浅谈大跨度预应力混凝土结构设计要点

韩高峰 王乐普

摘要：我国建筑行业的迅速发展，使得相应的建筑结构形式也有所革新，各种新型的、更加符合工程要求的设计及建造技术广泛地应用到了建筑项目当中来，特别是大跨度预应力混凝土结构的使用，使得原来许多不可实现的建筑设计方案得以施行，尤其是建造体育馆、戏剧院、展览馆等大型公共建筑中使用的更为广泛，该结构的使用促使建筑设计工作开辟了更为广阔的发展空间。大跨度预应力混凝土结构发展到今天，其结构形式主要有膜结构、网架结构及网壳结构等，而混凝土结构也多会选取钢与混凝土混合的混合结构及预应力结构，该种结构以其众多的优点被越来越多的建筑设计工作人员所认可并重视。

关键词：大跨度；预应力；混凝土结构；结构设计；大型建筑

1 预应力筋的合理布置

当下我国建筑施工中较为常用的预应力钢筋种类如下：（1）热处理钢筋，这种钢筋通常具有较高的强度，且松弛较小，同时在进行材料运输时都是以盘式储存并供应，免掉了整直及对焊等工艺，用起来十分方便；（2）去除应力钢丝，这种钢筋应用于具体的施工时，使用也很方便，且有多种形式可以选择，如光面钢丝、刻痕钢丝等；（3）钢绞线，此种钢筋通常会由具有较高强度的钢丝绞制而成，通常为三股或七股直径不同的钢丝，这种钢筋形式在使用时十分方便，且能够较好地黏附于混凝土中。

钢筋布置方案是大跨度预应力混凝土结构设计的重点，其布置方式有多种，最常用的是在跨中板带中占1/3左右，另外2/3钢筋布置在柱上板带中。这种布筋方案对普通钢筋的设计来说，不仅能确保板受力合理，同时也最省原材料。但在设计板跨相差超过20%及以上的多跨连续板时，设计采用长跨方向集中布筋，跨中板带布1/3左右或均匀布置，短跨方向柱上板带布2/3的布置方案更节省原材料，同时也能够达到较好的载荷承载能力。实际设计过程中也应根据边跨板的受力特点，更多考虑采用二段抛物线或三段抛物线形式布置。

在具体的施工中应注意以下环节的操作：（1）预应力筋的铺放顺序及位置，必须正确处理好钢筋铺放顺序与管道敷设、钢筋铺放顺序与钢筋绑扎顺序之间的关系。铺放时，应尽量减少交叉穿束，严格按设计图纸中要求的细部构造执行，布置并固定好承压板及梁端钢筋网片等；（2）必须保证钢筋的保护层厚度；（3）应在上、下层钢筋间设置专门保证矢高的措施，注意防止钢绞线的互相缠绕，以保证预应力筋的矢高；（4）钢绞线每隔一定距离（约500mm）应进行固定，以防止浇捣混凝土时变位；（5）当钢绞线与预埋管路系统发生矛盾时，应以钢绞线优先。

2 抗震性能设计

不论是何种建筑，其本身都要具有一定的抗震性，而在全球的混凝土结构工程研究界中，都十分重视预应力混凝土结构的抗震问题，而大跨度预应力混凝土结构多是用于一些大型的公共建筑之中，在其建成使用后多为人员密集型环境，如果相应的大跨度预应力混凝土结构没有达到一定的抗震等级，那么一旦发生地震等自然灾害就会造成大量的人身及财产损失，因此在进行大跨度预应力混凝土结构设计时，尤其要注重抗震性能设计。目前国际混凝土结构研究领域都十分关注预应力混凝土结构的抗震问题。经过大量的研究后得出，这种大跨度预应力混凝土结构是可以在地震区使用的，但其与一般的钢筋混凝土结构一样都要进行相应的抗震设计及施工。

在具体的大跨度预应力混凝土结构设计过程中，可使用竖向预应力加固钢筋混凝土结构来达到一定的抗震目的，该结构能有效地抵御水平载荷，并于震后恢复如初。与此同时，处于震区的建筑结构要求具备较好的延性，一般在大跨度预应力混凝土结构中要通过小配筋率对预应力钢筋进行限制，从而避免出现裂纹。在具体的预应力筋设计中，要注意按照以下步骤进行设计：（1）在详细分析结构件的基础上，对处于竖向作用力及横向作用力的结构件的内力进行计算，还要计算支座及跨中截面的次应力等；（2）依据上步的计算结构布置非预应力钢筋，并参照内力反算出预应力钢筋的配置；（3）根据相关的核算结果，补上非预应力钢筋设计；（4）完成相关设计后，进行方案核查，发现问题及时调整并改进。

3 连续构件设计

对大量的工程建筑实践案例进行详细的分析后，得出在大跨度预应力混凝土结构设计中采用单跨预应力梁截面延伸的方式，可以有效地实现连续结构，进而完成连续结构件的设计。这种设计方式具有很多的优点，特别是在多跨结构超载、内力重力分布能力较强时，能够有效提高弯承载能力。此外，一束预应力筋能够用于正弯及负弯两种弯矩筋，这种形式相应地降低了支座处附加弯矩对柱的有害影响，且其受力情况更趋于合理性。当有预应力施于大梁时，就会使大梁较易发生附加弯矩并弯形，这时可对大梁使用多跨连续布置，多排柱共同工作可相应地削弱这预应力。

4 防火设计

在进行建筑设计时，很多情况下都会忽略到钢筋混凝土的防火性能，因为钢筋混凝土本身并不可燃，即可忽略其防火设计，但事实上并不是这样，钢筋混凝土虽然自身不易燃，但它的防火隔热性能非常差，当温度过高并达到钢筋强度临界点时，预应力钢筋就会出现屈服点下滑的现象，使得其相变及蠕变加快，进而造成预应力板强度和刚度都急剧下降，并出现结构裂缝，使其丧失了原有的结构功能，同时，处于高温环境下的混凝土也会发生挠度变化的情况，同样造成了结构失稳，如果达到一定的温度和时间，那么这种大跨度预应力混凝土结构就会表现出明显的不稳定状态，甚至发生坍塌等危险事故。因此在进行大跨度预应力混凝土结构设计时，应特别注意所设计的结构要符合国家的设计防火相关规范及规定内容，如《建筑设计防火规范》等。

5 结语

综上所述，大跨度预应力混凝土结构的存在及发展，为建筑设计及建筑施工给予了巨大的技术支持，預应力混凝土结构的使用可以将高强度混凝土及钢筋的性能发挥到极佳的状态，通常其截面较小，自重以及弯矩等也就随之降低，从而其跨越能力会更强，非常适合在电影院等大型建筑结构中使用，既节省了材料，又保证了相应的施工质量，故被广泛地应用于现代大型建筑中。虽然该结构具有诸多优点，但也要借助于具有高施工技术水平的施工队伍才能达到最终的建筑要求，因此，施工单位要积极并严格地依照各项技术指标及操作规范进行施工，在工程实践中不断改进原有的施工技术，加大对工程施工的管理，避免质量及安全事故的发生，达到提高施工质量的最终目的。

参考文献

[1]叶修喜，张锦松，赖海斌.双向大跨度预应力混凝土厂房结构设计[J].工程建设与设计，2011，（6）.

[2]侯林峰，曾庆雪，李旸，马振强.大跨度预应力框架梁应力测试技术研究[J].河南科学，2010，（6）.

[3]翁锦华.多层框架结构双向大跨度预应力梁柱设计[J].福建建筑，2010，（2）.