大跨預應力混凝土樓蓋結構選型研究

劉君鴻

(福建華景建筑設計院有限公司，福建 廈門 361001)

0 前 言

大跨預應力混凝土是指基于大跨度(跨度≥30 m)結構工程中，在混凝土結構上預先施加壓力，從而在混凝土牽拉中抑制裂縫風險的一種混凝土材料。此類材料若運用在樓蓋設計環節，能夠滿足建筑工程施工需求。

1 大跨預應力混凝土的優勢及其基本要求

1.1 優 勢

在大跨度工程項目中，考慮到跨度指標較大，故而為了保障工程建設質量，應充分借助預應力混凝土，消除裂縫風險，以免混凝土結構生成裂縫，增加返工維修損失。所謂的預應力混凝土是指在混凝土結構施工期間，以人為施加壓力的方式，提前對混凝土結構給予一個壓力，促使混凝土處于受壓狀態，這樣可以與裂縫產生時形成的拉力予以抵消，便于混凝土結構能夠適當延緩開裂速度。結合相關研究結果，預應力混凝土因其顯著的應用優勢，而被廣泛運用在大跨度工程項目中。

1)大剛度且抗裂性能優良。混凝土結構中裂縫的生成伴隨著拉力的出現。而預應力混凝土因其在尚未開裂前已經施加了壓力，造成混凝土基于荷載作用保持力的均勻分布，既能延長使用年限，又能增強剛度，促使大跨度混凝土結構保持優良性能。其原理圖見圖1。

2)省材自重輕。預應力混凝土結構在施工設計期間，它所使用的材料無論從數量還是結構尺寸設計結果上，都體現出了節約特性。而且預應力混凝土因其具備預應力作用，混凝土結構重量有所減輕。相比普通混凝土結構，其材料消耗量較少。

3)省力。預應力混凝土應用在大跨度橋梁項目中，對于橋梁中混凝土梁體結構，可以在預應力輔助下，降低主拉應力，促使設計者在腹板尺寸設計期間，能夠適當實施降低厚度，整體結構承載力更小。

4)耐疲勞性與耐壓性較好。預應力混凝土結構運用在大跨度橋梁建設項目中，結構中相關配件常在超出承載極限時出現破損情況。而預加壓力可以對混凝土結構起到緊固作用，使之不易達到疲勞極限的標準，而且還可以產生顯著的抗彎折能力。因此，預應力混凝土在大跨結構設計中發揮著重要作用。

圖1 預應力混凝土力的變化原理圖

1.2 基本要求

在預應力混凝土實際使用期間，它需要滿足一定的基本要求，方可展現出應用特性。以鋼混結構為例，要想表現出預應力混凝土優勢，要求選用的鋼筋材料具有較高的強度，而且鋼混結構緊密性良好，保持優良的塑性，以免受鋼筋材料影響，造成預應力混凝土表面生成裂縫。從市場調查中可了解到：熱處理鋼筋以及冷軋帶鋼筋較為適用。而在鋼混結構中應用預應力混凝土，還要求混凝土材料的收縮性、抗壓強度以及硬度較好[1]。

2 預應力混凝土樓蓋結構的常見類型

預應力混凝土樓蓋結構按照不同分類依據，能夠產生多樣性類型。而樓蓋實則包含主梁、次梁以及樓板部分。樓蓋的建設是為了進一步夯實樓面承載基礎，保持樓體穩定性，妥善處理好梁柱協調關系。

2.1 結構分類

依據結構特征可以將樓蓋結構以肋梁結構為主。同時，還涵蓋著密肋、無梁以及井式樓蓋等綜合類型。每一種結構都各有特征。如針對肋梁結構進行細分，可分為單向板肋結構與雙向板肋結構，見圖2～3。

圖2 單向板肋形樓蓋結構圖

圖3 雙向板肋形樓蓋結構圖

此種樓蓋中是以現澆預應力混凝土結構為主。此結構的跨度多在6～8 m可以根據此次研究中的樓蓋結構設計要求進行細化分析。井式樓蓋屬于大跨結構，它以井字形布置梁體，以雙向板布置梁板，以合力應對荷載力。至于無梁樓蓋，它是單純以板體支撐柱體的形式承載樓面力量，無次梁、主梁部分。密肋樓蓋結構是以高密度梁板布置形式分配承載力，具體類型同單向板肋梁樓蓋。

2.2 支撐分類

在不同支撐力的分類標準下，它可以經過縱橫比劃分依據予以分類，即雙向與單向樓蓋。對于縱橫比常根據板體長短邊比例予以分析。縱橫比即為長短邊長度比。單向樓蓋結構，它的長短邊長度比多高于2∶1[2]。

2.3 施工分類

在大跨樓蓋結構施工中，施工方式的差異性也會形成不同類型的樓蓋。好比利用現澆整體施工工藝，能夠提升樓蓋結構的防水性、抗震性。如若借助裝配式技術予以施工，則能夠達到高效省材的施工效果。另外一種類型是裝配整體施工工藝，基本上屬于前兩種工藝融合施工方法。

3 大跨預應力混凝土樓蓋結構選型方法

3.1 分析樓蓋結構受力性能

在大跨預應力混凝土樓蓋結構選型過程中，需要先對樓蓋結構的受力性能予以綜合分析，從受力性能分析結果中，預判施工方案可行性。本次研究中以南安一中昌財體育館項目為例，建筑面積3 316.03 m2，用地面積2 119.32 m2，跨度為28.3 m，均以混凝土肋梁結構為建設主體，梁高2.5 m，北側擋墻高度超出6 m。經過相關分析，確定此項目符合預應力樓蓋施工條件，且本項目設有衛生間、無障礙設施以及綠色建筑。在本項目施工中，其屋頂造型上以學士帽形式進行設計，其入口柱廊處設有寬為20.8m的大臺階，依據梁板結構特點分析其梁板應力分配情況。

例如，針對預應力混凝土梁板處，可以對其應變應力加以檢測。相關人員可以借助應變傳感器設施，于梁頂、梁底乃至梁中設置應變檢測。在雙向肋板樓蓋類型中，可以直接獲取傳感器實測數值。對于待測點數量的確定應至少保持10個，以免出現偶然問題，造成此次測試結果失真。一般情況下，在樓蓋結構中的次梁部分，可在張拉檢測中了解到其的應力合格率。若低于3.5 MPa，則表明此結構受力不均勻，反之則代表此類型的樓蓋結構符合施工要求。因此，應變應力測試工作的開展，也是增加本工程中樓蓋結構適中性的重要途徑。

3.2 對比樓蓋結構類型經濟性

在樓蓋結構選型期間，除了需要判斷其受力性能是否達標外，還需對比不同類型下的工程造價，以此權衡經濟性指標，盡量節省工程建設成本。由于樓蓋類型較為多樣。所以，在經濟性分析時，多采用對比檢測法，對其實際成本予以計取，而后比對哪一種類型工程造價較低，匯總綜合因素后選擇經濟性突出的預應力樓蓋結構類型。其對比結果見表1。從表1中可以發現按照對應的設計方案進行設計時，其中單向雙次梁樓蓋結構的經濟性更強。依據設計步驟，它的主梁與次梁截面保持密切的關系。相關人員在確定樓蓋類型時，理應參照其經濟性對比數值，在多種樓蓋結構的施工結果相差不大前提下，應盡量選擇花費成本偏低的樓蓋類型。尤其是面對材料市價波動較大的城市，于建筑工程中開展樓蓋結構施工設計工作，需要隨時根據市場變動情況，制定科學的工程造價方案，以供相關人員及時從經濟性層面上分析當前的樓蓋結構是否符合施工要求。實際上，之所以單向雙次梁類型的工程造價偏小，源于實際施工階段，鋼筋使用量偏少，這就導致整體成本消耗量有所降低。從具體的對比結果中，并非局限于單向雙次梁。此處僅列舉常見的樓蓋類型，其余類型不予贅述[3]。

表1 三種不同預應力樓蓋結構造價對比結果

表1中混凝土(C40)以福建省2021年12月份均價530元/m3為標準，鋼筋價格3.8元/kg，模板價格65元/m2。

而在不同結構樓蓋中進行比對，預應力樓蓋在相同跨度項目中，同鋼結構樓蓋比較，其的工程造價略高。以跨度為31.2 m的工程項目為例，在有梁板(C30)中其的工程量為605.83 m2，合計25.65萬元，而有梁板(C40)中則需要花費25.880 6萬元。至于直行樓梯以及模板施工中的造價費用為16.813 9萬元、37.639 1萬元，匯總現澆構件等多個施工環節，合計需要165萬元。而與之對應的鋼結構樓蓋，鋼梁施工需消耗34.004 675萬元，屋面板與屋面檁條則對應9.378 3萬元、5.496 66萬元，外加吊運費、制作費以及彩鋼安裝費等，合計花費111萬元。同預應力樓蓋比較，整體上節省54萬元，由此證實大跨預應力混凝土樓蓋建設中，照比鋼結構的經濟性較低。為了進一步節約預應力樓蓋結構的工程造價，則應當對其具體樓蓋類型進行合計設計，以期在預應力樓蓋施工中，預應力樓蓋可以有效控制工程造價，避免超出預期成本。

3.3 優化樓蓋結構布置方案

在確定應用預應力混凝土樓蓋結構后，還需要對其樓蓋類型進行優選，這樣才能保證選擇的預應力樓蓋在大跨度工程中，能夠在多個類型預應力樓蓋中表現出其特點。其中在預應力樓蓋選型階段，應當針對布置方案予以細化分析，從中知曉方案中預應力樓蓋差異，由此判定此種預應力樓蓋的應用價值，并擇取適合的結構類型完成施工任務。依據大跨樓蓋結構設計要求，可以選擇單向次梁與井字梁兩種樓蓋結構，井字梁樓蓋結構如圖4所示。

圖4 井字梁樓蓋結構

前者施工中，其能夠按照預應力混凝土與鋼筋材料的均衡分配，為建筑物內部空間的拓展提供保障。樓蓋結構的選擇能夠影響空間使用量，而且除了上述的經濟性不同外，其布置方法也不一致。單向次梁樓蓋布置期間，其能夠滿足大跨度施工要求，在柱網布置過程中，可以經過不同參數的設計，實現空間的延伸。在主梁與次梁跨度存在差異時，選擇此種樓蓋布置形式，可以提升主梁截面尺寸的合理性。從實踐項目實際布置經驗中，可了解到：單向次梁此種布置形式下編制的布置方案，它可以達到15 m跨度。尤其在預應力混凝土樓蓋結構布置中，20 m跨度的項目中依舊適用。所以，此種布置形式更適合在大跨度結構工程中。相關人員可以充分擴大此種布置方案的推廣范圍[4]。

后者在布置大跨預應力混凝土結構時，其的布置形式以“井”字形為基礎。作為一種較為特殊的布置方法，此種樓蓋結構能夠體現出高剛度特性，同樣適用于大跨樓蓋結構施工條件中。預應力混凝土相比較更加省材，在布置樓蓋結構時，也可以借助混凝土特性，妥善處置施工步驟。一方面，要求施工人員按照標準的布置方案落實樓蓋結構施工內容時，應當避免交叉施工；另一方面，應當借助肋梁高度指標的調整要求，積極使用此種布置方式。對于樓蓋結構選型方案的補充與優化，理應從凈高要求等方面加以分析[5]。

3.4 加強樓蓋結構剛度可控性

預應力樓蓋結構的選擇，還可以從剛度可控性上進行分析。預應力樓蓋本身在預應力作用下表現出抗變形優勢。而隨著結構類型的變化，預應力樓蓋結構的剛度也會隨之改變，此時應當研究預應力樓蓋結構對剛度的影響程度。在預應力混凝土樓蓋選型中，還應當針對樓蓋平板的剛度進行深度研究。一般情況下，無梁平板中對于預應力筋的布設方法較為多樣，為了體現出預應力樓蓋的剛度性，應以下述不同預應力筋分布方式，確保預應力樓蓋體現出應用優勢：第一種是在建筑樓蓋的板帶間布設預應力筋，通常在布設后，臨近建筑柱邊板帶上分布的預應力筋彎矩要遠高于中間板帶預應力筋，自此增加了預應力筋分布均勻性，促使此種預應力筋分布形勢下產生的預應力樓蓋，能夠擁有高承載力價值；第二種是在兩個不同方向布設預應力筋，以此在雙向協同作用下，增加預應力樓蓋剛度，其中平板上分布的預應力筋明顯能夠為支撐梁給予助力。經過相關研究得出：預應力樓蓋中要想提高剛度，可以按照此種布筋的手段，提升樓蓋結構抗變形能力，以便在施工人員建設樓蓋時，能夠體現易于施工價值。鑒于此，關于大跨度預應力樓蓋類型的確定，還需考慮剛度參數變化規律，衡量此種類型樓蓋的適中性，符合大跨工程預應力樓蓋選型施工標準。

需要注意的是，無論是在大跨預應力混凝土樓蓋結構施工設計環節，還是在大跨預應力混凝土樓蓋結構施工環節，都很容易受到各種外在因素的干擾，從而影響整體施工效果和施工進度。特別是大跨預應力混凝土樓蓋結構施工設計，本身帶有一定的風險性因素，一旦設計不當，后續施工則很容易安全事故，甚至造成人員傷亡，這就需要各個部門的工作人員予以重視，嚴格按照施工圖紙規范要求，選擇最優樓蓋結構類型。而且，在后續工程施工期間，需要保證鋼筋連續，預先進行技術交底，采用機械連接接頭，使得樓蓋結構類型選擇得當、施工效果理想。

4 結 論

大跨預應力混凝土樓蓋結構施工設計環節，需要從對應的樓蓋結構類型中予以優選，并從受力性能、經濟性、布置方案、剛度可控性等方面展開分析。基于大跨預應力混凝土設計而成的樓蓋結構，具有顯著優勢。

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