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声明：此文为开来预应力科技 韩春斌供稿，文中内容不代表土木吧观点，只为大家探讨交流。
一、导言：
预应力混凝土适用于大跨、重载结构。
大跨采用预应力混凝土结构已经被工程界普遍接受，三十年以来随着技术的发展，预应力混凝土的应用已经从简单的构件、静定结构，迅速发展到以对整体结构施加预应力为特点的超静定结构。譬如，在房屋建筑方面，形成预应力框架结构体系、预应力平板结构体系、预应力转换层结构体系、预应力空间结构体系等等。同时，预应力技术也拓展到特种结构、钢结构等等。
重载采用预应力技术并未取得共识，尤其在荷载比较大的地下车库顶板、底板、物流仓库、地下综合管廊、水池、抗拔桩等，这些结构构件承受的荷载是平常荷载的几十倍，甚至上百倍，目前普遍的设计方法是用混凝土加大截面，增加钢筋满足裂缝要求，或者用型钢混凝土来解决，这样的结构设计是浪费的，极不经济。
预应力混凝土是解决大跨、重载最有效、最经济的结构方案，没有之一。跨度越大、荷载越大，用预应力混凝土结构就越节省，这应该成为工程界的一个普遍共识。
遗憾的是，由于种种原因，这十年以来，预应力技术被业主普遍拒绝，只有在没有办法的情况下（跨度大）才会去使用，如果跨度小能不用就尽量不用。这不得不说是陷入了一个认知误区。
二、工程概况：
本文拟以我公司的一个实例来说明预应力技术的优势。
如图1.1所示，该地下车库为四层地下室，原方案已经通过设计审图。
顶板覆土厚度1.5米，跨度8.4米。
原设计顶板为加腋大板形式，板厚250mm；
地下二至四层为空心板楼盖形式，板厚280mm；
底板为筏板形式，厚度600mm，水浮力设计值230KN/m2，满布抗拔锚杆。
图1、结构方案布置图
本方案截取以上蓝色框内的部分作为方案设计的基础。
三、顶板设计：
1、原方案梁截面尺寸为400*900mm，顶板厚度250mm，采用加腋大板，目的是降低板的负弯矩区的配筋。这种结构形式在南方有很多应用，作者至今都没有想明白为什么这个方案会被业主采纳。虽然降低了一些负弯矩钢筋，但是模板费用、工期的增加是很显然的。
图2、加腋大板节点图
2、预应力方案采用我公司开发的“有粘结预应力扁梁大板”方案。梁截面尺寸为800*550mm和800*600mm（局部堆土4.5米），板厚250mm。
3、设计分析过程：
（1）建立模型：墙、板和梁均采用壳体单元建模，单元基本尺寸0.6m。
图3、顶板平面模型
图4、顶板三维布置图
（2）施加荷载：
图5、顶板恒载
图6、顶板活载
（3）变形图：
变形图不允许出现任何尖峰，也就是变形必须是连续的，不能有突变。这是检验几何模型是否正确的重点。
图7、D+L变形图
图7.1 D+L三维变形图
（4）顶板内力：
图8、M11
图9、M22
（5）划分板带：
根据生成的应力云图，进行板带划分，由我公司开发的前处理软件自动生成。
图10、X向板带划分
图11、Y向板带划分
（6）设计内力：
该包络图由我公司开发的前处理软件自动生成。
图12、弯矩包络图
图13、轴力包络图
（7）配筋计算：
根据后处理软件，自动生成预应力筋，计算出配筋包络。
板钢筋：双层双向拉通C10@200，支座附加筋主要以C16@100、C14@100，梁钢筋：中顶筋主要为4C25，下部通长筋主要为2C20+(2C12)，箍筋C8@100/200，支座5C20为主
图14、顶板预应力筋
（8）成本分析：
A、计价基础：
依据深圳市建筑工程消耗量标准，各材料综合费用取值如下：
钢筋（12～14）含税综合单价6500元/吨，
钢筋（16～25）含税综合单价6300元/吨,
钢筋（＞25）含税综合单价6200元/吨。
C30砼含税综合单价620元/m3。
C40砼顶板梁含税综合单价680元/m3。
模板含税综合单价75元/m2。
900mm*900mm*200mm带肋钢网镂综合单价120元/个。
预应力综合费用15000元/吨。此综合费用包括人、材、机、各项规费、管理费以及税金等等,未包括下浮价格以及预应力设计咨询费。
B、原加腋大板方案：
其中钢筋按照面积折算成（kg/m2），混凝土按照面积折算成(m3/m2)，模板按照面积这算折算成（m2/m2）,造价单位为（元/m2）。
| 面积 | 钢筋 | 混凝土 | 模板 | 合计 |
| 1630 | 71.4 | 0.35 | 1.2 | - |
| 造价 | 456.4 | 228.15 | 90 | 774.5 |
C、预应力方案：
| 面积 | 钢筋 | 混凝土 | 模板 | 预应力 | 合计 |
| 1630 | 38.7 | 0.32 | 1.31 | 5.67 | - |
| 造价 | 248.6 | 217.6 | 98.25 | 85.05 |
649.5 |
D、造价对比：
根据定额和当前的市场价，预应力方案较加腋大板方案节省125元/m2，地下车库顶板面积为4.06万平米，实际节省507.5万元。
（9）实际施工图片:
15、顶板预应力施工
（10）顶板结论：
A、加腋大板是按照有限元进行计算，因此较常规的钢筋混凝土梁板结构更经济。而顶板采用有粘结预应力扁梁大板结构，比加腋大板结构具有明显的经济造价优势和施工工期优势。
B、有粘结预应力扁梁大板结构可以降低层高300mm，此高度对造价的影响并未在此方案中体现。
C、在考虑地震作用的塔楼附加地下室顶板，应优先考虑有粘结预应力扁梁大板方案，该方案是目前国内最优的结构方案。
D、合理的设计方案，还要结合高质量的有限元分析，经本公司研究，将顶板、扁梁按照壳体建模，内力结果与ansys实体模型对比几乎没有误差。
E、依据我公司多个项目的工程设计经验，精确建模、按照应力云图进行准确的板带划分、合理地计算配筋和裂缝控制，是结构有限元分析得失成败的关键技术。
四、中间层设计：
1、地下车库的中间层，是指除了覆盖土层的顶板以及承受水压力或者土压力的底板以外的结构层，一般在多层地下车库中有应用，尤其是在大中型城市的地下车库中应用较多。
它的受力特点是跨度不算很大，一般是8米左右，荷载也不大，一般承担结构自重和车辆荷载。常规的设计是用钢筋混凝土框架结构，但是它的问题是梁高过大会使层高需要增加，从而引起底板水浮力的增加。所以为了节省层高，只有降低结构层高度，现在流行的设计是中间层使用无梁楼盖结构，这样就带来了预应力混凝土新的应用空间。
众所周知，与梁不一样的是，当板的跨度大于6米时，就不是小跨度结构了，而是大跨度结构，那么在这种情况下应用预应力是当仁不让的选择。恰巧的是，本工程的施工图设计院和优化公司各做了一个方案供参考，因此有比较好的说服力。
图1 江苏省如皋市丽泽华庭小区预应力无梁楼盖（2005年建成）
2、空心楼盖方案：
（1）地下室中间层板面附加恒载3KN/m²，活载4KN/m²
（2）板厚280mm，带肋钢网镂空心板，柱帽：2000mm*2000mm*150mm。
（3）配筋：
板面筋：X向C10@200,Y向C12@200，局部附加筋加强，无板底筋
柱帽：底筋C12@200双向；拉筋C12@200，并附加C14@200双向钢筋
钢网镂之间肋梁：顶筋为2C14，底筋为2C16，箍筋C16@200
暗梁：中顶筋为4C18，下部通长筋4C18，箍筋C8@100/150，支座5C18为主
（4）图1：
图2、空心楼盖配筋
图3、空心楼盖施工
3、钢筋混凝土无梁楼盖：
（1）板厚250mm，现浇混凝土板
柱帽：2000mm*2000mm*150mm
暗梁：1600mm*250mm
（2）配筋：
板钢筋：主要以双层双向拉通C12@150和C12@300支座附加筋主要以C12@300为主
暗梁钢筋：中顶筋主要为14C16，下部通长筋主要为14C14，箍筋C8@100
柱帽： 底筋C12@200双向，拉筋C12@200,并附加C14@200双向钢筋为主，局部C10@200、C12@200、C14@200
（3）如图2：
图2、钢筋混凝土无梁楼盖配筋
4、预应力混凝土无梁楼盖：
（1）板厚：200mm
柱帽：1600mm*1600mm*200mm
（2）配筋：
板筋：双层双向拉通C8@200,局部附加筋加强
柱帽：底筋C8@100双向，拉筋C10@200,并附加C16@200双向钢筋为主，局部C10@200、C12@200、C14@200
（3）预应力配筋：
柱上板带1-3C15.2
跨中板带3-3C15.2
（4）如图3：
图3、预应力无梁楼盖配筋
5、设计说明：
（1）钢筋混凝土无梁楼盖、空心楼盖均按照盈建科建模计算，由第三方提供图纸和计算书。
（2）预应力混凝土无梁楼盖按照Safe2014建模计算，由本公司设计部完成配筋计算和绘图。
（3）抗冲切按照最小截面尺寸《混凝土设计规范》进行验算通过。预应力混凝土由于对抗冲切有良好的提升作用，所以柱帽高度和截面尺寸都比其他两个方案的要小。
（4）三种方案均按照相关规范通过强度验算和裂缝验算。其中钢筋混凝土方案和空心楼盖方案按照0.3mm限值进行裂缝验算，预应力无梁楼盖按照0.2mm限值进行裂缝计算。
（5）预应力混凝土方案较钢筋混凝土方案、空心楼盖方案有更小的板厚和柱帽尺寸，有利于后期设备层的安装，或者可以将底板标高提升以降低水浮力，本方案未考虑该部分有利影响。
（6）预应力混凝土无梁楼盖按照有限元壳体建模，预应力筋作为索单元耦合在板壳单元中，可以取得很高的计算精度和准确度，更符合实际受力情况。设计过程中考虑了柱帽的变刚度对外荷载内力、预应力次内力的影响和配筋。
6、成本分析：
（1）本工程计算工程量包括，钢筋混凝土节省工程量、结构净空费用、模板费用。
（2）材料取费原则：
依据深圳市建筑工程消耗量标准，各材料综合费用取值如下：钢筋（12～14）含税综合单价6500元/吨，钢筋（16～25）含税综合单价6300元/吨,钢筋（＞25）含税综合单价6200元/吨。
C30砼含税综合单价620元/m3。C40砼顶板梁含税综合单价680元/m3。模板含税综合单价75元/m2。900mm*900mm*200mm带肋钢网镂综合单价120元/个，预应力钢筋综合费用15000元/吨。此综合费用包括人、材、机、各项规费、管理费以及税金等等,未包括下浮价格以及预应力设计咨询费。
（3）三种方案工程量表：
（4）造价对比表：
7、结论：
（1）以上三种方案所截取范围的建筑面积为1722m2。
（2）空心楼盖方案造价为406.4元/m2，钢筋混凝土无梁楼盖造价为424.25元/m2，预应力混凝土无梁楼盖的造价为339.21元/m2。
（3）空心楼盖的造价仅比钢筋混凝土无梁楼盖节省18元/m2，节省很少，几乎可以忽略，虽然会带来自重的降低，但是由于其一些不太好的使用效果，建议业主限制使用这种楼盖结构。
（4）预应力混凝土无梁楼盖是最优的方案，较钢筋混凝土无梁楼盖节省85元/m2，较空心楼盖节省67元/m2，而且裂缝控制性能更好更优。
（5）需要说明的是，本方案的预应力无梁楼盖方案并不是传统的无粘结预应力无梁楼盖，而是本公司的专利技术“有粘结预应力板”，该技术已经被应用到五百多项地下车库和楼盖结构中。
（6）地下车库建筑面积为4.06万平米，实际每层节省345.1万元。该项目共计三层中间层，合计节省1035万元。
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