淺析建筑結構的框架結構設計中預應力技術的運用

陳銳

（安徽省建筑設計研究總院股份有限公司， 安徽 合肥 230000）

在近幾十年建筑工程中建筑、 結構等相關專業通過對預應力技術的研究和工程上的實踐， 我國的預應力混凝土技術得到了快速的發展。 通過在眾多工程上的技術實踐， 證實了預應力技術在逐漸改善的同時對增強結構構件的力學性能、 提高耐久性和減輕結構重量等方面具有顯著的優勢。 預應力技術的應用增加了建筑的跨度和空間， 能夠有效的降低梁的高度和樓板厚度， 同時具備降低工程造價、 滿足質量、 安全、 建筑風格或造型等需求。 因此， 預應力技術逐漸成為建筑工程中不可缺少的元素， 被廣泛應用于各種建筑、橋梁、 道路和城市軌道交通等諸多領域。 預應力技術漸漸的發展成為一種先進的結構形式， 他在我國建筑工程中的應用數量和范圍已成為衡量建筑技術水平的一個標準。

1 預應力技術概述及常見構件

在當今建筑工程框架結構設計中， 預應力技術可看做是在結構構件承受外荷載之前， 對張拉模板內的鋼筋施加一定的預壓應力。 這種預壓力技術可以提高構件的剛度、 韌性， 有效的推遲結構構件在受力狀態下的裂縫開展時間， 提高混凝土的使用壽命和在荷載作用下的耐久性。 20 世紀90 年代以來， 我國建筑結構中的鋼材消耗量逐漸增大， 鋼筋混凝土結構的的技術應用也迅速發展。 隨著建筑形態和結構功能的多樣化和復雜化， 建筑結構設計出現了許多新的問題和難點。 目前， 預應力技術的應用方法主要分為后張法和先張法。 先張法技術的操作方式為先對鋼筋進行張拉預應力施工然后在對模板中澆筑混凝土。 后張法技術為先在模板中進行混凝土的澆筑， 后張拉鋼筋施加預應力的方式。 兩者的施工工藝、 所需的工具及適用范圍也有一定的差異。 后張法的施工流程， 如圖1 所示。

圖1 后張法施工流程示意圖

預應力技術在當前建筑工程中的應用越來越廣泛， 針對不同的結構體系應該采用不同的設計方案。當前建筑結構常用的預應力技術主要有預應力平板結構技術、 轉換層結構技術、 梁大板框架技術等技術措施。 1) 預應力平板結構: 在鋼筋混凝土板結構中，其施工過程中， 往往都是對柱結構和隔墻框架結構之間布置一道次梁， 這種結構設計體系會導致建筑內部的梁交錯復雜， 會對建筑結構的完整性和美觀性有一定影響， 也會出現室內裝修難度大的現象。 通過采用預應力板結構， 可以有效避免這種工作缺陷， 結構設計中可以在樓板周圍設置特定的邊梁結構， 局部部分設置一些隔墻， 同時可以取消其他室內的部分外露梁。 應用這類技術的結構設計， 可以在改善樓板受力性能的同時， 提高室內的美觀性能； 2) 轉換層結構:近年來， 建設項目的功能與設計之間存在一定的矛盾， 需要大柱網、 大空間的辦公區域功能的建筑項目與住宅的建筑結構設計存在一定的差異， 因此此類的建筑項目需要設置一定的預應力轉換層結構， 在對轉換層結構進行施加預應力， 使轉換層結構中的梁本身與內部的預應力鋼筋共同作用以平衡上部結構的荷載。 這樣的設計可以使結構層受力明確， 建筑中得底部建筑可以得到大空間結構， 使其滿足功能需求； 3)有梁大板結構: 帶梁的大型板式結構是利用預應力混凝土技術在現澆樓板的結構柱網上布置框架梁， 這樣可以在樓板結構上布置一定的隔墻結構。 這類的結構設計會使得柱網之間的間距較大， 因此在設計中節省了次梁的設計與布置要求， 減少了施工的麻煩。 可以有效避免結構內錯綜復雜的梁板結構， 具有建筑結構體系良好、 結構凈高大、 對裂縫的抵抗性能好等優點。

2 建筑工程框架結構設計原則

框架結構設計原則: 1) 遵循彈性適中原則， 具有適當彈性的結構系統稱為合理系統。 如果建筑構件的剛度太大， 變形性能會比較差。 在受到瞬間作用力的情況下， 更有可能造成局部損壞， 同時損壞會逐漸在建筑物內蔓延， 但是建筑物的結構也不宜過軟。 因此， 建設結構剛度的大小程度仍然是設計人員所值得思考的問題； 2) 多道防線原則， 結構體系的安全等級是由設置了多少道防線來決定的。 在發生災難時，所有結構構件共同工作， 以盡可能地保持建筑物的穩定性。 在這一點上， 將所有希望都寄托在一個特定的組件上是極其危險的。 用于土木工程結構的多肢墻結構的性能優于單體墻， 框架剪力墻的效果優于純框架等。 因此結構設計人員可以在設計中采用多道防線的設計原則； 3) 疏通關節原則， 結構體系的整體結構應該是一體的， 這樣可以使建筑對外力作用下所受到的荷載進行快速傳遞和減小。 因此， 結構設計人員在設計時應盡可能把構件中的關鍵部位打通， 使外部荷載在關鍵部位能夠有快速傳遞的路徑。 這樣， 建筑的結構就形成了整體， 使其受外力的影響較小。 設計時要關注建筑物的外部荷載， 科學合理的進行計算，然后增強建筑物的結構受力性能， 防止建筑物因外力而損壞4) 抓住主要問題原則， 框架結構中強柱弱梁、強剪弱彎現象是建筑結構設計中的重要概念。 簡而言之， 整個結構由不同的組件組成， 每個組件都有不同的作用， 并根據其重要性分為不同的類別。 在突然發生破壞力的情況下， 各個部件協同工作以抵抗外力的破壞。 必須犧牲次要組件以防止關鍵組件的破壞或最大限度地減少對建筑物的損壞。 在一般的框架結構設計中， 柱子發揮的作用一般比梁的作用要大， 所以柱子不能先被外力所破壞。 為了保證柱子在最后關節被破壞， 梁被設計成較弱的環節使之先破壞， 這樣的話可以減少損失。

3 預應力技術在建筑結構設計中的重要性

3.1 設計原則

應用預應力技術時必須遵守一定的設計原則。 1)在結構抗震計算時， 需要將結構的柔性、 剛性、 剛柔性度等理論與樓層和布局的實際需要相結合進行設計工作； 2) 在設計建筑物的框架結構時， 應該首要采用雙向梁柱結構體系。 在特定設計中， 設計人員可以在框架梁之間設置一些提升結構穩定性的結構體系和框架梁體系， 以滿足復雜結構的整體穩定性要求； 3)采用預應力技術應該考慮其是否可以有效降低工程的造價成本； 4) 隨著建筑基礎設施數量和規模的不斷擴大， 建筑結構設計對安全的要求越來越高， 因此設計人員在運用預應力技術時， 需要遵循安全、 科學的設計原則。

3.2 施工準備工作

為充分發揮預應力技術在建筑結構設計中的作用和優勢， 必須在框架結構施工的準備階段切實有效地做好各項工作。 1) 鋼筋的規格、 型號、 質量存在較大差異， 這對框架結構設計和結構的影響也不同。 嚴格把控鋼筋材料的性能和規格， 合理選擇工程最適用的鋼筋型號， 按鋼筋要求的施工順序進行施工作； 2)也要把控鋼筋焊接過程中的工作質量。 不同的鋼筋直徑和尺寸， 需要不同的焊接工藝。 因此在施工過程中， 需要根據鋼筋直徑分析具體情況， 選擇最佳焊接方案； 3) 在鋼筋框架固定過程中， 要選擇合適的成型模具， 避免出現偏移。 框架固定施工完成時， 需要組織專家和技術人員檢查和驗收， 并在檢查過程中嚴格遵守規范要求， 及時發現該過程中的質量問題， 實施整改方案以滿足設計標準和要求。

3.3 預應力大小的選擇

預應力大小的設定在一定程度上決定了預應力建筑結構侯建的正常使用和承載能力， 也影響著工程的造價， 對建筑結構來說是多方面考慮的設計優化因素。 在我國的相關規范中， 關于預應力大小的取值的規定是基于全國范圍內的一般情況， 取值和要求相對比較嚴格， 但在實際項目中， 設計師可以根據工程的實際情況來決定混凝土結構的預應力大小。

預應力混凝土結構的預應力大小和混凝土本身的抗裂性共同決定了結構的抗裂性， 但由于混凝土本身的抗裂性差的特點， 所以預應力的大小決定了預應力混凝土結構的抗裂性。 如果預應力太小， 結構的抗裂性會降低。 同時， 如果預應力過小， 意味著預應力鋼筋不足， 將無法獲得預應力結構的效果， 而且預應力結構從施工到張拉的施工過程繁瑣并且要求高。 但過大的預應力會導致結構出現過度反拱的現象， 最終影響建筑物結構構件的正常使用， 特別是在對結構要求更高的的建筑物中， 其影響更大。 預應力的設置過大意味著預應力鋼筋設置較多， 其結構的造價會有所增加。 預應力的大小與截面形狀、 構件荷載等因素有關。 根據有關資料， 對于住宅建筑結構中， 預應力選擇標準要求結構構件基本上沒有無撓度。 規范上要求的預應力度要小于0.75。 但是在設計時通常的的取值范圍通常是0.6 到0.75。 因此， 這設計過程中， 通常對永久荷載或者活荷載出現比較頻繁的地方， 預應力度只要求梁邊不產生或產生很小的彎曲拉應力。 在此基礎上同時考慮結構的安全和經濟性即可。

4 預應力技術在建筑結構設計中的應用分析

4.1 預應力混凝土結構方案的選擇

在預應力工程中應該首先對預應力混凝土施工方案進行對比選擇， 可以先從建筑結構的柱網尺寸進行研究。 1) 如果框架結構柱子間距跨度小， 連續跨度大， 可以采用寬梁結構體系和梁高小的結構進行設計。 如果在實際工程地質環境復雜的情況下， 同時存在連續張拉跨度較多時， 需要將連續跨度控制在4 跨范圍內； 2) 在連續跨設計中， 可以設計為短跨的設計方式， 將短跨位置分開， 并可以在一定的范圍內設置相應的后澆帶。 當建筑結構的跨度大于18m時， 梁的彎矩增加， 支撐的鋼筋數量也增加。 為充分滿足抗彎抗剪要求， 需適當設置抗裂預應力。 適當增加加強筋的數量， 采用加腋的結構形式， 保證預應力加強筋在受力時保持平緩的應力變化曲線， 有效降低在實際工況下鋼筋預應力損失。

4.2 地基基礎結構的設計應用

建筑工程結構的安全性和穩定性是依靠穩定的下部結構地基作為支撐。 設計人員在設計時需要考慮地基承載力、 地質環境等因素， 并做到持續優化項目基礎結構的設計。 1) 根據土建工程有關地基規范要求的標準， 制定符合土建工程需要的設計方案。 結構設計人員需要詳細分析總結現場的具體施工條件和土質， 結合土建設計方案， 確定復核施工要求的后澆帶施工方案。 混凝土結構的變形和不均勻沉降， 都會導致建筑下部基礎產生一定的裂縫現象。 通過積極利用后澆帶的處理方法， 可以有效減少裂縫的發生； 2)為防止混凝土因溫度變化而開裂， 設計者采用后澆帶法作為主要結構設計形式之一。 對于不能成功操作后澆帶的部位， 結構設計人員應充分結合施工現場的條件， 明確后澆帶本身的截面形狀， 并結合施工現場不同的水位、 條件設置相應的防水板， 達到工程建設的目標。

4.3 工程結構局部設計

設計人員應考慮建筑結構內部設計的功能性和層次性， 從整體結構控制要求出發， 優化項目結構的內部環節， 同時從細節入手， 逐漸構建完善的安裝體系。 整體設計與局部優化同步設計工作， 構建綜合工程結構體系， 進一步提高工程結構的安全性， 避免資源浪費， 對工程結構進行內部調整和統籌優化。 設計人員需要結合施工現場需求， 適當選用幾何結構形式， 提高工程質量和整體設計水平。

4.4 預應力度與抗裂控制

預應力混凝土結構在施工構件過程中需要經歷較長的是時間養護， 需要保證從注漿到張拉各個環節的施工效果。 因此， 設計者需要綜合考慮這一時期可能出現的不利因素。 包括去除鋼筋混凝土次梁和板支撐、 混凝土收縮， 以確保施工過程中的有效性。 通常情況下， 預拌混凝土在進行現場施工時， 在預應力鋼筋張拉施工完成之前可能會出現較大的裂縫， 最高可達0.3mm。 由于這些鋼筋本身受力較大， 張拉產生的裂縫一般情況下不會自動閉合， 由于裂縫的存在可能直接影響建筑框架結構構件的耐久性。 因此， 在設計階段需要考慮到鋼筋自身的性能屬性， 結合施工造成的沉降等負面影響， 選擇合適的鋼筋型號和配筋量。

綜上所述， 我們可以看出預應力結構具有以下優點: 1) 有效的減小地下室的深度和基坑的開挖深度。對于有地下室的大型、 高層建筑， 地下室常被用作車庫或開發商業區， 在這類建筑中的底板和頂板都可以采用預應力樓板。 對樓層高度要求較高的區域， 如配電房、 發電機房等， 在對底板的設置中可以進行局部的向下開挖， 以滿足設備高度要求。 這樣設計的地下室結構的層高會降低， 底板受到的水壓力也會降低，減少基坑的開挖深度， 外墻混凝土用量也會減少， 在此基礎上可以降低一定的成本； 2) 對結構內部的使用功能來說可以得到一定的改善， 業主可以根據自己的愛好， 對結構內部空間進行合理的布置。 預應力樓板非常適合不斷變化的功能需求， 隔墻可以放置在任何位置， 為用戶提供最大的自由發揮的空間， 并大大提高了房屋的的使用功能和等級； 3) 抗裂性能較好，在預應力混凝土結構中， 預應力鋼筋可以產生向上的等效荷載， 同時在樓板上產生一定的軸向壓力， 增加樓板剛度， 顯著降低撓度， 顯著提高抗裂性。

5 結語

建筑物的框架結構設計是一項全面而又系統的工作。 在項目結構設計階段中， 設計人員不僅要擁有綜合豐富的設計理論功底， 還需要充分發揮主觀能動性和創造性思維， 將框架結構的設計與實際的施工工程結構有效結合， 確保最終設計的項目結構質量滿足要求。

預應力技術在建筑結構設計中的實際應用， 可以有效地提高整體建筑結構的穩定性和科學性， 提升建筑工程的質量和施工單位的施工水平。 特別在大型建筑物的結構設計中， 結構復雜、 設計難度大。 為了保證工程結構的整體設計有效性， 充分利用預應力技術， 需要對局部有全面的了解。 預應力技術整體優化與結構局部優化之間的關系， 持續優化使結構更符合工程設計需要。 目前， 預應力技術在建筑框架結構中的應用是結構設計和現場施工的重要應用形式， 設計方案本身的質量是影響建筑結構安全和質量的重要基礎。 因此， 在設計過程中如何提升設計的質量需要更多的設計人員去為之思考。