特色技术
专业从事预应力结构体系的设计、施工一体化解决方案
01
方案概况
本次方案为36m大跨度屋面方案，高度为6m,以恒载为变量，恒载取值分别为24、20、12、6KN/m²，进行普通结构方案与预应力方案对比，如图1.1、1.2所示：
图1.1 普通方案设计区域（蓝色围区）
图1.2 预应力方案设计区域（蓝色围区）
02
设计方案
2.1 设计方案制定原则
本工程预应力设计方案遵循以下原则：
在现有技术基础上，用最经济的手段来获得预定条件下满足设计所预期的各种功能的要求，包括安全性、适用性、耐久性。
2.2 设计依据
1）《混凝土结构设计规范》GB 50010-2010（2015版）；
2）《建筑结构荷载规范》GB 50009-2012；
3）《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010。
2.3 设计软件的选择
普通方案设计采用的结构设计软件是PKPM。我司采用的是美国CSI公司开发研制的ETABS系列的SAFE软件，它将有限元分析理论完整的应用到结构分析设计过程中，分析结果经多次设计及施工实践证明其更接近实际受力情况，是一种分析和设计底板和楼板的强有力的工具。
2.4 设计荷载取值
预应力方案荷载与普通方案一致，屋面荷载有：
方案一：恒载24KN/m²、活载3KN/m²。
方案二：恒载20KN/m²、活载3KN/m²。
方案三：恒载12KN/m²、活载3KN/m²。
方案四：恒载6KN/m²、活载3KN/m²。
共四种情况下的方案对比。
2.5 裂缝控制限值
预应力混凝土对裂缝控制的要求往往要高于普通混凝土结构，两种结构构件的环境类别详见表2.5.1，裂缝控制等级及最大裂缝宽度限值见表2.5.2。裂缝宽度验算结果详3.7.1。
表2.5.1 环境类别选取表
表2.5.2 裂缝控制等级及裂缝宽度限值
2.6 设计方案的制定
对于本次的36m大跨度屋面方案，分别对大板结构与主次梁结构相关的预应力方案进行数据统计，本次统计数据仅供参考。数据统计详表2.6.1~2.6.4。
表2.6.1 以150mm板厚方案数据统计
表2.6.2 以180mm板厚方案数据统计
表2.6.3 以200mm板厚方案数据统计
表2.6.4 以220mm板厚方案数据统计
根据本工程的自身受力特征，统计的内力数据为预应力结构模型中X向的跨中板带的跨中内力，从上面四个表格的整体数据中可以看出：
①次梁的增加对结构的优化并不明显；
②适当加大板厚，有利于结构布置，降低结构混凝土量；
③次梁增设后整体砼量要大于大板结构的砼量；
④考虑到普通结构板支座处内力较大，故可对整体结构以预应力大板结构进行设计。
综上，屋面原结构采用主次型钢梁结构，现改为预应力大板结构，取消X向所有次梁，具体截面尺寸及配筋详第3.6节。
预应力方案采用的是C40混凝土，并采用有粘结钢绞线（基本参数为As=140mm²；fptk=1860MPa；σcon=0.75fptk=1395Mpa）；普通钢筋选用三级钢，fy=360MPa。
03
分析设计过程
3.1 建立SAFE模型
预应力方案有限元结构模型如图3.1.1所示，各方案截面详表3.1.3。
图3.1.1 方案一safe模型平面布置图
表3.1.3 方案截面尺寸
3.2 运行后变形及各应力图
3.2.1 变形图
模型输入预应力筋后运行，生成的变形图如3.2.1所示。
图3.2.1 方案一屋面在标准组合下变形图
3.2.2 板弯矩应力云图
选取最不利荷载组合下板应力，在变形形状上显示云图如图3.2.2a~3.2.2b所示。
图3.2.2a 方案一板弯矩应力云图M11
图3.2.2b 方案一板弯矩应力云图M22
3.3 配筋结果
普通方案及预应力方案配筋如表3.3.1~3.3.4所示。
表3.3.1 荷载（24，3）方案配筋
表3.3.2 荷载（20，3）方案配筋
表3.3.3 荷载（12，3）方案配筋
表3.3.4 荷载（6，3）方案配筋
3.4 裂缝宽度验算
设计范围的裂缝宽度验算结果对比，详表3.4.1。
表3.4.1裂缝宽度验算结果
3.5 挠度验算
设计范围挠度情况的对比，详表3.5.1。
表3.5.1挠度验算结果
表3.5.1中数据对比的结果可以看出，预应力结构在设计时可不考虑预起拱的作用即能满足挠度限值的要求，可见预应力对结构的挠度是有着良好的控制效果。
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经济分析
4.1 预应力方案节省工程量阐述
采用预应力方案后，该项目在造价大幅度降低，结构更加优化，且施工更加方便。
本工程计算工程量包括，钢筋混凝土节省工程量、模板费用，并以SAFE模型方案为依据。
4.2 材料取费原则
依据南通市建筑工程消耗量平均标准，各材料综合费用取值如下：
钢筋（≤12）含税综合单价6500元/吨，钢筋（14～25）含税综合单价6300元/吨，钢筋（＞25）含税综合单价6200元/吨。
C35砼含税综合单价660元/m³。C40砼顶板梁含税综合单价680元/m³。模板含税综合单价95元/m²。型钢含税综合单价7980元/吨。预应力施工费用15000元/吨。
4.3 主材含量分析及造价分析
表4.3.1 预应力方案工程量
表4.3.2 普通方案工程量
表4.3.3 造价对比（以定额价为基准）
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预应力的优势
5 预应力结构的优势
5.1 具良好的经济性，节约材料，降低建造成本
对适合采用预应力技术的混凝土结构来说，改为预应力混凝土结构可节省大量的钢筋钢材。
在相同净高的情况下，采用预应力方案后，可降低层高，减少周边墙柱的钢筋及混凝土用量等，综合经济效益非常显著。
5.2 具有良好的裂缝闭合性能与变形恢复性能
提高结构及构件的抗震性和刚度
通过调整结构方案、增加使用功能、降低层高、减少维护结构、节约节能、降低造价。
5.3 我司某工程实例图片
本司一直致力于预应力设计及施工，经验丰富，着重质量，主推的“有粘结预应力板”技术已被广泛应用于全国各个地区土建项目中，深受广大业主单位欢迎。图5.3.1～5.3.3展示的为我司在建和完建的结构预应力工程。
图5.3.1 正在施工中的底板（深圳茶光项目，取消底板外防水）
图5.3.2 正在施工中的顶板（赣州第五大道项目，底板、地下室负一层、地下室顶板均采用我公司技术）
图5.3.3施工完成后的车库顶板
（郑州天地和苑项目，一期、二期、三期全部采用我公司技术）
5.4 型钢混凝土梁的施工难点
在施工上，型钢混凝土梁有一定的施工难点，如型钢单件质量较大，导致水平和垂直运输难度较大，需有专门的汽车吊装方案；钢结构的节点数量较多，杆件角度变化大，组装精度高，大量构件端部还需铣平，且精密制孔等要求。钢结构对防护要求上还需采取临时的支撑和缆风绳等措施。
图5.4.1型钢梁施工图片（1）
图5.4.2型钢梁施工图片（2）
图5.4.3型钢梁施工现场
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方案建议
由以上分析可得如下结论：
36m大跨度屋面采用预应力方案后，以定额价为基准：
恒载为24KN/m²的屋面造价由3513元/m²降低为1282元/m²，相对于原设计方案节省2231元/m²；
恒载为20KN/m²的屋面造价由3435元/m²降低为1177元/m²，相对于原设计方案节省2258元/m²；
恒载为12KN/m²的屋面造价由2658元/m²降低为987元/m²，相对于原设计方案节省1671元/m²；
恒载为6KN/m²的屋面造价由2354元/m²降低为859元/m²，相对于原设计方案节省1495元/m²。
本经济对比方案仅考虑钢筋、混凝土、模板（材料）所带来的直接经济效益，未考虑预应力带来的其他经济效益。
预应力混凝土结构相对于一般结构形式，除具有良好的经济性外，还具有节约资源、施工方便、良好的裂缝闭合性能与变形恢复性能等优势。
以上结论为参考意见，请业主根据实际需要进行选择。
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