38郑锐谋-北京金源时代购物中心预应力结构技术.doc

中国预应力技术五十年暨第九届后张预应力学术交流会论文 2006年 北京金源时代购物中心预应力结构技术 郑锐谋 福建建筑科学研究院总工 提要该工程为当前国内已建成使用的单栋建筑面积最大、使用空间最宽敞灵活的商业地产工程。本文介绍该工程大柱网结构体系、断面选择、温控设计以及预应力技术的综合应用。 关键词商业建筑，大柱网，结构体系，超长结构，预应力技术。 前言 北京金源时代购物中心是一个集购物、休闲、娱乐为一体的大型商业中心Shopping Mall 。工程建筑面积为62万平方米,是当前国内已建成使用的单栋建筑面积最大、使用空间最宽敞、灵活的商业地产。其柱网为16mx1517m, 地下二层、商场部分地上5层局部6层,车库部分地上9层设计停车量为4000辆。地上建筑尺寸为650m x108m,地下尺寸为718mx158m。地上建筑高度为31m,地下为12.5m,该工程具有柱网大、体量大、结构工程巨大的特点，对结构工程设计提出较高的要求。 1 结构体系 该工程采用预应力钢筋混凝土框架结构。 1.1.结构分缝 该结构纵向长度达650m，为防止结构开裂，必须分缝。根据结构特点和设计及施工所采取抵御温度应力和混凝土收缩的措施，纵向将结构分成5块，共四个缝，纵向块长度为128m、90m、128m、128m、96m。横向长度为108m，商场部分为86m，车库部分为20m，考虑到商场为5（6）层，车库为9层，竖向刚度变化比较大，在商场和车库之间分缝。这样单块结构最大面积尺寸为128m x88m。当然，如果措施不足，或缺乏经验，分块的长度尺寸可小一些，但由此可造成增加柱子，增加结构面积和增加工程量。由结构特点及采用预应力措施（由承受竖向荷载配置的预应力筋，推算纵向结构产生的预应力）和施工期间温控措施，该分块尺寸经二年正常使用实践，证明是合适的。详细论述见第二部分。 1.2.柱网尺寸及框架布置 按照开发商的要求, 该工程必须采用大柱网, 使得使用空间宽敞，满足不同用户需要，营造舒适购物、休闲购物的环境。经多种结构柱网和框架布置的选择，商场部分基本柱网为16mX15m。纵向均为16m等距离柱网，横向为15m，17m，15m，15m，15m，9m。 横向布置为框架主梁，纵向为次梁。 标准层框架主梁断面为500mmX1300mm，次梁为300mmX900mm，次梁间距为3750mm即单向楼板跨度为3750mm、楼板厚120mm，次梁高度比主梁小400mm，满足以横向布置主通风管道的需要，有效满足建筑净空。 该结构布置优点还在于 （1）节约工程量，节约造价 单向楼板跨度小，板厚和配筋有效控制。较高的预应力次梁宽度仅采用300mm，节约了混凝土和钢筋。在施工中将预应力垫板（最小宽度为220mm）菱形放置，以减小梁宽。主梁跨高比为12，较高和较宽的断面，减少配筋，并满足预应力度要求。整个工程混凝土折算厚度为0.45m,钢筋用量51㎏/㎡，商场部分（大跨度部分）预应力筋用量3.8㎏/㎡。该结构工程量巨大，优化的结构体系和断面产生的巨大经济效益是显而易见。 （2）方便施工加快工程进度 和双向梁结构相比，节约模板，方便施工，整个主体工程仅用6个月时间完成。 该结构体系对抗震设计同样有利 2 超长结构的温控分析和设计措施 如上所述,总长为600米的该结构用四个分缝，分成5块，最大一块平面为128*88m,为超长结构， 对该结构温度变形的特点，实际外界温差（含施工可采用的措施）作用下，以及结合预应力效应的分析，在不增加造价的情况下，实现结构温度变形控制。 温度控制的不利因素 （a）混凝土施工处于温度较高的季度5～11月。近年北京最高月平均气温约为260C7月份,最低月平均气温为-60C（1月份），该工程施工期经受最高气温，投入使用前有一个冬天处于没有空调最低气温状态，对该结构产生的温差达320C。 b最长区段，设计两道后浇带，将结构分为三区，但施工时遇到大雨，雨水从后浇带倾盆而下，给现场造成巨大困难。同时，现场为了赶进度，后浇带仅留三～七天，实际变成施工缝，无法起缓解混凝土硬化后收缩产生裂缝的作用。 温控分析的有利因素 a结构属纯框架结构，层高较高（一层高7.5米，二～五层高6米），并且框架柱、梁断面相对于结构长度跨度比较小，使结构侧向刚度较低，从而因混凝土收缩、温度变化产生的应力较小。 （b）采用混凝土结构，双向施加预应力大大减小了由于温度变化产生的温度拉应力。 对于控制温度应力配置预应力筋问题，设计中有两种方法第一种是在梁或板的中轴线配置直线预应力筋，专门用于克服温度应力；第二种方法是没有专门设置预应力筋，而是利用结构温度设计所采用的曲线预应力筋产生的轴向压应力作为温控措施。 本文作者倾向于第二种方法，即节约造价，又方便施工，并且起到温控的实际效果。本文作者曾经在几十个工程中采用，效果很好。本工程采用第二种方法。利用强度设计所需在的预应力筋产生的纵向压应力效应作为温度措施。 （C）混凝土施工质量控制较好，水灰比控制和养护都较好。冬季保温措施能配合设计要求，开发商（施工单位）理解设计意图，根据设计要求施工安排将外扩部份地下室施工在11月初完成，到11月中地面到地下室的通道全部封闭，使得地下一层温降大大减小，满足温控要求。同时使得实际温降条件和设计数据模拟分析要求较为一致，理论分析可靠性得到实现。 该工程在温度控制和分析中，对混凝土干缩采用当量温差方法给予考虑。 按通常实用计算方法，混凝土干缩最终应变为3.210-4，相当于当量温差-320C；在混凝土干缩过程中，由于徐变作用大大减小干缩作用，取影响系数为0.3，即当干缩当量温差为-100C。该干缩70产生在混凝土早期2个月内，如果采用后浇带并保持2个月可减少-70C的温差；或混凝土保持潮湿状态2个月也可取得同样作用。该工程养护条件好，施工期上部不断浇水，客观上使下部结构混凝土一直处于潮湿状态。 该工程应用SAP程序进行温控模拟分析，模拟分析结果表明，该结构产生的温度应力以地下一、二层为大，其原因为柱基的刚性约束使得这两层侧向刚度变化比较大，从而产生较大的温度应力。地面层及以上部分由于自身侧向刚度较小，和相邻层侧向刚度相差也较小，从而温度应力也比较小。 在同一层同一块，两端温度应力较大，越到中间越小。在施加预应力后，温度和干缩产生的拉应力可控制在混凝土的抗拉强度范围内。 3 预应力工程技术的综合应用。 该工程结构设计的重要部分是大跨度、大面积预应力结构工程设计。其核心点仍然是在满足使用和安全条件下节约造价，方便施工，加快工程进度。 3.1．双向预应力设计 由于该工程双向均为大跨度，必须采用双向预应力。双向预应力施工难度较大，该工程的结构布置也考虑到预应力施工方便的布置，横向主梁采用较多的预应力筋，纵向次梁采用很小的预应力筋（多数情况多为17φ15.2，使得施工难度大大减少）。 3.2、超长束的设计。本工程采用有粘结预应力，大跨度有粘结预应力摩擦损失很大。本工程采用分段张拉方式，每段设计为三跨两端张拉，使预应力摩擦损失控制在15以下，大大节约预应力筋用量，分段预应力筋的搭接节不采用连接器，因为采用连接器造价昂贵，并且只能一端张拉，如三跨长束一端张拉摩擦损失将超过30％，预应力筋用量将增加15％以上。本工程采用交叉搭接方式，对于86米的主梁（跨度为六跨），预应力筋搭接数量较多，每跨搭接数量应控制。搭配处预应力集中，方向产生变化，应进行专门分析。搭接处的张拉（抽头）难度较大。该工程模板均为一次成形，搭接预应力筋张拉头均设置在梁面附近，张拉在梁面进行，减少张拉难度，但对梁局部削弱应以保证箍筋面积来控制。 本工程预应力筋采用分段搭接，每段总长度控制在52米（三跨加接头）也为了施工方便，减少有粘结束的穿束、布束的困难。该工程预应力束的每米数量设计既考虑结构设计需要，又考虑施工的方便、灵活、材料设备供给。本工程仅采用7φ15.2和5φ15.2两种规格。 该设计的实用和可靠性得到施工实际的验证，在5个月时间中完成1400吨预应力钢绞线、总长为30万米的波纹管的布束，该工程预应力布束的快速进度和开发商（施工总包方）采用由钢筋工中在预应力施工专业单位的指导下布束的措施分不开的。该措施减小了普通钢筋工程和预应力钢筋工程交叉作业的矛盾和协调工作的难度。 3.3.预应力筋数量设计主要根据结构强度和预应力度需要设计。当满足这两种要求之后，按规范裂缝控制等指标均能满足。该工程大跨度双向预应力结构为38万平方米，每平方米预应力筋用量为3.8公斤，总计为1400吨，总计可替代普通钢筋5000吨，预应力筋的造价比按强度所替代的普通钢筋的造价低很多。当然，更为主要的提高结构抗裂度，减少结构断面尺寸，实现大跨度结构方案。该工程主体结构于2004年11月完工，二年来的实践效果表明，结构设计在实用性、安全性、经济性、合理性都达到较高的水平。 图一施工中的金源购物中心 图二予应力束布置施工