组合线型大跨预应力混凝土结构设计及施工分析

曹忠华

0 引言

某国际商务酒店位于某县开发区，总建筑面积5.8 万m，地上建筑面积约4.0 万m，地下建筑面积约1.8 万m。该国际酒店地下2 层，地上由21 层主楼和6 层裙房组成。地下负二层为人防区，地下负一层主要是厨房及停车库；地上1～9 层为商业、会议、宴会部分，10～20 层为住宿部分，21 层为酒店运营办公部分。

该建筑地下室负二层层高为3.6m，负一层层高5.3m，主楼1～5 层层高6.0m，其余层高4.5m；裙房层高6.0m，局部大空间宴会厅层高12.0m，建筑高度为36.45m。主楼与裙房在±0.00 以上由抗震缝分成两个结构单元，本文主要研究分析裙房宴会厅大跨度预应力梁对结构设计影响，宴会厅位于裙房中部尺寸为27.0m×38.5m。

宴会厅根据开洞情况及周边楼梯电梯布置剪力墙与框架柱形成框剪结构。根据该裙房宴会厅使用面积和人员情况考虑裙房建筑抗震设防类别为重点设防类，根据《建筑结构可靠度设计统一标准》结构设计使用年限采用50 年。抗震设防烈度为7度区第一组，结构框架等级为二级，剪力墙抗震等级为一级。

1 裙房结构体系选择及预应力筋布置选型

该国际酒店裙房主要功能为宴会厅，宴会厅由于层高要求均为2 层层高且周边楼电梯通风井较多，故存在较多开洞和穿层现象（如图1），穿层位于3 层、5 层及屋面。从平面图可知其开洞率远大于规范要求的30%，楼板有效宽度也远小于规范要求的50%。因此该结构平面极不规则，为考虑其抗震性和安全性在基础选型和结构选型上都进行了对比分析。

图1 预应力梁布置图（虚线表示预应力梁）

1.1 基础选型及结构基本概况

根据裙房部分建筑空间布局和地质勘察报告内容，因宴会厅中间跨度较大，地下有两层地下室需考虑其中间部分抗浮问题，同时主楼荷载较大，根据地勘报告需采用桩基，故综合考虑抗浮及土质情况，该项目基础形式采用人工挖孔桩，裙房大部分柱采用一柱一桩的形式，对于承受预应力梁大跨度荷载的柱下根据荷载情况采用多桩承台的形式，该基础方案既解决了结构抗浮问题，同时也满足基础承载力要求。

主体结构因结构平面极不规则，为满足结构的整体抗震性能和控制结构平面局部扭转效应，该结构在大洞口周边及重要竖向通道周边设置钢筋混凝土剪力墙。经过在平面不同位置设置剪力墙进行对比分析，最终确定剪力墙布置的位置。因该结构平面极不规则，为增加其抗震性能，除进行有限元整体分析及弹性时程分析法补充计算外，也要对其关键构件、关键部位及重要构件进行弹塑性分析，保证其在中震情况下不屈服，同时对其框架梁柱提高抗震措施等级。

1.2 预应力梁布置对比分析

根据建筑平面功能情况，综合分析了采用双向预应力梁布置形式和单项预应力梁布置形式的结构性能。根据分析结果双向预应力布置形式比单向预应力布置梁板抗变形能力和抗裂能力较好，但其双向框架柱截面均较大，不利用建筑空间使用，且因该建筑两侧均为楼梯电梯间，导致预应力梁张拉端及锚固端布置极难实现。故综合分析该项目采用纵向框架预应力梁现浇梁板的形式。本文主要针对3 层、5 层及屋面大跨度预应力梁为例进行受力分析和研究，其预应力布置平面图如图1，该预应力梁跨度为27.0m。

1.3 预应力梁中预应力筋的形式选择分析

该裙房宴会厅楼面及屋面为纵向预应力梁布置，跨度为27.0m。根据该预应力梁受荷面积情况，首先选择四段抛物线形式布置预应力筋，进行预应力梁受力分析。结果发现虽然解决了预应力梁抗裂性能和挠度问题，但预应力梁两端框架柱配筋较大，导致框架柱截面影响建筑使用功能，同时部分受力过大预应力梁反拱值不满足规范要求，若增加非预应力钢筋导致梁配筋率超过规范要求。经综合分析后采用四段抛物线和直线型相结合的组合形式布置能够很好避免上述情况（如图2），同时还有以下几个优点：（1）该组合形式预应力束布置能极大地应用预应力筋的潜力，使两端框架柱配筋不会因布置预应力钢绞线而产生过大附加弯矩；（2）对于直线型预应力筋能更好地提高大跨度预应力梁底的抗裂性能和梁的变形能力；（3）四段抛物线形式能在预应力梁中形成多个转弯点，使预应力束在张拉时受力更为均匀从而降低因预应力束孔道摩擦而造成的预应力损失，减少预应力梁的配筋，对于预应力梁抗震性能也有所提高。

图2 四段抛物线和直线型预应力筋布置示意图

2 组合线型大跨预应力梁设计及其性能分析

2.1 裙房结构整体计算分析

根据该建筑平面情况和穿层情况，裙房宴会厅根据《建筑抗震设计规范》第3.4.3 条规定，该建筑存在局部楼板不连续的平面不规则和穿层柱等其他不规则。对整体采用盈建科有限元分析软件（YJKS3.0）进行抗震性能分析，并对楼板弹性楼板假定、考虑双向地震作用。同时采用弹性时程分析对地震力进行补充计算分析，根据分析结果得知采用振型分解反应谱法计算能够反映其地震真实响应。同时考虑楼板开洞较大，为保证洞口周边穿层柱的抗震性能，对洞口周边框架柱进行抗震性能化设计，保证其在中震情况下弹性设计。同时与其相连框架梁按中震弹性进行配筋设计。

2.2 预应力梁内力分析

利用盈建科有限元分析软件（YJKS3.0）对裙房宴会厅大跨预应力梁进行整体有限元分析，直线型预应力钢绞线设置在梁底以上150mm，四段抛物线跨中距离梁底以上300mm 处，两端设置在梁顶250mm 以下。根据上述基本设置条件对预应力梁主要受力性能计算结果和规范比较，以三层受力最大预应力为例列出相关结果（见表 1）。根据分析结果可知利用组合线型对框架梁施加预应力，可很好的提高其抗裂性能和控制其挠度。根据计算结果采用组合线型预应力筋布置比单一线型布置有几个优点：其一，预应力损失比单一线型布置要小；其二，预应力梁反拱值明显减小，施工阶段预应力张拉安全性更容易把控；其三，施工阶段产生的压应力值明显小于规范规定限制；其四，预应力梁挠度和裂缝明显小于规范规定限制。

2.3 大跨预应力梁等加强措施

2.3.1 预应力框架梁抗震加强措施

大跨预应力梁其优点是能够大幅提高梁的承载能力，降低同等跨度梁的高度，从而更有利于建筑空间使用；同时减少了建筑材料用量，减少整个结构自重，而且也减小结构整体刚度，从而无论从减少结构自重还是增加结构自振周期方面均会降低整个建筑结构地震作用力。但其也有相应的缺点随着预应力钢筋的增加，预应力梁其延性相应降低，对结构耗能性产生不利影响。为了发挥预应力梁的优势同时又兼顾其抗震性能，故控制预应力筋与非预应力钢筋的强度比值就显得尤为重要。根据《预应力混凝土结构抗震设计规程》第4.2.3 条的要求，对于本工程抗震等级为一级的构件，其预应力的强度值占总钢筋强度值比值不大于0.75，以保证预应力框架梁在地震情况下的延性。根据表1 可知该工程预应力的强度值占比均在0.5～0.6之间，能很好地发挥预应力梁的优势同时保证预应力框架梁的耗能性和抗震性。

表1 受力最大中间跨预应力梁三层为例计算结果

2.3.2 预应力框架梁施工加强措施

在进行预应力筋张拉时，因在梁端一定范围内会形成较大的应力集中，而这些应力不仅仅存在梁端锚固区框架柱节点核心区，且会扩散到附近翼缘板内中。因此为了解决预应力束锚固区应力集中而导致的局部较大压应力，需专门对锚固区进行局部压应力计算，当计算满足要求时也应在锚固区设置构造加强钢筋，如螺旋钢筋和附加U 形插筋，以提高其抵抗局部集中力的能力。当计算不满足要求时，应按计算结果配置防劈裂钢筋和上述构造加强钢筋。同时为了解决因预应力筋在张拉时在锚固区翼缘板中产生的附加拉应力，本工程在梁端与梁成45°夹角板中部设置构造加强钢筋，钢筋间距不大于100mm，且每侧不小于7 根钢筋。

在预应力筋张拉过程中除了上述在预应力梁端部形成较大集中力外，在梁的跨中因预应力筋的张拉导致的反拱对结构构件性能的影响也必须考虑，为减小反拱值对梁板的影响，首先通过计算保证其反拱值在规范允许范围内，同时增加预应力梁上板支座负筋，并设计支座负筋长度不小于板相应跨度的1/3，且保证1/2 支座负筋通长设置。根据现场施工检验，通过上述加强措施，施工中未发现梁端开裂及预应力梁反拱带来的任何裂缝，说明该加强方案是有效可行的。

3 组合线型预应力梁施工难点及施工过程中的监测

3.1 组合线型预应力筋的张拉及施工难点

综合分析该宴会厅平面布置，该宴会厅预应力筋采用Φ15.2 钢绞线。根据文献[1]第10.1.3 条预应力筋张拉控制应力为0.75 倍钢绞线的极限强度标准值，同时为了抵消预应力钢绞线松弛、摩擦、钢筋分批张拉等预应力的损失对预应力不利的影响，本工程采用1.05 倍张拉控制应力的超张拉。为了保证预应力筋在张拉过程中结构的安全性，张拉时需保证梁板混凝土强度已到达设计值，同时支撑预应力梁板的支撑系统不允许拆除。

根据本工程预应力梁平面布置情况，在整个预应力梁施工过程中有以下几个重点和难点：（1）由于本工程预应力梁跨度大且为了满足建筑功能需求锚固端框架柱截面宽度有效，导致在预埋预应力束波纹管之前就要考虑柱两侧纵筋放置位置，既要满足规范要求又能满足波纹管需求；（2）因该项目为后张法有粘结预应力，故对后期预应力波纹管内灌浆要求较高，既要保证其密实度同时灌浆孔不宜过多以免影响预应力梁性能；（3）因预应力束端部钢绞线拉力非常大，故对在施工预应力梁端部混凝土的密实度要求较高，养护时应格外注意；（4）因该宴会厅装饰要求较高，故在预应力梁中有大量为保证后期装饰结构锚固而设置的预埋件，为保证计算假定与实际使用相一致就需要对这些预埋件定位准确同时与波纹管的距离应满足规范要求。

3.2 预应力梁施工监测方案及监测目的

为了掌握本工程组合型预应力筋布置对该项目大跨预应力梁在抗裂性和挠度实际影响，在预应力筋张拉施工时针对受力最大的中间跨预应力梁进行施工监测。预应力筋张拉监测方案为：（1）在预应力筋张拉前采用预应力混凝土梁检测仪对预应力混凝土密实度和是否存在内部缺陷进行检查；（2）在预应力梁跨中处上下表面布置扰度控制点设置位移计；（3）在预应力梁跨中梁底梁顶混凝土表面布置应变片；（4）当预应力筋张拉灌浆完成达到强度后再利用预应力混凝土梁检测仪对灌浆密实度等进行检测。通过对应变变化监测和扰度监测，主要监测（1）查看预应力梁整体浇筑是否密实，整体施工质量是否满足设计及使用要求；（2）预应力梁跨中反拱值及预应力梁扰度等是否满足规范要求。

4 结语

本文通过对大跨度组合线型预应力梁受力分析、构造措施和预应力梁施工监测等得到以下结论：（1）在大跨预应力框架梁中采用四段抛物线和直线组合线型布置预应力筋既能解决因单一预应力布置过多导致的框架柱过大附加弯矩，又能更好地解决大跨度预应力梁的受力情况；（2）在解决大跨度预应力梁反拱问题等组合线型更能符合实际使用要求；（3）在控制预应力筋强度比情况下预应力梁能够在满足抗震性能的同时满足其抗裂性能；（4）在预应力梁锚固区及其翼缘板进行钢筋构造加强是非常有必要的。