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广泛采用高效预应力结构体系

[日期:2013-05-31]
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  与传统预应力相结构相比,高效预应力结构具有以下一些特点:

  广泛采用高强度材料:目前国内预应力混凝土结构中常用的混凝土强度等级从c40-C80,甚至达到C100以上,预应力钢绞线的极限抗拉强度可达1860Mpa;  

  按照现代设计理论设计:如抗震设计理论、延性设计理论等,通过合理确定结构预应力度和截面配筋指数,大大改善了高效预应力结构的抗震性能、正常使用性能等; 

  先进施工工艺的开发:近年来高吨位、大冲程千斤顶的应用和多种锚固体系的开发等,为高效预应力结构的大规模推广应用提供了技术基础; 

  适用范围广:高效预应力结构适用于大跨和超大跨度、重载以及使用性能高的结构,其应用范围拓展到高层以结构转换层、钢结构、基础、路面等结构领域。

  近年来,高效预应力技术在我国发展迅速,已制定专门的预应力结构设计、施工规程、工程中应用的预应力结构体系也很丰富。典型工程实例有:面积最大的单体预应力工程是首都国际机场新航站楼工程,每层建筑面积约8.8万平方米,总建筑面积约35平方米,在混凝土板、墙、框架、柱以及钢屋架、钢梁和钢管网架中大量采用了预应力技术;柱网最大的预应力工程是深圳车港工程,标准层平面尺寸 159×103.5米,标准柱网16×25米,总建筑面积9.5万平方米;最在的预应力钢桁架工程是北京西站主站房工程`,该预应力钢桁架跨度45米,桁架上承40米高的中式门楼,门楼总重5400余吨;层数最多的预应力工程是广东国际大夏主楼,总计63层;高度最高的预应力工程是青岛中银大厦,总高度241米,58层,等等。限篇幅,本文重点介绍首都国际机场新航站楼工程和北京西客站主站房工程。

 1. 首都国际机场新航站楼工程

  北京首都机场新航站区扩建工程是国家"九五"重点工程,也是迎接建国五十周年的67项重大工程之一,其投资金额、建设规模、配套工程等均为我国民航建设史之最。其中,新航站楼工程是整个扩建工程的核心,工程南北向长747.5米,东南向长342.9米,地下一层,地上三层,每层建筑面积8.8平方米,总建筑面积约35万平方米。

  新航站楼工程全面采用了高效预应力技术,仅无粘结预应力筋量就达4000余吨堪称本世纪国内最大的预应力工程之一。新航站楼的基础为整体预应力平板片筏基础,上部结构采用了预应力框架、剪力墙体系和预应力板柱、剪力墙体系,部分屋面采用了预应力空间焊接钢管屋架。下面对工程预应力结构作一简单介绍。

 (1) 预应力混凝土板

  新航站棂的基础底板、地下室顶板、一~三层顶板均采用无粘预应力混凝土。

  基础底板为无粘结预应力混凝土片筏基础,支撑于基础滑动层上,板厚650毫米,基本柱网为9×9、9×12米,C40混凝土。预应力筋的布置方案是这样的:柱上板带双向集中布筋,9米跨轴线两侧各2.25米范围内设预应力筋36φ15,12米跨轴线两侧各3米范围内设预应力筋48φ15;跨中板带双向均匀布筋,9米跨轴线两侧各4.5米范围内设预应力筋24φ15,12米跨轴线两侧各6米范围内设预应力筋30φ15。

  地下室顶板主要为东西向单向板,板跨9米,板厚300毫米,C60混凝土,设预应力筋29φ15。部分轴线间顶板为双向板为双向板,板跨9×12、12×12米,板厚300,设置预应力筋31φ15,均为东西向单向布筋。

  一层顶板采用C60混凝土,1/H~P轴线间为南北向单向板,P~T轴线间为东西向单向板,板跨4.5、6,板厚150毫米,最大跨高比40,预应力筋2φ15@600单向。T~X轴线间为双向板,板跨9×9、9×12、12×12米,板厚180毫米,双向预应力筋2φ15@600。

  二~三层顶板也采用C60混凝土,1/H~P轴线间主要为双向板,板跨9×9、9×12、12×12米,板厚180毫米,设预应力筋2φ15@600双向布置。局部为南北向单向板,设预应力筋2φ15@600双向布置。局部为南北单向板,设预应力筋2φ15@600单向布置。

 (2) 预应力框架梁

  地下室多为南北向框架结构,局部为东西向框架,C60混凝土,基本跨度为9、12米,框架梁截面为1200×500毫米,9米跨时配置预应力筋8φ15,12米跨时配置16φ15。

  一~二层为以框架结构,C60混凝土,基本跨度为9、12、18、36米,框架截面为1200×500、1200×800毫米,9米跨时配置预应力筋6φ15,12米跨时配置预应力筋8φ15,18米跨时配置预应力筋12φ15,36米跨时配置预应力筋16φ15。

  由于梁内预应力配筋量不大,平均预应力也不高(约1.5Mpa),因此梁内预应力筋张拉可随板内预应力筋整体对称同步张拉玩须单处理。

 (3) 预应力墙体

  为控制超长地下室外墙的温度、收缩裂缝,地下室外墙采用了无粘结预应力混凝土的结构型式。地下室外墙分东西两侧,总长490 余米,C60混凝土,东墙墙厚400毫米,西墙墙厚500、700毫米。预应力筋沿水平向布置,数量为2φ15@400。预应力墙体张拉端采用下列两种做法:①墙体内侧设扶壁柱,预应力筋斜向搭接,设置平口穴模;②预应力筋曲线交叉搭接,设置斜口穴模。

 (4) 预应力柱

  航站楼中央大厅所有边柱与角柱均采用劲性预应力混凝土柱,柱直径1000 毫米,劲性钢管外径299毫米,C60混凝土,边柱配置无粘结预应力筋8φ15,角柱配置无粘预应力筋16φ15双向布筋。

 (5) 预应力钢屋架

  航站楼中央大厅屋面均为空间钢管焊接屋架,这是国内首次在该种类型的钢屋架在采用埋藏式无粘结预应力技术。在钢屋架的上、下弦受拉杆件中内埋3根中心丝注油1860级无粘结低松弛主强预应力筋 。通过弦杆与腹杆节噗处的双轮定位支架使预应力筋在曲线钢管中形成多折线段,以固定预应力的位置,并通过钢碗扣与下下弦管塞焊接形成张拉端和固定端承压面。

 (6) 预应力钢梁

  在航站楼中央大厅P~T/40~41轴以及P~T/48/49轴线间设置预应力焊接型钢梁,跨度36米。为解决结构自身挠度过大的问题,在钢梁的两根下弦受拉H型钢的上、下翼缘处各高一根40毫米的热轧螺纹钢筋,该热轧钢筋采用特殊挤压套管接长,两端设置张拉螺母。从而在钢梁中建立预期的张拉力。

 (7) 预应力钢网架

  该网架为双层双向平板型埋藏式预应力钢网架,是航站楼西侧309超长多波单层钢管网架的超始端,柱轴线跨度18米,预应力筋的配置、张拉构造与预应力钢屋架相似,预应力筋采用中心丝注油无粘结低松弛高强预应力筋。

 2. 北京西客站北站房工程

  北京西客站是我国迎接香港回归的重大工程。根据建筑设计要求,在北站房主楼中轴线主立面设置了宽43.8米、高52米的象征首都西大门的特大门洞,门洞上方承托40米高的中式门楼,中式门楼为三重檐古建形式,总重5400余吨。对于如此重型、大型大跨度结构,经多种方案优化分析、比较,决定采用巨型预应力钢桁架方案。这是我国首次设计应用的大跨度、巨型预应力钢桁架工程,国外也无类似的工程报道。

  预应力钢桁架体系由四榀45米跨主桁架和10榀28.8米跨次桁架组成。根据施工方案,主桁架在现成拼装完成后,两端铰支,承受上部门楼传来自重荷载。由于主桁架分两阶段承受外荷载,为充分发挥预应力的效果,预应力的施加也分两个阶段进行:第一阶段,主桁架两端铰支时,对主桁架下弦杆施加第一批预应力;第二阶段,当主桁架上、下弦节点端部固支时,分别对主桁架的上弦直线束和折线束施加第二批预应力。理论分析与实测结果表明,通过分析阶段施加预应预力,主桁架上、下弦杆内力有大幅度的减少,大部分斜腹杆内力也有不同程度的减小。

  可以预计,随着高性能预应力材料(高强混凝土、高强预应力筋、新型纤维塑料筋等)的推广应用以及结构设计理论和设计的不断发展,新型、高效应力结构体系将在我国二十一世纪大规模基本建设中发挥越来越大的作用。

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