大跨度預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的設(shè)計與應(yīng)用研究

摘 要：隨著現(xiàn)代建筑技術(shù)的不斷發(fā)展，大跨度預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用越來越廣泛。大跨度預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì)、高強、剛度大、抗震性能好等優(yōu)點，能夠滿足大空間、大跨度、高層建筑的需求，為現(xiàn)代建筑設(shè)計提供了更多的選擇?；诖耍瑢Υ罂缍阮A(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的設(shè)計與應(yīng)用進行詳細的闡述。

關(guān)鍵詞：大跨度預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)；建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計

中圖分類號：TU758.11? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：2096-6903（2023）12-0011-03

0 引言

隨著城市化進程的加快，建筑物的高度和規(guī)模不斷擴大，傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代建筑的需求，基于此，大跨度預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)應(yīng)運而生。該結(jié)構(gòu)具有較大的跨度空間，可以有效地減輕建筑物的質(zhì)量，提高建筑物的使用性能。預(yù)應(yīng)力技術(shù)的應(yīng)用，使得大跨度結(jié)構(gòu)在承載能力、抗震性能等方面具有顯著優(yōu)勢。隨著現(xiàn)代建筑技術(shù)的發(fā)展，大跨度預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在橋梁、體育館、展覽館等大型公共建筑中得到廣泛應(yīng)用。

1 大跨度預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的特點與基本原理

1.1 大跨度預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的特點

1.1.1 高強度

大跨度預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)采用高強度的材料，如鋼絲、鋼絞線等，具有較高的抗拉強度和抗壓強度，能夠承受較大的荷載。這種高強度的材料使得大跨度預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在面對風(fēng)力、地震等自然災(zāi)害時具有較好的穩(wěn)定性和安全性，也能提高建筑物的使用壽命和耐久性。

1.1.2 輕質(zhì)化

大跨度預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的自重較輕，有利于減輕建筑物的整體質(zhì)量，降低基礎(chǔ)承載壓力，提高建筑物的經(jīng)濟性和安全性。采用輕質(zhì)化的材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以降低建筑物的造價，減少對地基的壓力，降低地基沉降的風(fēng)險，還有利于提高建筑物的抗震性能和抗風(fēng)性能。

1.1.3 良好的抗震性能

大跨度預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)具有較好的延性，能夠在地震等自然災(zāi)害中有效地減小結(jié)構(gòu)的變形和破壞，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在受到外力作用時，能夠通過預(yù)應(yīng)力筋的張拉力來抵消部分外力，從而提高結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性。預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在地震等災(zāi)害發(fā)生時，由于其較好的延性，能夠有效地減小結(jié)構(gòu)的變形和破壞，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。

1.1.4 高度可調(diào)性

大跨度預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的高度可以通過調(diào)整預(yù)應(yīng)力筋的張拉程度來實現(xiàn)，具有較高的可調(diào)性，能夠滿足不同工程的需求。這種高度可調(diào)性使得大跨度預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在設(shè)計時具有更大的靈活性，可以根據(jù)實際工程需求進行高度調(diào)整，以滿足不同的建筑功能和使用要求。高度可調(diào)性還有利于提高建筑物的空間利用率，實現(xiàn)更加緊湊和高效的建筑空間設(shè)計。

1.2 大跨度預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的基本原理

1.2.1 預(yù)應(yīng)力原理

在建筑物施工過程中，常通過預(yù)先施加應(yīng)力，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的預(yù)壓應(yīng)力，從而提高結(jié)構(gòu)的承載能力和剛度。這種預(yù)應(yīng)力可以是自重荷載、外部荷載或者兩者的組合。通過預(yù)應(yīng)力的施加，可以使結(jié)構(gòu)在承受荷載時更加穩(wěn)定，從而提高建筑物的整體性能。

1.2.2 材料力學(xué)原理

利用材料的強度和剛度特性，合理選擇材料和截面形式，可以滿足結(jié)構(gòu)的承載能力和剛度要求。不同的材料具有不同的強度和剛度特性，因此在設(shè)計大跨度預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)時，需要根據(jù)建筑物的使用要求和環(huán)境條件，選擇合適的材料和截面形式，以保證結(jié)構(gòu)的安全可靠。

1.2.3 結(jié)構(gòu)力學(xué)原理

通過對結(jié)構(gòu)的受力分析，確定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布和受力狀態(tài)，從而保證結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。在大跨度預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中，需要對結(jié)構(gòu)的受力進行分析，以確定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布和受力狀態(tài)。這樣有助于確保結(jié)構(gòu)在承受荷載時不會出現(xiàn)破壞或失穩(wěn)的情況，從而提高建筑物的使用壽命[1]。

1.2.4 施工工藝原理

根據(jù)結(jié)構(gòu)的施工工藝要求，選擇合適的預(yù)應(yīng)力施加方式和工藝參數(shù)，以保證結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和性能。在大跨度預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中，需要考慮施工工藝的要求，如預(yù)應(yīng)力施加的方法、工藝參數(shù)的選擇等。這些因素都會影響結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和使用性能，因此需要在設(shè)計過程中予以充分考慮。

2 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中大跨度預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的設(shè)計要點

2.1 荷載分析

在設(shè)計過程中，負荷分析不僅是一個技術(shù)性的過程，也是一個深思熟慮的決策過程，其將直接影響建筑物的安全性、耐久性和功能性。

首先，需要根據(jù)建筑物的使用功能、結(jié)構(gòu)和材料等因素進行深入的負荷分析，確定結(jié)構(gòu)的荷載組合以及每個荷載的大小和位置。

其次，需要考慮到各種影響結(jié)構(gòu)負荷的自然因素，包括風(fēng)力、地震、溫度變化等。強風(fēng)會導(dǎo)致建筑物的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生額外的負荷；地震會使建筑物的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生劇烈的震動；溫度變化會影響建筑材料的性能，從而改變建筑結(jié)構(gòu)承受荷載的能力。

最后，還需要考慮人的行為的影響。例如，人們會在建筑物內(nèi)進行各種活動，如走動、跑步、舉重等，這些都會增加結(jié)構(gòu)的負荷。因此，需要對這些行為進行詳細的研究，以便更準確地預(yù)測結(jié)構(gòu)的負荷。

通過對荷載的分析，可以確定結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)[2]。安全系數(shù)是衡量建筑結(jié)構(gòu)能夠承受的最大負荷與實際負荷之間關(guān)系的數(shù)值。通過這個數(shù)值，可以判斷結(jié)構(gòu)是否能夠在各種條件下保持穩(wěn)定和安全。如果安全系數(shù)過高，會導(dǎo)致成本過高；如果安全系數(shù)過低，那么結(jié)構(gòu)會過于危險，無法滿足使用功能的要求。因此，確定一個適當?shù)陌踩禂?shù)是至關(guān)重要的。

2.2 結(jié)構(gòu)布局

在確定了荷載之后，需要進行一系列的分析和計算，以便更好地理解建筑結(jié)構(gòu)的需求和限制。這些分析包括對荷載的分布、大小和持續(xù)時間的研究以及對結(jié)構(gòu)的材料和設(shè)計的理解。在這個過程中，需要根據(jù)荷載分析和結(jié)構(gòu)力學(xué)原理，確定結(jié)構(gòu)的布局方案，包括梁、柱、板的尺寸和位置等關(guān)鍵參數(shù)的選擇。

這些參數(shù)的選擇不僅影響建筑的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和剛度，還會對建筑的美觀和使用效率產(chǎn)生重大影響[3]。例如，如果梁的位置選擇不當，會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性降低。如果板的尺寸過大或過小，也會影響建筑的剛度和美觀。因此需要根據(jù)具體的荷載和設(shè)計要求，綜合考慮各種因素，如材料的強度和耐久性、建筑的使用需求和環(huán)境條件等，來確定最佳的結(jié)構(gòu)布局方案。

結(jié)構(gòu)布局還需要考慮建筑的整體設(shè)計和美觀。如果一個高層建筑的柱子過于突出，會影響其外觀。因此，需要在滿足結(jié)構(gòu)安全和穩(wěn)定的前提下，盡可能地使結(jié)構(gòu)布局與建筑的整體設(shè)計相協(xié)調(diào)。

2.3 結(jié)構(gòu)形式與材料選擇

在確定了結(jié)構(gòu)布局之后，需要選擇合適的結(jié)構(gòu)形式。結(jié)構(gòu)形式是決定結(jié)構(gòu)性能的關(guān)鍵因素[4]。常見的結(jié)構(gòu)形式有框架結(jié)構(gòu)、拱橋結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)等。每種結(jié)構(gòu)形式都有其優(yōu)點和缺點，需要根據(jù)具體的使用環(huán)境和性能要求來選擇。在確定了結(jié)構(gòu)的形式之后，需要選擇合適的材料。材料的強度、韌性、耐久性等都會影響結(jié)構(gòu)的性能。因此，選擇合適的材料是非常重要的。對于大跨度結(jié)構(gòu)，通常需要選擇高強度鋼筋混凝土或預(yù)應(yīng)力鋼材等。

2.4 構(gòu)件與預(yù)應(yīng)力設(shè)計

在確定了結(jié)構(gòu)的布局和形式之后，需要對各個構(gòu)件進行詳細設(shè)計，包括梁的截面形狀、板的長度和寬度等[5]。構(gòu)件的設(shè)計直接影響結(jié)構(gòu)的性能和施工難度。在確定了結(jié)構(gòu)的布局、形式和材料之后，需要確定預(yù)應(yīng)力的大小和施加方式。預(yù)應(yīng)力是一種可以提高結(jié)構(gòu)承載能力和剛度的方法。預(yù)應(yīng)力的大小和施加方式需要根據(jù)結(jié)構(gòu)的荷載分析和材料特性來確定。

2.5 錨固系統(tǒng)設(shè)計

在進行錨固系統(tǒng)設(shè)計時，需要選擇合適的錨固方式和錨具。錨固方式的選擇主要取決于預(yù)應(yīng)力筋的材料、直徑、長度以及受力情況。常見的錨固方式有粘結(jié)式錨固、機械式錨固、化學(xué)錨固等。粘結(jié)式錨固適用于預(yù)應(yīng)力筋的直徑較小、長度較短的情況；機械式錨固適用于預(yù)應(yīng)力筋的直徑較大、長度較長的情況；化學(xué)錨固適用于預(yù)應(yīng)力筋的直徑較大、長度較長且需要長期使用的情況。

在選擇合適的錨具時，需要考慮預(yù)應(yīng)力筋的直徑、長度、材料等因素。錨具的作用是將預(yù)應(yīng)力筋與結(jié)構(gòu)物牢固地連接在一起，防止預(yù)應(yīng)力筋在使用過程中發(fā)生滑移和斷裂。因此，在選擇錨具時，需要確保其具有足夠的強度和剛度，可以承受預(yù)應(yīng)力筋在荷載作用下產(chǎn)生的應(yīng)力。

3 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中大跨度預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的應(yīng)用實例

3.1 工程概況

某建筑工程為三類住宅組團用地，其中地上建筑面積為272 927.8 m?，配置居委會、托老所、小型垃圾壓縮收集站、商業(yè)等設(shè)施，建筑面積約20 460 m?。地塊內(nèi)中小套型住宅建筑面積不低于住宅建筑面積的80%，共201 974.2 m?。其設(shè)計建設(shè)標準為：多層住宅建筑面積不大于90 m?，小高層住宅建筑面積不大于95 m?，高層住宅建筑面積不大于100 m?。

工程中，地下總用地面積為136 463 m?，起止深度為±0.00～6.50 m。由于其中商業(yè)建筑空間需求較大，傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)難以滿足其舒適度要求。因此，項目方?jīng)Q定采用大跨度預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)作為主要承載結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)建筑空間的最大化利用。

3.2 預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計

在大跨度預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中，需要對結(jié)構(gòu)的受力特點進行分析。這包括了對結(jié)構(gòu)的自重、荷載、材料性能等因素的研究。通過對這些因素的深入研究和理解，可以確定結(jié)構(gòu)的合理形式和尺寸，以滿足其在使用過程中的安全性和穩(wěn)定性要求。

設(shè)計過程中，還需要對結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力分布進行優(yōu)化設(shè)計。預(yù)應(yīng)力是一種通過預(yù)先施加應(yīng)力，使結(jié)構(gòu)在使用過程中能夠承受更大的荷載的方法。通過優(yōu)化預(yù)應(yīng)力分布，可以提高結(jié)構(gòu)的承載能力和抗震性能，從而提高整個結(jié)構(gòu)的使用壽命和安全性。

在本工程中，采用了單層正交異性板柱-支撐結(jié)構(gòu)體系。這種結(jié)構(gòu)體系具有結(jié)構(gòu)簡單、受力明確、施工方便等優(yōu)點，非常適合大跨度預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的設(shè)計。根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力特點，選擇了高強度鋼材作為主要材料。高強度鋼材具有強度高、韌性好、耐久性強等優(yōu)點，能夠滿足大跨度預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在受力上的要求[6]。為了進一步增強結(jié)構(gòu)的承載能力和抗震性能，還通過預(yù)應(yīng)力技術(shù)對鋼材進行了加固。在結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)置了預(yù)應(yīng)力筋，通過張拉的方式使鋼筋產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，不僅可以提高結(jié)構(gòu)的承載能力，還可以提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。

3.3 施工工藝

在本工程中，大跨度預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的施工工藝主要包括構(gòu)件制作、安裝、張拉和錨固等環(huán)節(jié)。這些環(huán)節(jié)的順利進行對于保證整個工程的質(zhì)量和安全至關(guān)重要。

在構(gòu)件制作過程中，需要對鋼材進行切割、成型和焊接等工序。切割是將原材料切割成所需尺寸的過程，這一步驟需要精確控制切割尺寸，以確保構(gòu)件的尺寸符合設(shè)計要求。成型是將切割好的鋼材通過各種加工方法（如彎曲、沖壓等）使其形狀符合設(shè)計要求。焊接是將切割和成型后的鋼材通過高溫熔化后連接在一起，形成一個完整的構(gòu)件。在這個過程中，需要嚴格控制焊接質(zhì)量，確保焊縫牢固可靠。

在安裝過程中，需要對構(gòu)件進行定位、連接和固定。定位是為了確保構(gòu)件在結(jié)構(gòu)中的正確位置，避免因位置偏差導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。連接是將各個構(gòu)件之間的連接部位進行連接，通常采用螺栓、鉚釘?shù)确绞竭M行連接。固定是為了確保構(gòu)件在安裝過程中的穩(wěn)定性，通常采用支撐、臨時固定等方式進行固定。在安裝過程中，還需要對構(gòu)件進行檢查，確保其表面平整、無裂紋等缺陷。

在張拉和錨固環(huán)節(jié)，需要對預(yù)應(yīng)力筋進行精確的張拉和錨固。張拉是將預(yù)應(yīng)力筋從初始狀態(tài)拉伸到設(shè)計的預(yù)應(yīng)力值的過程，這一過程需要精確控制張拉力和張拉速度，以保證結(jié)構(gòu)的承載能力和抗震性能達到設(shè)計要求。錨固是將預(yù)應(yīng)力筋與混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋或其他錨固件連接在一起的過程，這一過程需要確保預(yù)應(yīng)力筋與錨固件之間的連接牢固可靠，以保證結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性。

在灌漿環(huán)節(jié)，預(yù)應(yīng)力梁張拉完成后應(yīng)停12 h，用以觀察鋼絞線的錨固情況，然后盡快進行孔道灌漿。每個預(yù)應(yīng)力孔道灌漿應(yīng)緩慢均勻地進行，不能中途停頓。灌漿時灌漿管不能離開灌漿孔，以免空氣進入孔道形成氣泡。為使灌漿飽滿，應(yīng)待排氣孔排出濃漿后將排氣孔封閉，整個孔道灌滿后再封閉灌漿孔，確保預(yù)應(yīng)力筋不被腐蝕，提高預(yù)應(yīng)力筋與混凝土結(jié)構(gòu)的一體性。

3.4 工程效果

經(jīng)過施工人員對施工和監(jiān)理單位的嚴格把關(guān)，該大跨度預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)工程順利竣工。在建筑使用過程中，結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出良好的承載能力和抗震性能，滿足了設(shè)計要求和使用功能。建筑結(jié)構(gòu)的外觀美觀大方，與周邊環(huán)境相協(xié)調(diào)，得到了業(yè)主和使用者的一致好評。

4 結(jié)束語

大跨度預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的設(shè)計與應(yīng)用是一項復(fù)雜而富有挑戰(zhàn)性的工程任務(wù)。在實際設(shè)計過程中，需要充分考慮結(jié)構(gòu)的安全性、經(jīng)濟性、美觀性和創(chuàng)新性等因素，以實現(xiàn)最佳的設(shè)計效果。還需要不斷學(xué)習(xí)和掌握新的設(shè)計理念、方法和技術(shù)，以滿足不斷變化的建筑需求。此外，大跨度預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的設(shè)計和應(yīng)用是現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的一種重要發(fā)展趨勢。通過對這種結(jié)構(gòu)的深入研究和實踐，可以為建筑行業(yè)提供更多的創(chuàng)新思路和技術(shù)手段。

參考文獻

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收稿日期：2023-09-11

作者簡介：朱粟郁（1991—），男，上海人，本科，工程師，研究方向：結(jié)構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用。