地下工程大跨度預應力混凝土結構設計

吳國保

[摘要]本工程為合肥某商業綜合體中的地下游泳館結構，該游泳館區域長67米，寬24米，位于地下負一層，頂板由于景觀要求需覆土1.2米，計算恒載為30.3KN/m2，活載為5.0KN/m2；頂蓋采用鋼筋混凝土預應力結構；本文重點闡述地下大跨度且為重載下預應力結構設計的思路和注意事項。

[關鍵詞]預應力混凝土結構；地下大跨度；重載 。

一、工程簡介：

本工程為合肥銅陵北路某商業綜合體中的地下游泳館結構，游泳館長67米，寬24米，層高5.4米，位于地下負一層，頂板由于景觀設計要求需覆土1.2米。計算恒荷載重為30.25KN/m2，施工活荷載為5.0KN/m2；主體結構采用框架-剪力墻結構體系，頂蓋采用預應力鋼筋混凝土結構，頂蓋結構平面和剖面布置如下（圖1、圖2）所示。

二、游泳館頂蓋結構方案：

游泳館平面由于功能要求橫向柱跨24米，縱向柱跨67米，又由于頂部覆土厚，屬重載，設計時對頂蓋進行了一般混凝土結構和預應力混凝土方案的技術經濟比較。若采用普通混凝土結構，大跨梁高應達到2.1米；若采用預應力梁，梁高為1.5米，可有效擴展使用空間，且經濟優勢明顯。故最終確定采用24米跨單向有粘結預應力梁樓蓋方案，該方案中沿游泳館縱向邊跨布置柱距8.4米框架柱（柱截面900x1000）作為頂蓋的豎向承重柱，柱間沿縱向布置800X1600的框架梁，該梁作為24米跨單向密肋次梁的支撐梁。橫向框架柱間布置截面60OX1500預應力框架大梁；橫向跨間平行于主框架梁布置兩道預應力次梁，次梁截面500X1500，間距2800mm，主次梁跨高比均為16.0。預應力主、次梁向兩端均延伸一跨（4.8米）布置形成連續梁（如圖1）；通過連續梁布置有效減小了預應力梁的跨中彎矩，降低了梁截面，提升了建筑空間；同時布置連續梁也使縱向邊跨主梁的扭矩大幅度降低，邊柱的大偏壓問題也得到一定緩解。

本工程游泳館結構梁、板、柱砼強度等級均為C40；頂板考慮防水要求厚度取250，結構砼抗滲等級為P8；梁、板、柱普通鋼筋采用HRB400級鋼，大梁的預應力鋼筋采用采用φs15.24高強低松弛鋼絞線，其抗拉強度標準值為1860N/mm2， 每根鋼絞線面積為140mm2；主體結構的框架抗震等級為二級。

三、結構分析與設計：

本工程結構整體分析計算和預應力分析分別采用PKPM系列軟件“SATWE”和“PREC”程序進行計算。

1.預應力梁設計的參數控制

1）裂縫控制要求：由于本工程為泳館頂蓋，屬室內潮濕環境，為確保結構的耐久性，要求預應力構件在正常使用狀態下不出現裂縫，故本設計預應力梁抗裂控制等級為二級，要求構件受拉邊緣混凝土拉應力按荷載效應標準組合計算不應大于混凝土抗拉強度標準值。

2）預應力強度比控制：本工程采用有粘結預應力，為保證梁端截面具有足夠的延性，應配置一定數量的非預應力鋼筋，即采用混合配筋方式，這就需要控制梁端截面的預應力強度比λ（λ=fpyAp/（ fpyAp+fyAs））。λ的選擇主要取決于抗裂驗算和抗震構造措施。從抗裂來看，λ越大，抗裂越有利；但從抗震延性要求來看，λ不宜過大?？紤]本工程跨度大，抗震等級提高到二級，根據現行《預應力混凝土結構抗震設計規程》應滿足λ≤0.75；同時考慮在大跨度預應力梁中，預應力鋼筋面積是由抗裂驗算決定的，如果預應力強度比λ過低，非預應力筋增加過大，會造成梁端負彎矩承載力超強過多，則截面最大配筋率（2.5%）不宜控制。綜合考慮上述因素，本工程預應力強度比λ控制在0.6左右。

3）預應力梁的撓跨比控制在1/500。

2.預應力計算分析與構造

1）本工程對預應力梁分別進行承載力計算和抗裂、裂縫寬度、撓度、施工階段的驗算。根據計算框架主梁預應力筋為28φs15.24，次梁預應力筋24φs15.24， 為滿足布筋要求均采用兩孔兩排布置；經驗算梁截面在荷載效應標準組合下受拉纖維的拉應力最大為2.3MPa，小于砼抗拉強度標準値2.39MPa；考慮預應力損失梁截面平均預壓應力在5.0MPa左右；主梁的預應力強度比0.611，支座處換算配筋率2.48%，各項驗算結果均滿足現行規范和預期設定的要求。

2）游泳館頂覆土荷載大，但本工程在進行預應力張拉時覆土并未進行，而在進行預應力分析計算時覆土荷載是按恒載進行計算的；計算結果顯示預應力主梁在兩端完成張拉時，梁跨中截面綜合負彎矩-2764.0kN*M，而結構自重在跨中產生的彎矩僅為1105.2 kN*M，不足以平衡綜合彎矩，梁向上起拱達35mm，為確保預應力梁在張拉時不開裂，將梁支座負筋沿全跨通長布置，提高梁跨中負彎矩承載力。

3）由于覆土后填預應力張拉完成后邊跨次梁反拱擾度最大達到35mm，相鄰的板因此產生了很大附加應力，如不采取措施也將會使板開裂，為解決這一問題，在兩側的邊跨預應力梁和非預應力框架之間的板上留后澆帶，以使得預應力梁在張拉時能自由變形，這也降低了由于變形差導致邊梁產生的扭矩；同時增配邊跨的板的配筋量。

3.錨具選用與張拉施工

1）預應力筋錨具選用了中國建筑科學研究院結構所研制的可同時錨固7根φs15.2鋼絞線的QM15-7型夾片張拉端錨具，設計嚴格控制錨具的回縮値，降低張拉端錨具變形和預應力筋內縮導致的預應力損失。

2）預應力筋張拉控制應力為0.70fptk=1302MPa，并在施工中采取了超張拉3%；同時要求預應力大梁砼強度達到設計強度時才開始張拉，張拉結束前不得拆除下部支撐，確保施工安全。

3）本工程預應力梁跨度大，預應力筋總長超35米，為有效減小預應力損失，要求預應力施工時采取兩端同時張拉，并沿縱向張拉槽布置兩條后澆帶，后澆帶在預應力張拉結束后采用高一等級微膨脹混凝土封閉。

4）梁內預應力筋孔道采用預埋鍍鋅金屬波紋管，預應力張拉完畢采用M45微膨脹水泥漿進行壓力灌漿，保證預應力筋和砼之間的粘結強度。

四、總結

本工程通過合理的結構布置和預應力技術應用使地下工程大跨度結構得以實施，滿足了建筑功能上使用要求。本工程于2011年5月開工， 2013年7月主體結構完工；目前已正式投入使用一年多，項目從施工到使用效果良好，達到了預期的設計要求。

參考文獻：

[1]混凝土結構設計規范（GB50010-2010）

[2]預應力混凝土結構抗震設計規程（JGJ140-2004）