大跨度預應力混凝土樓蓋主梁結(jié)構分析
摘 要:根據(jù)實際工程的需要,采用有限單元法對結(jié)構的優(yōu)選方案進行了計算分析,給出了各工況下結(jié)構上的應力和位移分布規(guī)律,分析結(jié)果表明,采用大跨度預應力混凝土樓蓋主梁結(jié)構是經(jīng)濟合理的,能夠滿足工程要求。
關鍵詞:預應力;主梁;有限元法;后張法
中圖分類號:TU745.2
文獻標識碼:B
文章編號:1008-0422(2009)03-0128-02
1引言
隨著我國建筑業(yè)的迅速發(fā)展,大跨度的預應力鋼筋混凝土框架結(jié)構得到了廣泛的應用。如何對預應力鋼筋混凝土結(jié)構進行準確的受力分析?并為結(jié)構設計提供堅實的理論依據(jù)。各國學者進行了深入的研究,有限單元法的誕生,為解決這一問題提供了一條有效的途徑[1]。
2結(jié)構方案的確定
2.1建筑方案
某單位四層附屬綜合辦公樓工程,作為會議和辦公設施。其中位于辦公樓四層的會議室建筑面積518.7m2,平面長27.3m,寬19m,能容納260～300余人。考慮到會議室的功能要求,應采用跨度為19m的大跨度框架梁樓蓋結(jié)構。對于大跨度框架梁樓蓋結(jié)構的選擇,可以考慮型鋼混凝土組合結(jié)構、鋼筋混凝土桁架結(jié)構、預應力鋼筋混凝土結(jié)構、普通鋼筋混凝土密肋梁板結(jié)構等。
但在方案比選中考慮到:①業(yè)主要求綜合樓的屋面可作為職工休息時間的活動場所,因此,不能采用較大的坡度的屋面形式。而且對受力主梁的撓度變形要求比較高,在這種情況下,就不能選用鋼筋混凝土桁架結(jié)構。②若采用普通鋼筋混凝土密肋梁板結(jié)構,跨度為19m,為滿足撓度及裂縫寬度限值的要求,梁將具有很大的橫截面高度,這就很難滿足會議室內(nèi)部上空的凈高和美觀要求。③如果采用型鋼混凝土組合結(jié)構,屋面樓蓋采用壓型鋼板混凝土組合樓板,那么在結(jié)構原理上,是比較合理的。但與采用預應力鋼筋混凝土結(jié)構相比,鋼材的使用量比較大,建筑成本較高[2]。綜合以上的分析,框架主梁采用后張法有粘結(jié)預應力結(jié)構,框架主梁的截面為400mm×1200mm,次梁的截面為300mm×600mm,樓板厚度為100mm,柱子采用普通鋼筋混凝土結(jié)構,截面700mm×700mm,具體的結(jié)構布置及計算模型見圖1。主、次梁、柱結(jié)點處混凝土強度等級采用C40,柱的混凝土強度等級采用C30。
2.2構造要求
框架主梁支座及跨中非預應力筋均采HRB335級,直徑為25mm ,通長設置。預應力筋按雙束設置,一端張拉,張拉端分別設在梁的兩端。預應力筋的孔道采用預埋Φ70波紋管來實現(xiàn),預應力筋在梁內(nèi)按束布置,錨具采用OVM 錨具系列。張拉并灌漿完畢后,用C30混凝土進行封閉保護。為保證預應力筋的孔道可以順利通過梁柱結(jié)點并準確定位,柱縱筋布置成雙排,在滿足規(guī)范要求的前提下,增大縱筋的間距[3]。
3結(jié)構計算模型
3.1單元選擇
在對大跨度有粘結(jié)預應力混凝土樓蓋主梁結(jié)構進行分析時,混凝土主梁、次梁、柱和樓面板采用8結(jié)點的等參塊單元來模擬,預應力鋼筋采用2結(jié)點的桿單元來模擬,由于模擬有粘結(jié)預應力鋼筋,要求桿單元的結(jié)點位移同塊單元結(jié)點位移協(xié)調(diào),即兩種單元共用結(jié)點。
3.2荷載與工況
作用在樓蓋上的荷載包括自重(梁板自重、面層及吊頂自重),人群荷載取3.5kN/m2,地震作用。由于建筑的設計使用年限為50年,建筑結(jié)構的安全等級為二級,抗震設防烈度為7度,設計地震分組為第一組,抗震等級為三級,采用擬靜力法計算,設計基本地震加速度為0.1g。
本設計和計算考慮如下3種工況:工況1,自重+預應力;工況2,自重+預應力+人群荷載;工況3,自重+預應力+人群荷載+地震作用。
3.3預應力損失計算
主梁預應力筋采用低松弛高強度鋼絞線,每束鋼絞線為6×7Φ15。強度標準值fptk=1860MPa,張拉控制應力σcon=0.75 fptk=1395MPa。主梁兩束預應力鋼筋采用一端張拉,其預應力損失分為兩批,主梁各位置處預應力損失計算結(jié)果參見表1。
4計算成果分析
4.1應力分析
通過對該預應力混凝土樓蓋結(jié)構的分析,得到了各工況下結(jié)構第四層主梁、次梁和樓板上的應力分布情況,其最大拉應力、最大壓應力、最大剪應力值及所出現(xiàn)的位置如表2所示。
從表2可以看出,結(jié)構的最大拉應力出現(xiàn)在主梁上,雖然最大值達到了2.97MPa,但這只是出現(xiàn)在主梁下邊緣非常小的局部范圍內(nèi),結(jié)構主要部分的拉應力都在材料允許范圍內(nèi)。其最大壓應力出現(xiàn)在主梁或次梁上,混凝土的抗壓強度能夠滿足要求。并且,計算結(jié)果表明,地震作用對預應力混凝土樓蓋主梁結(jié)構影響不大,而人群荷載對結(jié)構影響較大。
4.2變形分析
各工況下結(jié)構第四層的最大位移參見表3。
從表3可以看出,當預應力施加后,主梁出現(xiàn)了明顯的反拱,反拱位移2.31mm。采用預應力鋼筋混凝土主梁后,結(jié)構的撓度值很小,最大撓度出現(xiàn)在工況3下,為8.54mm。而《規(guī)范》規(guī)定[3],計算跨度l0>9m時,其撓度限值為l0/300=63.3mm。實際撓度遠遠小于規(guī)定的撓度限值,能夠滿足工程需要。
5結(jié)語
綜上所述,通過結(jié)構分析,該綜合辦公樓采用大跨度后張法有粘結(jié)預應力混凝土樓蓋主梁結(jié)構是科學合理的,這不僅滿足了會議室兼小禮堂的大空間要求,同時又符合結(jié)構設計經(jīng)濟實用的原則。文中所采用的分析方法為大跨度預應力混凝土樓蓋主梁結(jié)構的設計提供了可靠的理論基礎。
該工程由湖南省第五工程公司承建,工程于2008年5月已竣工驗收,目前使用效果良好,業(yè)主比較滿意。
參考文獻:
[1] 江見鯨,陸新征,葉列平.混凝土結(jié)構有限元分析[M].北京:清華大學出版社,2005.
[2] 過鎮(zhèn)海,時旭東.鋼筋混凝土原理和分析[M].北京:清華大學出版社,2005.
[3] GB50010-2002.混凝土結(jié)構設計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002.
