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【摘 要】 在当前的建筑工程中，大跨度预应力混凝土结构被广泛的应用，通常，我们常见的大跨度的结构形式主要有网架结构以及网壳结构和膜结构、薄壳结构等。近些年以来，在工程的应用中预应力混凝土结构有很大的发展，其设计受到了人们的日益重视。
【关键词】 大跨度预应力；混凝土结构；设计
一、预应力混凝土技术的主要优点
预应力混凝土技术是一项比较成熟、应用广泛的建筑施工技术，它不仅可以显著增强施工工程的抗裂性能，同时还可有效改善工程的刚度、耐久度等指标。众所周知，混凝土是目前人类社会使用最为广泛的建材，已被我们广泛运用于工业建筑、民用建筑以及道路、渡河工程等建筑工程领域。然而，混凝土本身却有着比较明显的缺陷，比如，极限应变值较小。工程实践中要想使混凝土不发生开裂等问题，钢筋的应力只能达到150～200N/mm2，限制了钢筋抗拉强度的充分发挥。为了解决这一问题，最便捷的办法就是应用预应力混凝土技术。
与普通混凝土相比，预应力混凝土不仅显著提高了建筑构件的抗裂度、刚度、减少挠度，也可以减轻建筑物自重，增加建筑构件的耐久性，同时也显著降低了建筑工程造价，并具有抗火性能优良、抗疲劳性强等优点。对于那些大开间、大跨度、重载荷的建筑工程结构，预应力混凝土技术的上述优势表现得更为明显。
二、建筑工程预应力混凝土结构对混凝土的技术要求
所谓预应力混凝土，简单说就是混凝土在外荷载作用于构件之前，利用钢筋张拉后的弹性回缩，对构件受拉区的混凝土预先施加压力，产生预压应力。当构件在荷载作用下产生拉应力时，首先抵消预应力，然后随着荷载不断增加，受拉区混凝土才受拉开裂，从而延迟了构件裂缝的出现，限制了裂缝的开展，提高了构件的抗裂度和刚度。用于建筑施工工程中预应力混凝土结构构件的混凝土，在性能上要满足如下条件：
（一）强度高
与钢筋混凝土等建材相比，预应力混凝土采用的必须是高强度的混凝土。高强度的混凝土才能够通过先张法等技术手段来全面提升构件的钢筋与混凝土之间的黏结力，提高锚固端的局部承压承载力，满足建筑工程质量的需要。
（二）收缩、徐变小
性能合格的预应力混凝土，能够有效降低收缩、徐变等因素所导致的预应力损失。
（三）快硬、早强
性能合格的预应力混凝土可尽早施加预应力，加速台座、锚具、夹具等施工器具的周转，降低施工成本，加快施工进度。国家标准《混凝土设计规范》（GB50010-2010）对预应力混凝土的技术规范有着详细规定，是行业强制性技术标准，我们在工程实践中必须严格遵循，确保施工质量。
三、案例概况
某工业园总用地面积3.4万m2，总建筑面积6万m2，为集多功能于一体的现代化工业园。结构形式为框架-剪力墙结构，上部主体结构六层，地下室一层，结构沿纵向总长度达到131m，沿横向最大长度约为110m。其中二层1-12-A-B轴线和二层、三层1-12-M-N轴线范围内结构作为仓储中心，其中标准跨采用主次梁纵向跨度为22.6m，横向跨度为14.0m，端部悬挑最大跨度达7.5m。
（一）结构方案
二层和三层的仓储中心横向长度达到110m，伸缩缝没有设置，远远大于《混凝土结构设计规范》中对钢筋混凝土框架结构伸缩缝的要求，在标准中其伸缩缝的最大间距要求为55m，摒弃恩因为温度应力和混凝土收缩所产生的作用，结构的板、梁在施工中非常容易出现裂缝，这样就对结构的应用产生一定的影响，所以，一定要利用相关的措施来加强伸缩缝间距的控制。并且，仓储中心结构所需要的荷载大，尤其是在其二层1-12-A-B轴线以及三层1-12-M-N轴线范围内结构活荷载40.0kN/m2，恒荷载10.5kN/m2，二层1-12-M-N轴线范围内结构活荷载20.0kN/m2，恒荷载7.5kN/m2，同时纵向的最大跨度能够达到22.6m。所以，这种结构的形式是属于超长以及打垮和重载的结构形式，为了能够确保在大跨重载的作用下承载力和对超长结构的开裂性的控制是该仓储中心结构设计的重点。
在设计中利用预应力技术来解决结构问题，利用对结构进行预应力的施加，在一部分竖向荷载进行平衡，并且在结构中首先进行预压应力，使其能够将结构在季节以及混凝土收缩中产生的拉应力进行有效的抵消。通过实践以及理论证明
预应力对大跨重载以及超长结构来解决挠度问题和控制结构裂缝是有效的。
三、大跨重载作用下的预应力结构设计
（一）预应力的计算标准
材料强度等级：混凝土C40，有粘结预应力筋以及无粘结预应力筋基本上都为1860MPa高强低松弛钢绞线，规格为Φs15.2。预应力张拉控制应力都为0.72fptk=1339.2MPa。
该工程的建筑抗震设防类别可以分为丙类，对抗震设防的烈度要求为七度，设计地震在分组中是第一组，建筑的场地类别是I类。基本风压为0.90kN/m2，地面粗糙度为C类。框架的抗震等级为三级，局部大跨度框架抗震等级为二级，剪力墙的抗震等级为二级，其结构的安全性能等级为二级。
采用SATWE和PREC程序进行抗裂验算以及配筋计算。由于该预应力结构部分与其他区域普通结构相连，为考虑预应力效应对相邻结构的影响，在PREC程序中将预应力钢筋全部输入模型中，与主体结构进行整体分析计算。
（二）裂缝控制标准
结构设计应满足承载力极限状态、正常使用极限状态以及耐久性的要求，在预应力的结构设计中通常主要是抗裂控制，根据相关规范的规定，对于处在一类环境下的预应力混凝土结构，其裂缝的控制等级通常是三级，也就是裂缝的最大宽度尽可能的控制在0.2mm以内。因为本工程的部分结构为仓储中心，车道以及行车的平台区域最大的活载能够达到40.0kN/m2。若是按照《混凝土结构设计规范》对裂缝宽度的控制极限要求，预应力的梁截面需要非常的大，同时所配置的预应力筋以及普通钢筋也非常多，在造价中对成本的損耗也非常大。考虑车道及行车平台区荷载使用的特殊情况，在使用中该区域结构不会全楼板面积布满活载，需要将行车路线以及货车的实际重量进行考虑，并且对于该区域的结构利用活载乘0.8的系数然后再进行折减，进行正常使用极限状态下的裂缝验算（最大裂缝宽度控制在0.2mm以内）。同时对于一层楼面（活荷载20.0kN/m2）以及二层楼面（活荷载20.0kN/m2）区域不考虑活载折减。针对结构多样复杂性，对不同情况的构件采取不同的控制标准，详见下表1。 经结构验算，该工程二层～三层部分主、次梁采用有粘结预应力技术，跨后浇带的锁缝筋采用无粘结预应力技术，预应力部分主体结构采用宽扁梁体系，标准跨横向主框架梁为2500mm×1100mm、2000mm×1100mm，预应力筋根数分别为72根、60根和36根（Φs15.2），标准跨纵向主框架梁截面为2500mm×1100mm和2000mm×1100mm，预应力根数分别为96根和60根（Φs15.2）。该工程的所有预应力梁的普通钢筋通常利用对称配筋，其受到的压力高度基本上小于0.35h0，在符合规范要求的基础上，其支座截面纵向受拉钢筋折算配筋率不能够超过2.5%。
（三）多工况验算
由于预应力混凝土结构有别于普通钢筋混凝土结构的受力机理，预应力结构承受外荷载作用之前，结构已经承受了来自预应力产生的作用。由于本工程的可变荷载取值相当大，如果设计不当，过多的预应力作用不但对结构体系的作用有所减弱，对于预应力的反向荷载可能因为过大造成结构产生的反拱并截面开裂较大，这样就是产生了一定的负面作用，对于这种结构中通常可变荷载弯矩所占比重大点，结构在各种使用状态下的承载力以及裂缝利用适当控制构件的预应力度的方式来控制。表2为两种典型梁的预应力配筋结果和不同工况下的结构受力状态、裂缝验算宽度。
从上表可知，经过对各工况进行验算，构件裂缝宽度均在设计允许范围内。同时从上表可以看出，构件在施工阶段以及无活载使用阶段均出现反拱，为了能更加合理地控制裂缝开展，设计采用梁面筋全部拉通形式。
四、裂缝控制
（一）楼板双层双向配筋拉通及布置无粘结预应力筋
经计算，在假定温差±20℃（相对施工零应力状态）的基础上，结构长向的温度应力约达到±3～4MPa。为提高楼板的抗裂性能，除在主次梁中布置预应力筋外，还在楼板内布置间距500mm（沿结构110m方向）单束无粘结预应力筋，张拉后在楼板内形成比较均匀的约2.5MPa的预压应力，同时楼板普通钢筋设置为全拉通配筋，以抵抗和控制温度以及混凝土收缩裂缝的发展。
（二）设置后浇带
为了减少结构在施工中混凝土的收缩所带来的不利影响，通常需要设置后浇带，后浇带的作用通常是预应力筋分段施工的作用，对由于预应力筋超长布置所带来的应力损失效应进行有效的减小。同时为尽量减小钢筋对混凝土楼板的约束作用，后浇带位置的楼板普通钢筋宜全部断开（梁纵向钢筋不断开）。该结构在纵向110m方向中间设置一道后浇带，后浇带宽度为1800mm，将结构分成左右55m长度的两个施工区段，有效地解决了侧向约束混凝土楼板自由收缩的问题。混凝土的收缩随时间而增长，在开始阶段发展比较快，两周之内就能完成全部收缩的25%，一个月就能完成一半，三个月就能完成60%～80%。在两个月之后并且气温能够低于在主体进行浇筑中的气温，同时加强竖向结构所带来的约束影响进行考虑，可以认为这时的收缩变形以境外按成50%。后浇带的锁缝预应力筋在其混凝土达到一定的设计强度时就能够进行张拉。为了能够提高后浇带的抗裂性能，利用比原等级高一个等级的膨胀混凝土。此外，还通过严格控制混凝土水泥的用量，加强混凝土浇筑后的养护等措施来减少非结构性裂缝的产生。
五、结语
由此可见，预应力混凝土结构是解决大跨度、重荷载等类建筑结构重要技术。随着我国城市化、工业化进程的加快，居住建筑、大跨度公共建筑、工业建筑的大量兴建，预应力混凝土技术将会有飞速的发展和变化。
参考文献：
[1]潘立.后张預应力混凝土结构中预应力约束损失的计算分析[J].建筑科学.2004（06）
[2]陶桦铭.预应力混凝土结构工程[J].科技通报.2013（02）
[3]何相如.超长预应力平板施工工法的探讨[J].建筑知识.2012（04）
【关键词】 大跨度预应力；混凝土结构；设计
一、预应力混凝土技术的主要优点
预应力混凝土技术是一项比较成熟、应用广泛的建筑施工技术，它不仅可以显著增强施工工程的抗裂性能，同时还可有效改善工程的刚度、耐久度等指标。众所周知，混凝土是目前人类社会使用最为广泛的建材，已被我们广泛运用于工业建筑、民用建筑以及道路、渡河工程等建筑工程领域。然而，混凝土本身却有着比较明显的缺陷，比如，极限应变值较小。工程实践中要想使混凝土不发生开裂等问题，钢筋的应力只能达到150～200N/mm2，限制了钢筋抗拉强度的充分发挥。为了解决这一问题，最便捷的办法就是应用预应力混凝土技术。
与普通混凝土相比，预应力混凝土不仅显著提高了建筑构件的抗裂度、刚度、减少挠度，也可以减轻建筑物自重，增加建筑构件的耐久性，同时也显著降低了建筑工程造价，并具有抗火性能优良、抗疲劳性强等优点。对于那些大开间、大跨度、重载荷的建筑工程结构，预应力混凝土技术的上述优势表现得更为明显。
二、建筑工程预应力混凝土结构对混凝土的技术要求
所谓预应力混凝土，简单说就是混凝土在外荷载作用于构件之前，利用钢筋张拉后的弹性回缩，对构件受拉区的混凝土预先施加压力，产生预压应力。当构件在荷载作用下产生拉应力时，首先抵消预应力，然后随着荷载不断增加，受拉区混凝土才受拉开裂，从而延迟了构件裂缝的出现，限制了裂缝的开展，提高了构件的抗裂度和刚度。用于建筑施工工程中预应力混凝土结构构件的混凝土，在性能上要满足如下条件：
（一）强度高
与钢筋混凝土等建材相比，预应力混凝土采用的必须是高强度的混凝土。高强度的混凝土才能够通过先张法等技术手段来全面提升构件的钢筋与混凝土之间的黏结力，提高锚固端的局部承压承载力，满足建筑工程质量的需要。
（二）收缩、徐变小
性能合格的预应力混凝土，能够有效降低收缩、徐变等因素所导致的预应力损失。
（三）快硬、早强
性能合格的预应力混凝土可尽早施加预应力，加速台座、锚具、夹具等施工器具的周转，降低施工成本，加快施工进度。国家标准《混凝土设计规范》（GB50010-2010）对预应力混凝土的技术规范有着详细规定，是行业强制性技术标准，我们在工程实践中必须严格遵循，确保施工质量。
三、案例概况
某工业园总用地面积3.4万m2，总建筑面积6万m2，为集多功能于一体的现代化工业园。结构形式为框架-剪力墙结构，上部主体结构六层，地下室一层，结构沿纵向总长度达到131m，沿横向最大长度约为110m。其中二层1-12-A-B轴线和二层、三层1-12-M-N轴线范围内结构作为仓储中心，其中标准跨采用主次梁纵向跨度为22.6m，横向跨度为14.0m，端部悬挑最大跨度达7.5m。
（一）结构方案
二层和三层的仓储中心横向长度达到110m，伸缩缝没有设置，远远大于《混凝土结构设计规范》中对钢筋混凝土框架结构伸缩缝的要求，在标准中其伸缩缝的最大间距要求为55m，摒弃恩因为温度应力和混凝土收缩所产生的作用，结构的板、梁在施工中非常容易出现裂缝，这样就对结构的应用产生一定的影响，所以，一定要利用相关的措施来加强伸缩缝间距的控制。并且，仓储中心结构所需要的荷载大，尤其是在其二层1-12-A-B轴线以及三层1-12-M-N轴线范围内结构活荷载40.0kN/m2，恒荷载10.5kN/m2，二层1-12-M-N轴线范围内结构活荷载20.0kN/m2，恒荷载7.5kN/m2，同时纵向的最大跨度能够达到22.6m。所以，这种结构的形式是属于超长以及打垮和重载的结构形式，为了能够确保在大跨重载的作用下承载力和对超长结构的开裂性的控制是该仓储中心结构设计的重点。
在设计中利用预应力技术来解决结构问题，利用对结构进行预应力的施加，在一部分竖向荷载进行平衡，并且在结构中首先进行预压应力，使其能够将结构在季节以及混凝土收缩中产生的拉应力进行有效的抵消。通过实践以及理论证明
预应力对大跨重载以及超长结构来解决挠度问题和控制结构裂缝是有效的。
三、大跨重载作用下的预应力结构设计
（一）预应力的计算标准
材料强度等级：混凝土C40，有粘结预应力筋以及无粘结预应力筋基本上都为1860MPa高强低松弛钢绞线，规格为Φs15.2。预应力张拉控制应力都为0.72fptk=1339.2MPa。
该工程的建筑抗震设防类别可以分为丙类，对抗震设防的烈度要求为七度，设计地震在分组中是第一组，建筑的场地类别是I类。基本风压为0.90kN/m2，地面粗糙度为C类。框架的抗震等级为三级，局部大跨度框架抗震等级为二级，剪力墙的抗震等级为二级，其结构的安全性能等级为二级。
采用SATWE和PREC程序进行抗裂验算以及配筋计算。由于该预应力结构部分与其他区域普通结构相连，为考虑预应力效应对相邻结构的影响，在PREC程序中将预应力钢筋全部输入模型中，与主体结构进行整体分析计算。
（二）裂缝控制标准
结构设计应满足承载力极限状态、正常使用极限状态以及耐久性的要求，在预应力的结构设计中通常主要是抗裂控制，根据相关规范的规定，对于处在一类环境下的预应力混凝土结构，其裂缝的控制等级通常是三级，也就是裂缝的最大宽度尽可能的控制在0.2mm以内。因为本工程的部分结构为仓储中心，车道以及行车的平台区域最大的活载能够达到40.0kN/m2。若是按照《混凝土结构设计规范》对裂缝宽度的控制极限要求，预应力的梁截面需要非常的大，同时所配置的预应力筋以及普通钢筋也非常多，在造价中对成本的損耗也非常大。考虑车道及行车平台区荷载使用的特殊情况，在使用中该区域结构不会全楼板面积布满活载，需要将行车路线以及货车的实际重量进行考虑，并且对于该区域的结构利用活载乘0.8的系数然后再进行折减，进行正常使用极限状态下的裂缝验算（最大裂缝宽度控制在0.2mm以内）。同时对于一层楼面（活荷载20.0kN/m2）以及二层楼面（活荷载20.0kN/m2）区域不考虑活载折减。针对结构多样复杂性，对不同情况的构件采取不同的控制标准，详见下表1。 经结构验算，该工程二层～三层部分主、次梁采用有粘结预应力技术，跨后浇带的锁缝筋采用无粘结预应力技术，预应力部分主体结构采用宽扁梁体系，标准跨横向主框架梁为2500mm×1100mm、2000mm×1100mm，预应力筋根数分别为72根、60根和36根（Φs15.2），标准跨纵向主框架梁截面为2500mm×1100mm和2000mm×1100mm，预应力根数分别为96根和60根（Φs15.2）。该工程的所有预应力梁的普通钢筋通常利用对称配筋，其受到的压力高度基本上小于0.35h0，在符合规范要求的基础上，其支座截面纵向受拉钢筋折算配筋率不能够超过2.5%。
（三）多工况验算
由于预应力混凝土结构有别于普通钢筋混凝土结构的受力机理，预应力结构承受外荷载作用之前，结构已经承受了来自预应力产生的作用。由于本工程的可变荷载取值相当大，如果设计不当，过多的预应力作用不但对结构体系的作用有所减弱，对于预应力的反向荷载可能因为过大造成结构产生的反拱并截面开裂较大，这样就是产生了一定的负面作用，对于这种结构中通常可变荷载弯矩所占比重大点，结构在各种使用状态下的承载力以及裂缝利用适当控制构件的预应力度的方式来控制。表2为两种典型梁的预应力配筋结果和不同工况下的结构受力状态、裂缝验算宽度。
从上表可知，经过对各工况进行验算，构件裂缝宽度均在设计允许范围内。同时从上表可以看出，构件在施工阶段以及无活载使用阶段均出现反拱，为了能更加合理地控制裂缝开展，设计采用梁面筋全部拉通形式。
四、裂缝控制
（一）楼板双层双向配筋拉通及布置无粘结预应力筋
经计算，在假定温差±20℃（相对施工零应力状态）的基础上，结构长向的温度应力约达到±3～4MPa。为提高楼板的抗裂性能，除在主次梁中布置预应力筋外，还在楼板内布置间距500mm（沿结构110m方向）单束无粘结预应力筋，张拉后在楼板内形成比较均匀的约2.5MPa的预压应力，同时楼板普通钢筋设置为全拉通配筋，以抵抗和控制温度以及混凝土收缩裂缝的发展。
（二）设置后浇带
为了减少结构在施工中混凝土的收缩所带来的不利影响，通常需要设置后浇带，后浇带的作用通常是预应力筋分段施工的作用，对由于预应力筋超长布置所带来的应力损失效应进行有效的减小。同时为尽量减小钢筋对混凝土楼板的约束作用，后浇带位置的楼板普通钢筋宜全部断开（梁纵向钢筋不断开）。该结构在纵向110m方向中间设置一道后浇带，后浇带宽度为1800mm，将结构分成左右55m长度的两个施工区段，有效地解决了侧向约束混凝土楼板自由收缩的问题。混凝土的收缩随时间而增长，在开始阶段发展比较快，两周之内就能完成全部收缩的25%，一个月就能完成一半，三个月就能完成60%～80%。在两个月之后并且气温能够低于在主体进行浇筑中的气温，同时加强竖向结构所带来的约束影响进行考虑，可以认为这时的收缩变形以境外按成50%。后浇带的锁缝预应力筋在其混凝土达到一定的设计强度时就能够进行张拉。为了能够提高后浇带的抗裂性能，利用比原等级高一个等级的膨胀混凝土。此外，还通过严格控制混凝土水泥的用量，加强混凝土浇筑后的养护等措施来减少非结构性裂缝的产生。
五、结语
由此可见，预应力混凝土结构是解决大跨度、重荷载等类建筑结构重要技术。随着我国城市化、工业化进程的加快，居住建筑、大跨度公共建筑、工业建筑的大量兴建，预应力混凝土技术将会有飞速的发展和变化。
参考文献：
[1]潘立.后张預应力混凝土结构中预应力约束损失的计算分析[J].建筑科学.2004（06）
[2]陶桦铭.预应力混凝土结构工程[J].科技通报.2013（02）
[3]何相如.超长预应力平板施工工法的探讨[J].建筑知识.2012（04）