高层建筑的带预应力结构设计及评估

来源：网络，侵删！

点击了解相关课程或咨询老师QQ：2355735310  微信：15961299493。

摘　要：随着建筑产业经济的快速发展，我国对于高层建筑的需求量不断增加。在高层建筑中，转换层是整个结构的关键部分，结构设计已成为整个工程的关键。预应力混凝土桁架构件间距较大、灵活性强，有利于在实际工程中推广应用。本文将对预应力混凝土桁架转换层高层建筑的结构设计进行分析，提出符合高层建筑带预应力设计评估的操作方案。

建筑转换层承担着上部结构传导的巨大荷载，而且位置独特，承受外部条件和内力状态导致的高度复杂的底层变化，在整个建筑结构中占有重要的地位。建筑物结构中安装相应的转换层，会破坏建筑物高度的均匀性，优良的传输路径同样会发生变化。预应力混凝土结构的承载力通常很大，具有较强的抗裂性，适合高层、重载转换层的建筑施工。除此之外，混凝土桁架的间隙较大，有利于混凝土桁架的拆分，具有较高的社会效益和经济效益。

1 带预应力混凝土桁架转换层概述

转换层支撑着上部结构巨大的纵向荷载（或悬挂下层的重量），而复杂高层建筑的内部和边界条件都处于底部，因此，转换层是整个结构的重要组成部分。由于结构有转换层，结构沿高度方向的刚度均匀性受到较大的破坏，力的传递路径也发生了变化。这就决定了许多带有转换层的高层建筑结构不能用常规的均质结构进行设计。大跨度转换层施工具有承载力大、抗裂性好、承载能力强等特点，其具有节省重量和混凝土的优点。预应力混凝土桁架具有宽大、美观、灵活等优点，具有很好的经济效益和社会效益。随着我国预应力技术的进步，预应力材料的数量和施工成本不断减少，许多摩天大楼转换层结构采用预应力技术的案例越来越多。然而，关于后备电源转换层结构的设计和施工方法，在现行标准中尚未提及。本文在预应力混凝土桁架层光弹性模型试验及预应力混凝土桁架转换层结构静力试验、拟力试验、拟静力试验的基础上，对带转换层多层结构进行了理论分析，结合常规施工实践和研究成果，提出了一种多层混凝土桁架转换层结构的设计与施工方案。

2 高层建筑结构中应用预应力混凝土桁架转化层的必要性

2.1 社会经济快速发展的必要价值

在优化和升级我国的技术和经济产业结构的过程中，我们需要把握高层建筑在全球市场上的主导价值地位，以高质量、高水平、高标准的快速发展为基础。按照预应力混凝土桁架转换层技术运行要求，对现行的混凝土桁架转换层进行转换，优化高层建筑的优越性，保证高层建筑的市场化和计算机化，具有较高的经济效益。

2.2 建筑业产业快速优化和升级的需要

高层建筑是当前建筑业发展的一大趋势，由于现有的生存发展空间不够稳定，我们需要通过各种方式来占领更多的市场份额，例如，增强混凝土桁架转换层技术在高层建筑中的应用，提升高层建筑的市场竞争力，以促进建筑业产业结构的优化升级。

2.3 提高多高层建筑业的核心竞争力

传统高层建筑的优势正在逐渐减弱，要想找到一个高层次的建设目标，就需要摆正并提高高层建筑的位置，以提高市场竞争力。预应力混凝土桁架转换层比其他方法具有自重轻、抗裂能力强等特点，能够更好地提高高层建筑的安全性和有效性，有利于保障高层建筑的核心竞争力，成为市场经济的先行者。

3 多高层建筑结构布置原则阐述

从许多工程实践来看，在进行预应力转换桁架设计时，高层建筑的功能与结构传递力的情况有关。通常，转换桁架布置在一处或多处，以结构的抗剪刚度比来满足布置规范要求。调整上下桁架转换比例水平，有利于实现连续性。在建筑结构的抗震设计中，设计人员应尽量避免高级转换，如果对高层建筑的转换功能有一定的需求，应选定桁架转换结构。与此同时，预应力转换桁架可采用四种结构形式，分别是预应力平板梁、预应力加重腹材、预应力混合空腹桁架和预应力空腹桁架。结构构件的混凝土选用应根据混凝土施工的实际情况确定。一系列的实践研究表明，高层建筑的桁架对竖向受力构件有一定的要求，其抗侧力构件必须放置在平面上。

4 带预应力混凝土桁架转换层的多高层建筑结构设计与构造要求

4.1 结构设计的原则

采用预应力混凝土桁架转换层的高层建筑结构设计原则主要是，完成加固强柱弱梁、强节点、强斜开间、转换层的结构，削弱其顶部的应力效果。经过多次试验，在结构设计过程中严格遵循以上原则，可使混凝土桁架转换层具有较好的抗震效果。转换层结构的发展严格遵循“强柱、强梁、弱梁”的原则，既保证了梁端出现塑性铰，又保证了转换层上部柱底出现塑性铰，有效提高了梁设计的安全性。在设计过程中，转换层上层的接口设计应简洁明了，以实现“强柱弱梁”的目标。但在具体施工中，考虑到整个结构腹桁架的工作特点，设计工作应按规范进行钢筋的操作要求，在接头处对其进行优化。

根据相关的工程经验，预制桁架在建筑物高处放置时，根据高层建筑的功能需求和结构传力的实际情况，采用多处布置。对桁架转换层的具体要求是，下层的桁架转换比满足纵向刚度的连续性。如果想尽可能避免高级转换，并且在体系结构功能中要求更高的转换，则桁架转换层结构是最佳选择。以高层建筑的桁架需要作为竖向受力构件且必须是抗侧力构件时，将其放置在平面上，严格遵守“均匀、分散、对称、周长”的原则，可以在很大程度上避免对建筑的破坏，保证万无一失。相关结构与构造的具体要求如图 1 所示。

4.2 对设计原则进行详细的研究与分析

结构设计原则主要包括三个方面：加强转换层及其下部，弱化转换层上部；强斜腹板构件和强节点；强中柱、侧柱、强柱、弱梁。这三个原则是经过许多次测试的结果，在结构设计应遵循以上原则。桁架转换层结构已有效应用于高层建筑中，具有良好的抗震效果。转换层结构设计遵循“强柱弱梁、强侧柱、强中柱”的原则，既能保证梁端塑铰的出现，又能保证转换层以上柱底部塑性铰的出现。这样，柱的安全储备将大于梁的安全储备。在设计过程中，为了达到“强柱弱梁”的目标，转换层上部结构的界面设计应尽可能使其屈服。设计人员应特别注意整体结构空腹桁架的工作特点，从受拉钢筋的要求进行设计并优化连接设计，确保整体结构的良好延性。设计中，预应力转换桁架沿筒体外围布置时，应在转换桁架端部与相邻下角柱相交处设置双向偏心受压构件。

4.3 斜腹杆桁架构造的基本要求

斜腹桁架的结构需要满足以下要求。首先，受压弦杆的非预应力纵向钢筋应对称布置在四周，含钢量应符合有关要求，最好与桁架连接，受压弦杆的非预应力纵向应沿附近均匀对称布置，设计工作应严格控制，正常使用时裂缝宽度为 0.2mm。其次，受拉弦杆最小面积的配箍率必须严格遵循规范的有关要求，桁架受压和受拉弦杆的非预应力钢筋接头必须结合规范要求并采用焊接接头。在具体实施过程中，可优先采用闪光接头进行对接焊。最后，在桁架节点设计中，桁架弦杆的非预应力钢筋应与支撑锚固钢板连接，采用封闭箍筋，加密时箍筋应与弦杆轴线垂直。

4.4 桁架转换层的功能简述

桁架转换层是高层建筑的重要组成部分，具有预应力混凝土结构良好的抗荷载性能，特别适用于承受高层建筑荷载的转换层。预应力混凝土桁架结构转换层采用预应力混凝土结构。比如，腹桁架转换层由上弦、下弦和直腹杆组成，其优点是受力均匀、结构合理、抗震性能优良。桁架转换层构件复杂，结构跨度大，施工难度大。转换层分为上层结构和下层结构，下层结构和上层结构应保持平衡状态，即使在柱网布置上，上层结构的转换也应严格按照标准进行。另外，转换层的上下层之间不连续的纵向力传递很可能导致刚性突变，因此，所选择变换层结构能够克服该缺陷。

5 带预应力混凝土桁架转换层的多高层建筑结构设计的计算方法

在预应力混凝土桁架转换层结构设计中，其弹性内力的近似实用计算方法是：从整体空间结构的角度，对预应力混凝土桁架转换层、桁架中的腹杆和上下弦杆进行整体应力分析，分别视为柱单元和梁单元，利用三维分析程序进行整体内力分析和位移分析计算（通过计算可知，桁架转换层的外荷载为相邻上柱下端截面和相邻下柱上端截面的内力）；然后，利用含杆件轴向变形的有限元分析程序软件，计算桁架转换层上下弦杆在不同应力状态下的最大轴力，并将预应力与相应的内力进行叠加；再根据《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》（JGJ3—91）对基本组合的相关要求，结合不同的应力状态，确定上下弦杆的轴力设计值，并根据楼板和梁的实际刚度，计算其变形和内力值；通过应力状态的组合，得出桁架转换层的设计值，并确定配筋方式。预应力混凝土桁架转换层的结构设计不仅要考虑施工阶段的情况，而且要考虑施工和使用阶段的实际支撑情况，分别进行计算，真实反映桁架转换层的内力和变形。在转换层楼板的设计中，由于建筑物高度方向刚度的突变，转换层作为上下剪力重新分配的主要承载体，将承受较大的荷载，荷载在自身平面内传递，属于附加内力。因此，转换层楼板的设计应考虑楼板的内力和变形。刚度的突变也会对转换层上下范围内的 2 ～ 3 层产生一定的影响。因此，有必要采取适当的设计方法来提高这些楼板的强度，如增加楼板厚度、提高混凝土强度等级等方法。在实际施工中，转换层严禁采用预制板，必须采用现浇板；地板厚度和混凝土强度等级应分别超过 150mm 和 C30；加固方式为双向双层，各穿向配筋率不小于 0.33%。为保证其强度满足受力和变形要求，相邻转换层的加固方法应与转换层相同，配筋率应大于 0.25%；楼板边缘、洞口边缘等薄弱部位，应增加配筋率。

6 带预应力混凝土桁架转换层的多高层建筑结构的施工建议

从施工的实际经验来看，预应力桁架在施工阶段与一般使用条件的连接状态应有一定的差异。为了将这种差异最大化，采用扩张施工技术方法，确定施工预应力桁架转换层。在实施操作过程中，施工人员必须确保增强转换集群下的支持。这种“延时”的施工过程，在施工过程中必须避免漏胶、堵孔等问题，但渗漏、坑堵等问题是转换桁架下弦杆、预紧力的加固时间或长管断裂导致的。施工中应有效预防孔内预应力钢筋，防止钢筋锈蚀。一般来说，预应力桁架转换层结构越密实，预应力锚固区越集中。在施工过程中，施工方必须先对典型节点钢筋进行试验。局部压力荷载计算应按照高强混凝土技术规程进行：混凝土转换桁架下端压力区的混凝土应力较大，预应力会导致构件纵向开裂，因此，高强度混凝土构件的修正系数比例必须满足规范要求。

6.1 预应力混凝土结构施工方法

有效避免预应力混凝土结构上述缺点的方法是采用先张法和后弯法，即在浇筑混凝土前，应先将钢丝和钢筋的预应力拉至规定的应力，用锚将其锚定在台座两端的支座上，然后将模板、钢筋、各部位连接起来，以保护混凝土。

6.2 桁架转化层结构的施工建议 

桁架转换层是高层建筑的关键部位。桁架结构转换层主要解决了结构合理性与建筑功能之间的矛盾，其主要的控制手段包括转换层上下结构的转换、轴线的变化和柱网的布置。值得注意的是，其复杂的变异性和集中刚度容易导致地震效应的突然增加。

7 结语

综上所述，桁架转换层是优化建筑结构安全和使用功能的重要措施。设计人员应对混凝土主导力的桁架层进行转换，遵循预应力混凝土设计要求，提高整个转换层设计的合理性和可靠性。

想要获得更多结构知识↓↓

加老师微信，了解更多