預拉力柱技術在某大懸挑結構中的應用

李學平 劉富君

（同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海200092）

0 引 言

當今社會，隨著科技與經濟的飛速發(fā)展、各種新技術與新材料的不斷出現，人們對建筑物的要求越來越高，利用建筑物的外觀來表達人類的藝術思想成了判斷建筑設計水平高低的重要標準。這必然給結構設計工程師們提出了許多新的問題，對新材料及新結構形式的科學應用提出了更高的要求，以滿足建筑師們的奇思妙想。在這些標新立異建筑中，大懸挑結構經常被采用［1-2］。

普通大懸挑結構的設計與施工［3］已比較成熟，基本可以通過加大懸挑構件（懸挑梁、懸挑桁架等）的矢高及減輕結構的自重等方法解決。但也有一些特殊的懸挑結構，由于建筑本身的一些特點而不能采用傳統(tǒng)的方法來解決。如本工程建筑的一個最大的特點就是結構的懸挑平衡端（壓重端）的壓重相對不足，從而導致傳遞懸挑荷載所形成彎矩的受拉構件的拉力過大，加大了這些構件的設計難度。本工程通過采用預拉力柱技術，很好地解決了這個問題，使集中在少數構件的拉力較均勻地分配到更多的構件上，減小了受拉構件的設計難度。

本文結合某大學生活動中心的設計，通過預拉力柱技術較好地解決了壓重不足類懸挑結構設計中的一系列難點問題。

1 工程概況

本工程為天津某大學大學生活動中心的一個單元。該活動中心根據功能繞中心庭院劃分為1#～6#建筑單元，并通過設置抗震縫將建筑劃分為多個結構單體。本工程是5#建筑單元（劇院結構），建筑面積1 900 m2，寬33.6 m，長57.7 m，地上1層，高16.00 m。建筑效果圖、平面圖及結構三維模型圖分別見圖1-3。

本工程抗震設防烈度為8 度，設計基本地震加速度為0.2g。設計地震分組為第二組。建筑場地類別為Ⅳ類，場地特征周期 0.75 s［3］。

圖1 本工程效果圖Fig.1 Design sketch of the project

圖2 一層結構平面示意圖Fig.2 The arrangement of first plane

圖3 結構三維模型圖Fig.3 The structure 3D model diagram

2 預拉力柱結構方案分析

2.1 設計采用的結構方案

2.1.1 結構重力方案

根據劇院的建筑布置，沿劇院兩側的墻體（圖2，B軸、F軸）設置了兩榀主要懸挑桁架桁，其上弦桿兼作屋面梁、下弦桿則沿觀眾席的斜板邊緣設置，形成了變高度的懸挑桁架見圖4（B 軸、F 軸處的結構布置圖）。在桁架的平衡端（圖4、6-9 軸）設置了平衡桁架，且在平衡桁架接近尾端（圖4、8軸處柱A）施加了向下的預拉力，以發(fā)揮基礎結構及樁基的平衡作用。為降低觀眾席重力傳至懸挑桁架的比例，一層觀眾席下設置了三榀變截面梁，其下端延伸錨入地下室縱向墻體，另一端擱置于橫向封口桁架，以將觀眾席的大部分荷載提前傳至基礎，見圖5（圖2 中的1-1 剖面圖）。標高16 m 處的屋面結構采用主、次鋼梁+鋼筋桁架板型式。橫向主鋼梁跨度26.8 m 且兩端懸挑，縱向次梁跨度7 m，鋼筋桁架板厚120 mm。

2.1.2 抗側力方案

縱向沿 B 軸、F 軸在 4-6 軸范圍內，設置了寬14 m 的鋼支撐框架以承擔縱向地震作用；此外，該鋼支撐框架還可以平衡懸挑桁架引起的部分彎矩，見圖4。橫向除在9 軸布置了混凝土剪力墻外，在2 軸觀眾席后墻位置布置了鋼桁架（兼作懸挑桁架的封口桁架），將屋面的地震作用傳遞到觀眾席樓板，再通過觀眾席樓板傳遞至基礎。

圖4 B軸、F軸處的結構布置圖（桁架A）Fig.4 Structural layout between B and F axis（truss A）

2.2 設計方案分析

本工程結構特點：①懸挑跨度大（23 m），且懸挑段的荷載大，觀眾席及后部放映室等均位于懸挑區(qū)域上。②非懸挑段的荷載較小，相對懸挑段表現為壓重不足。因為此單元為劇院結構，中間為大空間，只有部分屋面及B 軸和F 軸的部分建筑隔墻及結構構件提供壓重。

圖5 圖2中的1-1剖面圖Fig.5 1-1 profile in Figure 2

根據結構特點及建筑布置要求，較合理的結構方案為框架剪力墻（圖6）及框架支撐（圖7）。分析可得如下結論：①框架剪力墻結構及框架支撐結構，6軸處柱子（柱C）都會產生較大的拉力，4軸處柱子（柱D）都會產生較大的壓力；②若在8軸施加預拉力，即結構采用預拉力柱技術，6 軸處柱子的拉力及4 軸處柱子的壓力都會顯著減小，因為通過預拉力柱，原集中于柱C 的拉力較好地分布在了柱 A、柱 B 及柱 C 上，見圖 8 及圖 9；③框架支撐結構更有利于預拉力柱效果的發(fā)揮，因為框架支撐結構相對于框架剪力墻結構的剛度較低，可以發(fā)揮平衡端的平衡作用，而不至于讓懸挑端形成的彎矩過多地集中于剛度較大的剪力墻上，見圖10。

圖6 框架剪力墻方案模型圖Fig.6 Frame shear wall scheme model diagram

圖7 框架支撐方案模型圖Fig.7 Framework support program model diagram

圖8 框架支撐方案，柱在恒荷載工況下軸力對比圖Fig.8 The axial force comparison of the column under the condition of constant load for frame support scheme

圖9 框架剪力墻方案，柱在恒荷載工況下軸力對比圖Fig.9 The axial force comparison of column under constant load condition for frame shear wall scheme

圖10 框架剪力墻方案與框架支撐方案柱在恒+活荷載下軸力對比圖Fig.10 The axial force comparison of column under condition for frame shear wall scheme

3 設計方法

3.1 結構整體分析方法

采用預拉力柱技術的結構涉及結構的施工順序問題及預拉力柱預拉力的后施加問題，采用的施工模擬分析方法應符合結構的實際施工過程。本工程采用Etabs 軟件對結構進行了施工模擬分析。

采用Etabs 軟件可以將結構分成不同的階段進行分析，并且在不同階段上施加相應的荷載。本工程分為兩個階段，如圖11 所示為結構施工模擬分析第一階段模型圖，6軸與9軸之間的柱及部分斜撐未設置（是預拉力柱、后施工柱及斜撐），c處的支座為只約束Z向位移的支座與縫單元的串聯支座，模擬施工過程的腳手架；a、b 對應于設置預拉力柱的位置各施加1 500 kN 的拉力，模擬預拉力柱的預拉力，模型其他部分只施加主體結構的自重荷載。如圖12所示為結構施工模擬分析第二階段模型圖，去掉c處支座，補全預拉力柱、后施工柱及后施工支撐，并施加其余恒載及活荷載。

圖11 結構施工模擬分析第一階段模型圖Fig.11 Structure construction simulation and analysis of the first stage

圖12 結構施工模擬分析第二階段模型圖Fig.12 Structure construction simulation and analysis of the second stage

3.2 關鍵構件設計要點

3.2.1 預拉力柱預拉力的確定

預拉力柱設計的關鍵是預拉力值的確定，其確定原則如下：在正常使用工況下，受拉柱（包括預拉力柱）的拉力值相對接近。如此較均勻分配結構的拉力，可最大限度降低結構構件的設計難度。按如上原則確定的本工程預拉力柱的預拉力值為1 500 kN，分析結果見表1。

3.2.2 懸挑桁架桿件設計

懸挑桁架設計時，不考慮與其上弦桿相連的混凝土板的作用，即分析時將此處的混凝土板的剛度設為0。不考慮混凝土板的受拉作用更符合結構的實際受力性能，也相對保守。

表1 在恒+活荷載工況下，預拉力值為1 500 kN時柱軸力表Table 1 Axial force of column with 1 500 kN pretension under dead and live load condition

3.2.3 基礎設計

由本工程的結構特點（6 軸大拉力，4 軸大壓力）可以看出，結構基礎容易出現較大的不均勻沉降，針對此問題本工程采取了如下措施：①加大了4軸處柱底承臺的樁長，為28 m（其他為25 m）；②正負零之下，各柱間設置混凝土墻（墻高2.5 m）加強結構的整體性；③6-9 軸間的基礎連梁設置翼緣（600 mm寬），增加受拉柱柱底的壓重。

4 施工技術措施

本工程的預拉力柱技術需要在結構主體施工結束一定時間后對8 軸的鋼柱進行預張拉，故張拉前7軸和8軸的柱子應處于斷開的狀態(tài)；為保證結構體系施工時的穩(wěn)定，此兩處柱子采取先整根施工，然后施加預拉力前進行切割、施加預拉力后焊接的方式施工。具體過程如下：

本工程共有4 根柱需要切割。鋼柱編號于8～B（以下簡稱 8-B）軸線和8～F（8-F）軸線以及7～B（7-B）軸線和7～F（7-F）軸線。卸載順序依次為7-F、7-B、8-F、8-B，如圖13所示。

卸載時的安全保證方案如下：

（1）支撐系統(tǒng)：利用等肢角鋼200×24 mm 對稱布置在型鋼柱腹板空腔的肋板上，其上放置1 mm厚鋼片30 層，利用角鋼支撐與千斤頂支撐交替受力，并逐層抽取鋼片，以達到緩慢穩(wěn)定卸載的目的。

（2）卸載系統(tǒng)：將螺旋千斤頂（50 t）（螺旋卸載不會突然將力卸掉，保證安全）對稱放置于焊接好的牛腿平臺上，見圖14、圖15，其上部放置鋼管（D219×16 mm）以保證將節(jié)點上部荷載傳至千斤頂。同時為保證兩個千斤頂的同步卸載，將其轉動手柄通過連桿焊接到一起。

圖13 鋼柱切割順序圖Fig.13 Cutting sequence diagram of steel column

圖14 柱8-F、柱8-B切割卸載節(jié)點圖Fig.14 Column 8-B，8-F cutting and unloading node

圖15 -柱7-F、柱7-B切割卸載節(jié)點圖Fig.15 Column 7-B，7-F cutting and unloading node

（3）側向穩(wěn)定系統(tǒng)：在8 軸10 m 標高處有兩根斜梁，用來保證柱子的平面外穩(wěn)定。此外將原來的翼緣連接夾板變?yōu)殚L圓孔連接，在不影響豎向位移的同時，對柱子的水平位移進行有效約束。

預拉力施加前與預拉力柱相連的非桁架A的構件先處于鉸接狀態(tài)，或先不安裝或預留后澆帶，待預拉力是施加后再剛接或安裝或澆筑；砌筑的砌體墻先與其頂部構件預留縫隙，待預拉力施加后再砌筑。如此可保證預拉力柱實際連接情況與計算假定相符。

5 結論及建議

通過對壓重相對不足大懸挑結構中預拉力柱技術的設計應用，可以得到以下結論：

（1）預拉力柱技術效果顯著。它可以有效地改善大懸挑結構的受力性能，在壓重不足的情況下，效果更佳。

（2）采用預拉力柱技術結構的施工過程分析是此種結構分析設計的重點及難點之一，應全面考慮各種問題，使結構分析模型與結構實際受力性能相符；且應注明較詳細的施工過程要點，并在施工交底時分析清楚明白，確保施工方全面理解設計意圖，指導施工。

（3）預拉力柱技術的實現需要全面且行之有效的技術措施。本技術的實現不只是傳統(tǒng)的結構最終狀態(tài)的設計問題，而是全過程設計，要考慮與其實現相關聯的各方面問題。