超长大跨度预应力混凝土结构设计

超长大跨度预应力混凝土结构设计

初良

青岛市市政建设发展有限公司 山东青岛  266000

摘要：超长大跨度预应力混凝土结构是近几年来被广泛应用于市政道桥的一种新型结构形式。本文将基于笔者的自身工作实践经验，结合所设计的工程实例，着重介绍了大跨预应力混凝土结构设计要点，以便为后续的工程推广和应用提供依据。

关键词：超长大跨度；预应力；混凝土结构设计

引言

目前，国内外的市政道桥结构形式均是以框架结构为主，这种结构形式在我国有着悠久的应用历史。从传统意义上讲，框架结构具有较强的稳定性和整体性，可以较好地满足市政道桥安全稳定、抗震能力等方面的要求。但随着时间推移以及一些特殊用途建筑工程（如高层办公楼、超高层建筑等）对使用功能要求的提高，如何进一步提高结构自身在各种复杂荷载下的承载能力已经成为了一个十分重要而且必须要解决的问题。近年来，随着科学技术、经济实力以及人们对建筑物使用功能要求日益增高以及科学技术不断发展进步，出现了一系列新型结构形式——超长大跨度预应力混凝土结构，这类结构具有较强抗震性能且施工方便、施工周期短、节省钢材、可提高市政道桥使用功能等优点，由此以下将对超长大跨度预应力混凝土结构设计要点展开着重分析。

一、预应力筋的合理布置

超长大跨度结构中采用预应力筋时，其布置形式应遵循以下几个原则：

（1）在满足结构受力要求的前提下，尽量减少预应力筋的数量。

（2）在不改变市政道桥整体结构的前提下，尽量提高市政道桥结构受力性能和整体性能。

（3）根据市政道桥的使用功能，合理安排预应力筋的布置位置。

（4）应使各种预应力筋在市政道桥上均匀分布并保持其最大强度。

（5）预应力筋布置要避开应力集中点和应力变化较大处。

对于超长大跨度结构，其预应力筋布置位置要合理考虑到各种因素并保证各种因素相互协调作用下整个结构的受力情况，在满足受力要求的前提条件下使其尽可能靠近市政道桥主要受力部位并使其尽量发挥出最大强度以抵抗较多地震作用所带来的不利影响。

根据以上原则，本文设计时，考虑到采用高强预应力混凝土组合材料进行生产和施工比较方便快捷，因此采用普通强度混凝土对超长大跨度空间结构进行设计时可直接采用这种类型结构作为主要结构形式；若在设计中考虑提高市政道桥使用功能，而需采用高强混凝土对超长大跨度空间结构进行设计时可在其他部分适当布置一些预应力筋，但应使所布置钢筋应力与构件最大应力相适应。

对于空间有限且高度超过100m的大型市政道桥工程，一般不设柱时可采用柱后浇筑或柱旁浇灌等方式；但是对于空间较小且高度超过100m （超过100米）的大型市政道桥工程则不宜采用柱旁灌注法。而对于一些特殊用途房屋工程中，可直接采用预制好后浇筑到墙内或柱内的方法施工。对于一些跨度较大、柱距较近、施工条件不好或受自然因素影响较大以及要求高精度安装和构造要求较严的工程等，可设置柱旁灌注法施工。

二、连续构件设计

本设计中采用钢筋混凝土连续梁，其截面为矩形，钢筋混凝土连续梁的截面高度H是由梁高来确定、混凝土强度等级为C50。由于连续梁具有较大的刚度且受力合理，所以采用连续梁与框架共同工作的形式来进行结构设计。

在某工程中，其高度为24层塔楼，结构为框架-剪力墙体系，本工程采用12跨、16根（每根柱跨度约10m）、跨度为100m的钢柱组成塔楼。考虑到主楼高度超过100m且建筑功能要求较高，故对柱间距进行了优化设计：从建筑物整体受力角度考虑，柱子最小间距可选择较小的尺寸进行设置。对于非结构构件来说，一般均可不设置柱间距。柱间采用现浇施工缝，长度由楼板、梁等构件的设计确定。

由于在塔楼结构体系中采用了钢-混凝土组合梁结构体系，所以对钢-混凝土组合梁桥的跨高比进行了优化设计以满足塔楼结构的使用要求。期间还需要根据所采用钢-混凝土组合梁构造要求和工程实际情况确定了钢-混凝土组合梁桥所需使用的钢材，对钢材规格、截面尺寸、屈服强度、抗拉强度、弹性模量等参数进行了验算与确定，并对钢-混凝土梁桥进行了对比分析，由此更好地提升构件设计方案的可行性。

三、抗震性能设计

地震作用下超长大跨度预应力混凝土结构中节点和剪力墙结构中剪力墙是否满足抗剪要求，需要通过动力弹塑性分析来确定。节点主要承受轴向荷载，需要采用弹性平面模型考虑非线性分析；剪力墙由钢筋混凝土框架、钢框架组成，通过钢筋网片与梁板连接，形成空间约束体系；对不同类型的节点与剪力砖进行强度、刚度分析，以保证其承载能力；对构件按抗剪承载力设计方法进行验算：节点主要承受轴向荷载和水平侧压下的轴力作用。

对于超长大跨度预应力混凝土结构中的钢筋混凝土框架及钢结构之间节点、剪力墙结构中剪力墙柱节点、框架柱抗震性能设计时均采用“强剪弱弯”和“拉压比1：1”抗震原则，即：（1）对剪力连接件与柱均采用较强的抗拉压或抗剪性能设计，对剪压比1：1.2；（2）对于框架梁端部受拉区的梁板均设计为受拉钢筋混凝土梁板，对梁、柱跨中上部受压区梁板则通过设置拉压比1：1的箍筋约束。

四、防火设计

在设计过程中，应根据防火规范的要求，充分考虑结构的安全及使用功能的要求，确定建筑结构类型，使其满足耐火等级要求。某项目采用的是钢结构框架和钢-混凝土混合结构体系（钢-混凝土混合结构、混凝土-钢混结构）组合设计。在本工程中，为保证建筑的耐火等级要求，确定了钢、混凝土两种体系中的组合结构类型。其中，钢-混凝土混合建筑是在钢-混凝土组合结构基础上再进行两层或三层钢筋混凝土板（或楼板）连接而成。

在设计中的用到的关键技术主要体现在以下方面：

（1）在计算耐火等级时均按现行国家标准《工程防火规范》 GB 50017—2001执行。

（2）根据防火规范及相关规定确定了火灾工况下构件燃烧性能，采用不同的耐火极限等级进行划分及分级。

（3）按照现行国家标准《建筑设计防火规范》GB50016—2010和 GB 50010—2014确定为A1级。

（4）考虑到超高层建筑在火灾下会出现大量构件同时损坏、倒塌的情况，根据现行国家标准《民用建筑可靠性设计规范》 GB 50010—2010和 GB 50011—2003中关于框架结构防火间距的规定，对超长大跨度预应力混凝土框架柱在发生火灾时各构件间的耐火极限进行了规定，但未给出各构件之间耐火极限差计算方法及允许偏差值。

在工程项目设计过程中还需要根据防火规范规定，确定在火灾工况下各单元体之间耐火极限差控制要求，建筑整体设计需要符合下列条件（满足耐火等级）：（1）当建筑设计中不存在特殊需要的其他结构类型；（2）使用年限不超过50年且建筑占地面积不超过1000m2；（3）采用钢材、混凝土或砌体等作为主要承重构件时具有足够的强度、刚度及稳定性能。由此使得建筑主体的整体架构具有良好的防火功能。

结束语

随着科学技术的不断发展，传统的市政道桥结构形式已经越来越不能满足人们日益增长的需要。目前人们已经开始探索新的市政道桥结构形式，其中最具有代表性和应用前景的就是大跨度预应力混凝土结构，这种新型结构在工程实践中得到了广泛应用，并取得了良好的经济效益和社会效益。本文主要从预应力筋的合理布置、连续构件设计、抗震性能设计四个方面着手提出优化设计策略，以期更好地提升超长大跨度预应力混凝土结构的稳定性和安全性。

参考文献

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