力学概念 | 预应力技术在超高层建筑的应用
预应力技术常用于大跨度结构，如桥梁工程，用于抵消拉应力以及减少结构挠度。在超高层建筑鲜有采用。现选取两个400m超高层建筑中运用预应力技术的案例。
南京江北A1地块超高层
南京江北A1地块超高层项目主结构高度约为478.20m，塔冠高度为21m。塔楼包含地上104层和5层地下室。塔楼从下至上共采用4道拱结构替代常用的环形桁架，拱结构将重力荷载直接传递至角部的八根工形巨柱并在空中大堂形成无柱空间，实现了结构高效和建筑美观的融合。拱结构立面效果如图1和图2所示
▲图1
▲图2
四道巨型拱桁架之间的间隔约为30层，将次柱所受的重力荷载传递至角部巨柱。拱的形式传力简单高效。拱在承担竖向荷载的同时，会在拱脚产生水平推力。如图3所示,拱的水平推力会传递至拉梁、压梁及巨柱。由于巨柱与拱结构平面上的位置关系(图3)，拱的水平推力使巨柱产生剪力突变的同时，也产生了较大的扭矩。
▲图3
为了降低巨柱承担的拱脚推力，在22层、53层及82层拱结构的拱脚处施加预应力平衡部分水平推力。预应力平面布置如图4所示。预应力的引人,通过在拱脚引人与拱脚推力方向相反的内作用力，间接打破了“内力按照刚度分配的假定”这一力学原理。钢绞线的节点大样如图5所示.
▲图4
▲图5
关于拱结构推力参看力学概念| 自平衡体系(一)
广州西塔
▲图6
西塔建筑造型独特，如图6所示，首层至31层外凸，31层至103层内收。由钢管混凝土柱组成的斜交网络外框筒分为16个节，每个节27m，钢管混凝土柱在每个节间为直线段，相邻节段的柱于节点层形成一个折点，并于节点层平面内产生向外的推力，如图7所示,从而在楼层梁板中产生了拉力。抵抗该拉力是本工程设计中的技术难点之一。
▲图7
通过分析可知，由外筒斜柱竖向力传递转折而产生的向外的推力可由钢管混凝土柱本身的剪力、外环梁的拉力、连接柱与核心筒的拉梁及楼板的拉力来平衡。一般说来，钢管混凝土柱的优势在于承受轴向力，过大的剪力和弯矩会降低钢管混凝土柱的承载能力；而钢筋混凝土楼板则有裂缝宽度的限制。因此，本工程采取了外框筒环梁+拉梁+核心筒内闭合环梁构成的独立的平面内抗拉体系，如图8所示。
▲图8 核心筒内环梁
为进一步提高节点层抗拉体系的安全储备，于节点层周边设置体外高强钢绞线预应力索，如图9和图10。张拉索使得节点层平面内产生沿径向的压力，大大减少了环梁、拉梁及核心筒连梁的拉力，还可降低楼板中的拉应力水平，有效地控制楼板的裂缝宽度。
▲图9
▲图10 环向索位置
与此同时，体外预应力的施加减小了钢管混凝土斜柱的向外水平位移，相应减少了柱的弯矩，从而提高了钢管混凝土柱的竖向承载力。和生活中常见的木桶的箍有异曲同工之妙。
