地下工程大跨度预应力混凝土结构设计

吴国保

[摘要]本工程为合肥某商业综合体中的地下游泳馆结构，该游泳馆区域长67米，宽24米，位于地下负一层，顶板由于景观要求需覆土1.2米，计算恒载为30.3KN/m2，活载为5.0KN/m2；顶盖采用钢筋混凝土预应力结构；本文重点阐述地下大跨度且为重载下预应力结构设计的思路和注意事项。

[关键词]预应力混凝土结构；地下大跨度；重载 。

一、工程简介：

本工程为合肥铜陵北路某商业综合体中的地下游泳馆结构，游泳馆长67米，宽24米，层高5.4米，位于地下负一层，顶板由于景观设计要求需覆土1.2米。计算恒荷载重为30.25KN/m2，施工活荷载为5.0KN/m2；主体结构采用框架-剪力墙结构体系，顶盖采用预应力钢筋混凝土结构，顶盖结构平面和剖面布置如下（图1、图2）所示。

二、游泳馆顶盖结构方案：

游泳馆平面由于功能要求横向柱跨24米，纵向柱跨67米，又由于顶部覆土厚，属重载，设计时对顶盖进行了一般混凝土结构和预应力混凝土方案的技术经济比较。若采用普通混凝土结构，大跨梁高应达到2.1米；若采用预应力梁，梁高为1.5米，可有效扩展使用空间，且经济优势明显。故最终确定采用24米跨单向有粘结预应力梁楼盖方案，该方案中沿游泳馆纵向边跨布置柱距8.4米框架柱（柱截面900x1000）作为顶盖的竖向承重柱，柱间沿纵向布置800X1600的框架梁，该梁作为24米跨单向密肋次梁的支撑梁。横向框架柱间布置截面60OX1500预应力框架大梁；横向跨间平行于主框架梁布置两道预应力次梁，次梁截面500X1500，间距2800mm，主次梁跨高比均为16.0。预应力主、次梁向两端均延伸一跨（4.8米）布置形成连续梁（如图1）；通过连续梁布置有效减小了预应力梁的跨中弯矩，降低了梁截面，提升了建筑空间；同时布置连续梁也使纵向边跨主梁的扭矩大幅度降低，边柱的大偏压问题也得到一定缓解。

本工程游泳馆结构梁、板、柱砼强度等级均为C40；顶板考虑防水要求厚度取250，结构砼抗渗等级为P8；梁、板、柱普通钢筋采用HRB400级钢，大梁的预应力钢筋采用采用φs15.24高强低松弛钢绞线，其抗拉强度标准值为1860N/mm2， 每根钢绞线面积为140mm2；主体结构的框架抗震等级为二级。

三、结构分析与设计：

本工程结构整体分析计算和预应力分析分别采用PKPM系列软件“SATWE”和“PREC”程序进行计算。

1.预应力梁设计的参数控制

1）裂缝控制要求：由于本工程为泳馆顶盖，属室内潮湿环境，为确保结构的耐久性，要求预应力构件在正常使用状态下不出现裂缝，故本设计预应力梁抗裂控制等级为二级，要求构件受拉边缘混凝土拉应力按荷载效应标准组合计算不应大于混凝土抗拉强度标准值。

2）预应力强度比控制：本工程采用有粘结预应力，为保证梁端截面具有足够的延性，应配置一定数量的非预应力钢筋，即采用混合配筋方式，这就需要控制梁端截面的预应力强度比λ（λ=fpyAp/（ fpyAp+fyAs））。λ的选择主要取决于抗裂验算和抗震构造措施。从抗裂来看，λ越大，抗裂越有利；但从抗震延性要求来看，λ不宜过大。考虑本工程跨度大，抗震等级提高到二级，根据现行《预应力混凝土结构抗震设计规程》应满足λ≤0.75；同时考虑在大跨度预应力梁中，预应力钢筋面积是由抗裂验算决定的，如果预应力强度比λ过低，非预应力筋增加过大，会造成梁端负弯矩承载力超强过多，则截面最大配筋率（2.5%）不宜控制。综合考虑上述因素，本工程预应力强度比λ控制在0.6左右。

3）预应力梁的挠跨比控制在1/500。

2.预应力计算分析与构造

1）本工程对预应力梁分别进行承载力计算和抗裂、裂缝宽度、挠度、施工阶段的验算。根据计算框架主梁预应力筋为28φs15.24，次梁预应力筋24φs15.24， 为满足布筋要求均采用两孔两排布置；经验算梁截面在荷载效应标准组合下受拉纤维的拉应力最大为2.3MPa，小于砼抗拉强度标准値2.39MPa；考虑预应力损失梁截面平均预压应力在5.0MPa左右；主梁的预应力强度比0.611，支座处换算配筋率2.48%，各项验算结果均满足现行规范和预期设定的要求。

2）游泳馆顶覆土荷载大，但本工程在进行预应力张拉时覆土并未进行，而在进行预应力分析计算时覆土荷载是按恒载进行计算的；计算结果显示预应力主梁在两端完成张拉时，梁跨中截面综合负弯矩-2764.0kN*M，而结构自重在跨中产生的弯矩仅为1105.2 kN*M，不足以平衡综合弯矩，梁向上起拱达35mm，为确保预应力梁在张拉时不开裂，将梁支座负筋沿全跨通长布置，提高梁跨中负弯矩承载力。

3）由于覆土后填预应力张拉完成后边跨次梁反拱扰度最大达到35mm，相邻的板因此产生了很大附加应力，如不采取措施也将会使板开裂，为解决这一问题，在两侧的边跨预应力梁和非预应力框架之间的板上留后浇带，以使得预应力梁在张拉时能自由变形，这也降低了由于变形差导致边梁产生的扭矩；同时增配边跨的板的配筋量。

3.锚具选用与張拉施工

1）预应力筋锚具选用了中国建筑科学研究院结构所研制的可同时锚固7根φs15.2钢绞线的QM15-7型夹片张拉端锚具，设计严格控制锚具的回缩値，降低张拉端锚具变形和预应力筋内缩导致的预应力损失。

2）预应力筋张拉控制应力为0.70fptk=1302MPa，并在施工中采取了超张拉3%；同时要求预应力大梁砼强度达到设计强度时才开始张拉，张拉结束前不得拆除下部支撑，确保施工安全。

3）本工程预应力梁跨度大，预应力筋总长超35米，为有效减小预应力损失，要求预应力施工时采取两端同时张拉，并沿纵向张拉槽布置两条后浇带，后浇带在预应力张拉结束后采用高一等级微膨胀混凝土封闭。

4）梁内预应力筋孔道采用预埋镀锌金属波纹管，预应力张拉完毕采用M45微膨胀水泥浆进行压力灌浆，保证预应力筋和砼之间的粘结强度。

四、总结

本工程通过合理的结构布置和预应力技术应用使地下工程大跨度结构得以实施，满足了建筑功能上使用要求。本工程于2011年5月开工， 2013年7月主体结构完工；目前已正式投入使用一年多，项目从施工到使用效果良好，达到了预期的设计要求。

参考文献：

[1]混凝土结构设计规范（GB50010-2010）

[2]预应力混凝土结构抗震设计规程（JGJ140-2004）