大跨度预应力混凝土住宅结构体系的受力特性

栾 翔

(联安国际建筑设计有限公司，北京 100000)

当前，我国建筑体系中，大多数的高层建筑使用的都是普通的钢筋混凝土结构，常见的有砖混结构、框架结构以及剪力墙结构等，但是，随着跨度的不断增加，结构受到的限制也会增加。大跨度预应力混凝土住宅结构体系的运用，使得大空间住宅结构中存在的局限问题获得了很好的解决，其主要是以无粘结预应力楼盖、剪力墙等研究工作为基础，同时结合现代高层建筑的特点，进而产生的一种新型的结构。大跨度预应力住宅的水平结构主要是由无粘结预应力组成的，这使得该住宅结构的深度与广度都有着一定的扩展空间，并且该住宅内部的每个用户都不能私自使用竖向的承重构件，以此来保证室内空间有效的分隔，保证室内不会出现明梁，不会影响室内整体的美观。同时，竖向结构体系广泛的使用了异形柱结构、剪力墙结构等，因此在用户房间内不会出现明柱，使得室内空间变得更为宽敞，也从另一方面增加了室内面积，使得开发商获得更好的经济效益。大跨度预应力混凝土住宅结构体系已经在国内很多省市的建筑中获得了应用，比如广州、福建等地区已经对这一住宅结构进行了初步使用。但是，大跨度预应力混凝土住宅结构的研究工作仍然不够深入，其优越性无法获得有效的发挥，因此在推广方面仍然存在着一定的局限性。从结构分析方面来说，在针对无粘结预应力楼盖、异形柱、剪力墙等方面的研究工作已经取得了一定的成就，但是如何将这几种结构结合成一个统一的整体，以及对由此而组成的建筑结构可能会产生的新的问题的研究，以及其会出现哪些新的受力特征等，并没有深入的研究，因此，笔者对于这一结构的受力特征，对其中的某一个单层结构进行弹性分析，以期能够取得一定的成果。

1 模型参数

选取大跨度预应力住宅结构体系典型平、立面布置，如图1所示。混凝土强度等级:梁板C40，柱C30，混凝土容重25 kN/m3;板厚200 mm，梁截面取 b×h=250 mm×400 mm，层高4.5 m;恒载9.0 kN/m2，活载5.0 kN/m2。采用 SAP2000进行结构模型受力分析，采用Shell单元模型建模，如图2所示。采用振型分解反应谱法计算结构在多遇地震作用下的反应，分析选用《建筑抗震设计规范》7度设防烈度(水平地震影响系数最大值0.12)，设计地震分组第一组，Ⅱ类场地，特征周期Tg=0.35 s，阻尼比0.05，沿X轴单向输入地震作用。

2 结构内力计算

1)预应力的施加。在竖向荷载作用下，由于梁与楼板的相互作用使得梁的扭矩会产生较大的变化，楼板在竖向荷载作用下会在板端产生负弯矩，而这个弯矩也会造成梁上的扭矩平衡发生变化，进而使得边梁发生较大的扭矩。

图1 大跨度预应力混凝土住宅结构布置图

图2 模型示意图

一字形边柱平面自身的抗弯度不大，容易在外力的作用下产生变形，因此其对于梁的扭转作用不强，需要通过梁的扭转对角柱进行约束，会使角柱和梁之间的交界处产生的扭矩数值加大，大跨度预应力混凝土住宅结构本身具有很大的跨度，所以当其受到一定的外力时，板结构的弯矩和梁的扭转都会产生明显的变化。预应力的施加会造成扭矩截面的增加。如果是单向的地震作用，则与地震输入方向平行的梁扭矩会发生较为明显的变化，但是数值不会很大，因此不会对结构产生较大的影响。

2)各荷载作用下柱受力分析。大跨度混凝土结构中，如果结构的内力方向与坐标方向相同，则其整体结构与坐标结构也是一致的，在不同的外力作用下，结构内部会产生不同的应力。如果是在竖向的外力作用影响下，角柱需要承担的竖向应力就会明显增强，该应力的范围则保持与柱的荷载范围相同。当结构受到竖向应力时，承重构件就会在外力的作用下产生一定的变化，这些变化的数值可以通过相关的计算进行确定，角柱轴力增加的数据与边柱减小的数据之间存在着一定的比例关系，而这一结果的获得与模型的选取有着很大的关系，同时也存在着一定的局限性。竖向作用荷载下，角柱的顶和底面积都要承受较大的应力，这时便会使角柱顶面弯矩不断的增加，与此同时角柱底面弯矩却减少。地震作用对于角柱的柱底界面弯矩有着较大的影响，垂直于地震输入方向的弯矩在应力的作用下会增加几乎两倍。在竖向荷载作用下，一字形边柱两轴的方向会产生悬殊较大的承受弯矩，这时其平面外弯矩会增大，而内弯矩则会减少。

3)各荷载作用下板受力分析。预应力对于板也有着较大的影响。板边最小的负弯矩往往会存在于板边与一字形边柱的交界处，这时对其施加预应力会造成弯矩的值迅速减少，甚至达到70%左右，同时也会造成跨中板底的最大弯矩数值减少70%左右。在楼板中施加预应力，使得楼板底部的拉应力受到影响而降低，这时能够对板的变形进行控制，从而极大的减小了板的挠度。

3 结语

通过本文对大跨度预应力混凝土住宅结构体系的受力特征进行的初步研究与判断，获得以下几点结论:

1)科学的施加预应力，能够对住宅结构楼板的受力状态进行很好的改变，使得楼板的挠度大幅度的降低，这样便能够使楼板中的拉应力明显的减少，对于预防裂缝问题的出现有着很好的作用。2)对板结构进行预应力的施加时，对于边梁产生的影响较大，次弯矩在梁中会产生不利的影响。由于板跨度很大，当其承受较大的竖向荷载作用时，会造成扭矩的增加，尤其是在楼板位置上产生的预应力会不断的加大，进而造成扭矩的加大。同时，地震作用也会对边梁弯矩产生一定的影响，但是却不会对扭矩产生较大的影响。3)当受到外力的荷载作用时，一字形边柱的平面会产生一定的外弯矩，但是其抗弯强度却很小，这也是该住宅结构中一个较为薄弱的关键部位。针对一字形边柱的平面进行预应力的施加时，内弯矩会产生明显的变化，外弯矩却不会产生较大的变化。另外，在一字形边柱两个主轴方向侧向刚度差较大时，如果施加水平的地震作用，则平行于地震作用方向的一字形边柱内弯矩会产生明显的变化。4)楼板中预应力的施加，与普通的预应力框架结构中的预应力有着明显的区别，在这种作用下，隔离弯矩与竖向荷载作用下产生的弯矩有着相同的方向，使得角柱的弯矩明显的增加。同时在水平地震作用下，柱底截面弯矩会产生明显的增加。

[1] 南建林.大开间预应力混凝土平板住宅体系的研究[D].上海:同济大学结构工程博士论文，2009.

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