，同時部分受力過大預(yù)應(yīng)力梁反拱值不滿足規(guī)范要求，若增加非預(yù)應(yīng)力鋼筋導(dǎo)致梁配筋率超過規(guī)范要求。經(jīng)綜合分析后采用四段拋物線和直線型相結(jié)合的組合形式布置能夠很好避免上述情況（如圖2），同時還有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：（1）該組合形式預(yù)應(yīng)力束布置能極大地應(yīng)用預(yù)應(yīng)力筋的潛力，使兩端框架柱配筋不會因布置預(yù)應(yīng)力鋼絞線而產(chǎn)生過大附加彎矩；（2）對于直線型預(yù)應(yīng)力筋能更好地提高大跨度預(yù)應(yīng)力梁底的抗裂性能和梁的變形能力；（3）四段拋物線形式能在預(yù)應(yīng)力梁中形成多個轉(zhuǎn)彎點(diǎn)，使預(yù)應(yīng)力束在張拉時受力更為均勻從而降低因預(yù)應(yīng)力束孔道摩擦而造成的預(yù)應(yīng)力損失，減少預(yù)應(yīng)力梁的配筋，對于預(yù)應(yīng)力梁抗震性能也有所提高。

圖2 四段拋物線和直線型預(yù)應(yīng)力筋布置示意圖

2 組合線型大跨預(yù)應(yīng)力梁設(shè)計及其性能分析

2.1 裙房結(jié)構(gòu)整體計算分析

根據(jù)該建筑平面情況和穿層情況，裙房宴會廳根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》第3.4.3 條規(guī)定，該建筑存在局部樓板不連續(xù)的平面不規(guī)則和穿層柱等其他不規(guī)則。對整體采用盈建科有限元分析軟件（YJKS3.0）進(jìn)行抗震性能分析，并對樓板彈性樓板假定、考慮雙向地震作用。同時采用彈性時程分析對地震力進(jìn)行補(bǔ)充計算分析，根據(jù)分析結(jié)果得知采用振型分解反應(yīng)譜法計算能夠反映其地震真實(shí)響應(yīng)。同時考慮樓板開洞較大，為保證洞口周邊穿層柱的抗震性能，對洞口周邊框架柱進(jìn)行抗震性能化設(shè)計，保證其在中震情況下彈性設(shè)計。同時與其相連框架梁按中震彈性進(jìn)行配筋設(shè)計。

2.2 預(yù)應(yīng)力梁內(nèi)力分析

利用盈建科有限元分析軟件（YJKS3.0）對裙房宴會廳大跨預(yù)應(yīng)力梁進(jìn)行整體有限元分析，直線型預(yù)應(yīng)力鋼絞線設(shè)置在梁底以上150mm，四段拋物線跨中距離梁底以上300mm 處，兩端設(shè)置在梁頂250mm 以下。根據(jù)上述基本設(shè)置條件對預(yù)應(yīng)力梁主要受力性能計算結(jié)果和規(guī)范比較，以三層受力最大預(yù)應(yīng)力為例列出相關(guān)結(jié)果（見表 1）。根據(jù)分析結(jié)果可知利用組合線型對框架梁施加預(yù)應(yīng)力，可很好的提高其抗裂性能和控制其撓度。根據(jù)計算結(jié)果采用組合線型預(yù)應(yīng)力筋布置比單一線型布置有幾個優(yōu)點(diǎn)：其一，預(yù)應(yīng)力損失比單一線型布置要??；其二，預(yù)應(yīng)力梁反拱值明顯減小，施工階段預(yù)應(yīng)力張拉安全性更容易把控；其三，施工階段產(chǎn)生的壓應(yīng)力值明顯小于規(guī)范規(guī)定限制；其四，預(yù)應(yīng)力梁撓度和裂縫明顯小于規(guī)范規(guī)定限制。

2.3 大跨預(yù)應(yīng)力梁等加強(qiáng)措施

2.3.1 預(yù)應(yīng)力框架梁抗震加強(qiáng)措施

大跨預(yù)應(yīng)力梁其優(yōu)點(diǎn)是能夠大幅提高梁的承載能力，降低同等跨度梁的高度，從而更有利于建筑空間使用；同時減少了建筑材料用量，減少整個結(jié)構(gòu)自重，而且也減小結(jié)構(gòu)整體剛度，從而無論從減少結(jié)構(gòu)自重還是增加結(jié)構(gòu)自振周期方面均會降低整個建筑結(jié)構(gòu)地震作用力。但其也有相應(yīng)的缺點(diǎn)隨著預(yù)應(yīng)力鋼筋的增加，預(yù)應(yīng)力梁其延性相應(yīng)降低，對結(jié)構(gòu)耗能性產(chǎn)生不利影響。為了發(fā)揮預(yù)應(yīng)力梁的優(yōu)勢同時又兼顧其抗震性能，故控制預(yù)應(yīng)力筋與非預(yù)應(yīng)力鋼筋的強(qiáng)度比值就顯得尤為重要。根據(jù)《預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)程》第4.2.3 條的要求，對于本工程抗震等級為一級的構(gòu)件，其預(yù)應(yīng)力的強(qiáng)度值占總鋼筋強(qiáng)度值比值不大于0.75，以保證預(yù)應(yīng)力框架梁在地震情況下的延性。根據(jù)表1 可知該工程預(yù)應(yīng)力的強(qiáng)度值占比均在0.5～0.6之間，能很好地發(fā)揮預(yù)應(yīng)力梁的優(yōu)勢同時保證預(yù)應(yīng)力框架梁的耗能性和抗震性。

表1 受力最大中間跨預(yù)應(yīng)力梁三層為例計算結(jié)果

2.3.2 預(yù)應(yīng)力框架梁施工加強(qiáng)措施

在進(jìn)行預(yù)應(yīng)力筋張拉時，因在梁端一定范圍內(nèi)會形成較大的應(yīng)力集中，而這些應(yīng)力不僅僅存在梁端錨固區(qū)框架柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)，且會擴(kuò)散到附近翼緣板內(nèi)中。因此為了解決預(yù)應(yīng)力束錨固區(qū)應(yīng)力集中而導(dǎo)致的局部較大壓應(yīng)力，需專門對錨固區(qū)進(jìn)行局部壓應(yīng)力計算，當(dāng)計算滿足要求時也應(yīng)在錨固區(qū)設(shè)置構(gòu)造加強(qiáng)鋼筋，如螺旋鋼筋和附加U 形插筋，以提高其抵抗局部集中力的能力。當(dāng)計算不滿足要求時，應(yīng)按計算結(jié)果配置防劈裂鋼筋和上述構(gòu)造加強(qiáng)鋼筋。同時為了解決因預(yù)應(yīng)力筋在張拉時在錨固區(qū)翼緣板中產(chǎn)生的附加拉應(yīng)力，本工程在梁端與梁成45°夾角板中部設(shè)置構(gòu)造加強(qiáng)鋼筋，鋼筋間距不大于100mm，且每側(cè)不小于7 根鋼筋。

在預(yù)應(yīng)力筋張拉過程中除了上述在預(yù)應(yīng)力梁端部形成較大集中力外，在梁的跨中因預(yù)應(yīng)力筋的張拉導(dǎo)致的反拱對結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能的影響也必須考慮，為減小反拱值對梁板的影響，首先通過計算保證其反拱值在規(guī)范允許范圍內(nèi)，同時增加預(yù)應(yīng)力梁上板支座負(fù)筋，并設(shè)計支座負(fù)筋長度不小于板相應(yīng)跨度的1/3，且保證1/2 支座負(fù)筋通長設(shè)置。根據(jù)現(xiàn)場施工檢驗，通過上述加強(qiáng)措施，施工中未發(fā)現(xiàn)梁端開裂及預(yù)應(yīng)力梁反拱帶來的任何裂縫，說明該加強(qiáng)方案是有效可行的。

3 組合線型預(yù)應(yīng)力梁施工難點(diǎn)及施工過程中的監(jiān)測

3.1 組合線型預(yù)應(yīng)力筋的張拉及施工難點(diǎn)

綜合分析該宴會廳平面布置，該宴會廳預(yù)應(yīng)力筋采用Φ15.2 鋼絞線。根據(jù)文獻(xiàn)[1]第10.1.3 條預(yù)應(yīng)力筋張拉控制應(yīng)力為0.75 倍鋼絞線的極限強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，同時為了抵消預(yù)應(yīng)力鋼絞線松弛、摩擦、鋼筋分批張拉等預(yù)應(yīng)力的損失對預(yù)應(yīng)力不利的影響，本工程采用1.05 倍張拉控制應(yīng)力的超張拉。為了保證預(yù)應(yīng)力筋在張拉過程中結(jié)構(gòu)的安全性，張拉時需保證梁板混凝土強(qiáng)度已到達(dá)設(shè)計值，同時支撐預(yù)應(yīng)力梁板的支撐系統(tǒng)不允許拆除。

根據(jù)本工程預(yù)應(yīng)力梁平面布置情況，在整個預(yù)應(yīng)力梁施工過程中有以下幾個重點(diǎn)和難點(diǎn)：（1）由于本工程預(yù)應(yīng)力梁跨度大且為了滿足建筑功能需求錨固端框架柱截面寬度有效，導(dǎo)致在預(yù)埋預(yù)應(yīng)力束波紋管之前就要考慮柱兩側(cè)縱筋放置位置，既要滿足規(guī)范要求又能滿足波紋管需求；（2）因該項目為后張法有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力，故對后期預(yù)應(yīng)力波紋管內(nèi)灌漿要求較高，既要保證其密實(shí)度同時灌漿孔不宜過多以免影響預(yù)應(yīng)力梁性能；（3）因預(yù)應(yīng)力束端部鋼絞線拉力非常大，故對在施工預(yù)應(yīng)力梁端部混凝土的密實(shí)度要求較高，養(yǎng)護(hù)時應(yīng)格外注意；（4）因該宴會廳裝飾要求較高，故在預(yù)應(yīng)力梁中有大量為保證后期裝飾結(jié)構(gòu)錨固而設(shè)置的預(yù)埋件，為保證計算假定與實(shí)際使用相一致就需要對這些預(yù)埋件定位準(zhǔn)確同時與波紋管的距離應(yīng)滿足規(guī)范要求。

3.2 預(yù)應(yīng)力梁施工監(jiān)測方案及監(jiān)測目的

為了掌握本工程組合型預(yù)應(yīng)力筋布置對該項目大跨預(yù)應(yīng)力梁在抗裂性和撓度實(shí)際影響，在預(yù)應(yīng)力筋張拉施工時針對受力最大的中間跨預(yù)應(yīng)力梁進(jìn)行施工監(jiān)測。預(yù)應(yīng)力筋張拉監(jiān)測方案為：（1）在預(yù)應(yīng)力筋張拉前采用預(yù)應(yīng)力混凝土梁檢測儀對預(yù)應(yīng)力混凝土密實(shí)度和是否存在內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢查；（2）在預(yù)應(yīng)力梁跨中處上下表面布置擾度控制點(diǎn)設(shè)置位移計；（3）在預(yù)應(yīng)力梁跨中梁底梁頂混凝土表面布置應(yīng)變片；（4）當(dāng)預(yù)應(yīng)力筋張拉灌漿完成達(dá)到強(qiáng)度后再利用預(yù)應(yīng)力混凝土梁檢測儀對灌漿密實(shí)度等進(jìn)行檢測。通過對應(yīng)變變化監(jiān)測和擾度監(jiān)測，主要監(jiān)測（1）查看預(yù)應(yīng)力梁整體澆筑是否密實(shí)，整體施工質(zhì)量是否滿足設(shè)計及使用要求；（2）預(yù)應(yīng)力梁跨中反拱值及預(yù)應(yīng)力梁擾度等是否滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語

本文通過對大跨度組合線型預(yù)應(yīng)力梁受力分析、構(gòu)造措施和預(yù)應(yīng)力梁施工監(jiān)測等得到以下結(jié)論：（1）在大跨預(yù)應(yīng)力框架梁中采用四段拋物線和直線組合線型布置預(yù)應(yīng)力筋既能解決因單一預(yù)應(yīng)力布置過多導(dǎo)致的框架柱過大附加彎矩，又能更好地解決大跨度預(yù)應(yīng)力梁的受力情況；（2）在解決大跨度預(yù)應(yīng)力梁反拱問題等組合線型更能符合實(shí)際使用要求；（3）在控制預(yù)應(yīng)力筋強(qiáng)度比情況下預(yù)應(yīng)力梁能夠在滿足抗震性能的同時滿足其抗裂性能；（4）在預(yù)應(yīng)力梁錨固區(qū)及其翼緣板進(jìn)行鋼筋構(gòu)造加強(qiáng)是非常有必要的。