预应力技术在大跨混凝土桁架结构中的应用

预应力技术在大跨混凝土桁架结构中的应用

姜勇

中南建筑设计股份有限公司 湖北武汉 430071

摘要：在大跨结构设计中，有些结构会采用桁架结构，以满足建筑造型需求。相较于钢桁架，混凝土桁架结构自重大，同时受拉杆可考虑加入预应力技术，以满足结构受力需要，同时满足结构变形需要。基于此，本文结合遵义东站站房及站台雨棚工程，对大跨混凝土三角预应力桁架结构中预应力技术的应用措施进行探究，仅供大家参考。

关键词：大跨混凝土；预应力技术；桁架结构；应用

引言：如采用混凝土结构，则具有跨度小、自重大等方面的局限性，难以满足建筑需求。这时需要设计带预应力的大跨混凝土桁架结构。但这种结构的边界条件以及内力状态相对更加复杂，因此需要合理应用预应力技术，以便更好的保障结构的稳定性。

1工程概况

本文以遵义东站站房及站台雨棚工程为例，探究预应力技术的应用。该工程主体结构为框架结构。

    为配合建筑造型，突出建筑的古色古香，站房部分采用了全现浇混凝土结构。特别是40米大跨度屋盖结构，采用的是全现浇预应力混凝土三角桁架结构，该结构形式的采用，配合预应力技术的灵活使用，有效解决了屋盖设计技术问题，既满足了建筑的造型、使用、美观等要求，也满足了结构的安全、经济等相关要求，取得了良好效果。

2结构内力分析与截面设计

2.1构件选型

    桁架结构具有多样性的特点，其结构形式多样，包括混合空腹桁架结构、斜腹杆桁架等并且不同的结构形式有着不同的特点，应结合工程实际需求，合理选择结构型式。

2.2结构设计与构造要求

2.2.1整体分析

在工程设计过程中，针对建筑结构的计算分析，通常都基于楼板在自身平面内刚度位无穷大的假定，即在楼板无相对变形的情况下进行的计算分析。但是在桁架空间结构中，这种计算分析方式存在的不足则更加明显。桁架结构斜腹杆中存在一定的轴向变形以及轴向力，与斜腹杆相连的下弦杆同样也具有一定的轴向力，在设计过程中忽视了这部分结构所造成的影响，则会工程结构的稳定性与安全性。在设计过程中应借助多种截面方案来计算桁架内力，再进行比较分析，最终选择最佳方案。通过内力分析比较，随下弦杆刚度的增加，下弦杆的内力会呈非线性增大，若其刚度过大则整个桁架内力不协调，不能充分发挥桁架空间整体共同作用的能力。应结合建筑使用功能以及施工阶段验算要求，合理选择桁架结构。由于桁架下弦梁作为桁架的一部分，不仅承受轴向拉力作用，也作为楼面梁承受楼板传来的荷载与自重，因此在设计过程中应适当提高桁架下弦的预应力。为保证设计的科学性，还应将计算分析的预应力及预应力施工模拟工况的内力迭加于计算模型中，重新计算得出结构分析及截面设计的最终结果。通过这种方式能够更好的保障整体结构的刚度，也能起到减少桁架挠度和裂缝宽度的作用。

2.2.2施工控制

受预应力筋等效荷载作用的影响，能够使桁架各构件内力以及张拉顺序及张拉时的边界条件相联系，也为了缩小预应力桁架在施工张拉阶段与使用阶段之间受力状态的差异，为了规避构件出现变形或者开裂等问题，应采用择期张拉的方式。在施工阶段应确保施工同预应力筋张拉一起开展，并对其进行分批张拉，可以更好的保障相关构件的平衡受力。在施工构成中可先浇筑楼板以及岩桁架下弦杆，在此基础上预应力先张拉40%，然后在上弦杆以及腹杆浇筑完成后再张拉100%[1]，最终构建完善的桁架结构。

3现场测试

为了保证工程施工质量，也为了检验工程设计的科学性，在施工过程中应加强监控，还要在整体桁架成型之后进行现场测试，以便及时发现与解决问题，确保施工的质量。

3.1合理布置测点

现场分别在典型标准跨桁架相应位置布置测点，在其预应力张拉过程及使用过程中，检测相应的柱顶变形、截面应力和桁架的反拱值[2]。

3.2应力检测

2.1 测点布置

现场分别对典型桁架布置测点，测点示意图分别如图1所示；在检测构成中要对桁架下弦预应力张拉完成后记录桁架下弦的预应力筋应力值；桁架腹杆预应力张拉完成后记录桁架下弦及桁架腹杆的预应力筋应力值；同时还要在桁架上弦、下弦底模拆除时，每拆除一层时，均记录所有位置桁架下弦及桁架腹杆的预应力筋应力值；

图1  6/B~F轴桁架剖面及应力测点示意图

3.2非预应力钢筋的应变测试结果

通过混凝土应变测试以及纵向非预应力筋的应变测试，能够为混凝土以及钢筋的受力分析提供参考验证，进而掌握实际的桁架整体受力情况。3条曲线分贝按理想理论计算得出测点2、3应力值比值、实测测点2、3应力值比值。结合进行分析，在加载预应力之处，预应力产生等效荷载为平衡梁自重，测点2、3位置受到轴向力作用，进而产生压应力，这种压应力相对较小。而在加载后期，预应力等效荷载平衡了梁自重，梁下沿受压。可以按照公式“RQ(kN/m)=DQ +CQ -BQ =-15.04MPa”进行计算。公式中的CQ是指附加恒载，DQ是指梁自重，BQ则为预应力等效荷。结合计算结果与实测进行对比分析，会发现二者存在一定的差异，之所以会出现这种情况，主要原因在与施工过程中会受到相关因素的影响。结合图3进行分析可以发现，测点5、6处在预应力加载之初，受轴力的影响进而形成拉应力，而在加载后期预应力梁跨中上缘受拉。结合测试结果进行分析，表明测点应力的发展情况良好，虽然与理论值之间存在偏差，但是偏差处于可控范围内，二者基本吻合。

3.3综合分析

结合遵义东站站房及站台雨棚工程的设计与施工情况，能够得出以下结论：1.预应力混凝土桁架结构在大跨度中的应用，具有耐久性更好的优势，与混凝土结构及建筑要求更好的融合；但也存在一定的劣势，如施工相对困难等。2.借助这种结构型式还有助于解决结构多工况受力、变形控制等一系列技术问题。3.通过在施工过程中的测试，并结合测试结果进行分析，表明预应力张拉过程以及张拉完成后，实测值与理论值基本相符，即使存在偏差也处于可控范围之内[3]，这充分表明了该工程的施工符合设计要求。总之在工程中对预应力技术的应用，说明了桁架结构有着较强的适用性，并借助这种结构型式能够帮助设计与施工人员解决相关的空间结构问题，因此预应力大跨混凝土桁架结构有着较强的适用性，值得推广应用。

结束语：相较于钢结构以及混凝土结构型式，预应力大跨混凝土桁架结构对有些建筑上的使用有着一定的优势，能解决钢结构与混凝土结构混用存在的问题，同时也能对解决相当一部分大跨度的结构问题。为充分发挥这种结构型式的优势和作用，应积极探索更加合理的预应力应用措施，提升大跨混凝土桁架结构的稳定性。

参考文献：

[1]徐佳奇,张卫,陈尚志. 赣州西站站房缓粘结预应力技术结构设计与分析[J]. 建筑结构,2020,50(08):132-137.

[2]张彬,邹科华,罗明. 有粘结预应力施工技术在大跨高截面梁及悬挑梁结构中的应用[J]. 建筑施工,2008,(09):789-792.

[3]徐栋,赵瑜,朱骏. 体外预应力在大跨连续刚构抗剪设计中的应用[J]. 同济大学学报(自然科学版),2007,(11):1455-1459.