預(yù)應(yīng)力混凝土梁式轉(zhuǎn)換層與桁架轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計研究
摘要：高層建筑中采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)可帶來許多結(jié)構(gòu)和施工上的優(yōu)點，如減小截面尺寸、控制裂縫和撓度，控制施工階段的裂縫及減輕支撐負擔(dān)等。本文對預(yù)應(yīng)力混凝土梁式轉(zhuǎn)換層與桁架轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了研究。
關(guān)鍵詞：高層建筑；轉(zhuǎn)換層；結(jié)構(gòu)設(shè)計
近年來我國高層建筑發(fā)展迅速，現(xiàn)代高層建筑越建越高、越建越大，其建筑向著體型復(fù)雜、功能多樣的綜合性方向發(fā)展，目的在于為人們提供良好的生活環(huán)境和工作條件。在同一座建筑中，沿房屋高度方向建筑功能要發(fā)生變化，這種不同用途的樓層需要采用不同形式的結(jié)構(gòu)。高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)中采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)的情況越來越多。預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)非常適合于建造承受大荷載、大跨度的轉(zhuǎn)換層，且有自重輕，節(jié)省鋼材和混凝土的優(yōu)點。
1 預(yù)應(yīng)力混凝土梁式轉(zhuǎn)換層
1、預(yù)應(yīng)力混凝土轉(zhuǎn)換梁
預(yù)應(yīng)力混凝土轉(zhuǎn)換梁可分為托墻和托柱兩種形式。托柱形式的轉(zhuǎn)換梁內(nèi)力計算可直接采用桿系有限元法，截面設(shè)計與一般框架梁相同。托墻形式的轉(zhuǎn)換梁需進行局部應(yīng)力分析，配筋按偏心受拉構(gòu)件計算，并輔以應(yīng)力配筋法。轉(zhuǎn)換梁的截面尺寸常常由抗剪承載力控制的，施加預(yù)應(yīng)力能夠提高其抗剪承載力，但截面尺寸減小的幅度要比普通框架梁要小。預(yù)應(yīng)力混凝土轉(zhuǎn)換梁的設(shè)計步驟可歸納為：(1)選擇截面形式和截面尺寸；(2)采用現(xiàn)有結(jié)構(gòu)分析軟件計算各截面在各種工作情況下的內(nèi)力；(3)預(yù)應(yīng)力鋼筋數(shù)量的估算及其形狀的確定；預(yù)應(yīng)力鋼筋數(shù)量的估算可利用荷載平衡法來設(shè)計，即選擇需要被預(yù)應(yīng)力鋼筋產(chǎn)生的等效荷載“平衡”掉的荷載。一般地說，當(dāng)活荷載較小時，平衡荷載宜選“全部或部分恒載”；當(dāng)活荷載較大時，宜選“全部恒載十部分活載”。(4)計算預(yù)應(yīng)力損失，校正初始假定值，得到預(yù)應(yīng)力鋼筋的有效預(yù)應(yīng)力；(5)計算等效荷載，利用計算機程序計算各截面次內(nèi)力；(6)驗算各控制截面的極限承載力，確定非預(yù)應(yīng)力鋼筋的數(shù)量；(7)使用階段抗裂、變形驗算；(8)局部受壓承載力驗算。
2、預(yù)應(yīng)力鋼骨混凝土轉(zhuǎn)換梁
鋼骨混凝土轉(zhuǎn)換梁是在鋼筋混凝土梁中埋置型鋼或焊接工字鋼，形成一體，共同發(fā)揮作用的組合梁。對鋼骨混凝土轉(zhuǎn)換梁施加預(yù)應(yīng)力具有下列優(yōu)點：（1）避免非結(jié)構(gòu)裂縫的出現(xiàn)與鋼筋混凝土轉(zhuǎn)換梁相比，由于鋼板表面光滑，與混凝土之間的粘結(jié)力不足，發(fā)生在鋼骨拉壓部分的混凝土橫向裂縫寬度一般比鋼筋混凝土梁表面裂縫大，施加預(yù)應(yīng)力可有效地控制橫向裂縫。(2)增加長期使用的耐久性鋼骨混凝土梁中的混凝土外包鋼骨使其免受環(huán)境的侵蝕，施加預(yù)應(yīng)力可有效地限制裂縫的出現(xiàn)或控制裂縫的開展，對鋼骨混凝土梁的耐久性是有益的。(3)改善轉(zhuǎn)換梁的受力性能施加預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的軸向壓力可提高轉(zhuǎn)換梁的受剪承載力。預(yù)應(yīng)力鋼筋取代相當(dāng)數(shù)量的非預(yù)應(yīng)力筋，避免非預(yù)應(yīng)力鋼筋過多造成的混凝土與鋼骨之間粘結(jié)力的下降。(4)鋼骨混凝土梁有利于結(jié)構(gòu)抗震用鋼骨混凝土梁替代一般鋼筋混凝土梁，可減小截面高度，改善造成短柱的情況，使柱子的延性有所提高。鋼骨混凝土梁的鋼骨部分，在承載力極限狀態(tài)下，由于鋼有較強的塑性性能(不包括型材薄壁情況)，進入塑性階段仍具有較高的承載能力，因此具有一定的延性，起到耗能效果，提高抗震性能，避免脆性破壞，這是一般鋼筋混凝土梁難以比擬的。鋼骨部分腹板能吸收較大的剪力，從而減輕混凝土部分的負擔(dān)，提高鋼骨混凝土梁的抗剪承載力。梁混凝土的完整性，在支座處也增加了對柱子節(jié)點區(qū)域的約束作用，提高了節(jié)點延性。因此鋼骨混凝土梁有利于結(jié)構(gòu)的抗震。
3、預(yù)應(yīng)力混凝土曲線轉(zhuǎn)換梁
眾所周知，曲線梁與直線梁是不同的，簡支直梁在非偏心的豎向荷載作用下，扭矩引起的變形和內(nèi)力均為零；同樣，在扭矩荷載的作用下，涉及彎矩因素的變形和內(nèi)力均為零。在豎向荷載作用下，曲線梁中的扭矩是不可以忽略的。轉(zhuǎn)換曲梁與曲線梁橋也有很大的不同。曲線梁橋按結(jié)構(gòu)體系分類一般有靜定懸臂梁、簡支超靜定曲線梁、連續(xù)曲線梁橋等等，其超靜定結(jié)構(gòu)中的支承一般采用抗扭簡支支座，而轉(zhuǎn)換梁一般采用普通的梁柱連接方式。曲線梁橋很寬，而轉(zhuǎn)換梁的寬度一般要受到柱寬度的限制。另外，曲線梁橋的荷載形式與轉(zhuǎn)換梁也不相同，對托柱形式的轉(zhuǎn)換曲梁上作用相當(dāng)大的集中荷載。
綜上所述，曲線轉(zhuǎn)換梁與直線轉(zhuǎn)換梁受力特征是不同的。在曲線轉(zhuǎn)換梁中施加預(yù)應(yīng)力對抗彎和抗剪、抗扭都有利。對受彎構(gòu)件，施加預(yù)應(yīng)力可在裂縫及撓度得到有效控制的前提下顯著地降低梁高。對曲線梁的抗扭，施加預(yù)應(yīng)力具有特殊的優(yōu)勢，可以利用其抵抗部分甚至全部外扭矩。
2 預(yù)應(yīng)力混凝土桁架轉(zhuǎn)換層
采用桁架替代轉(zhuǎn)換梁來承托上部結(jié)構(gòu)傳來的巨大豎向荷載不僅使充分利用該轉(zhuǎn)換層的建筑空間成為可能，同時也使結(jié)構(gòu)設(shè)計更為合理。它可以避免將較大的內(nèi)力集中于一根大梁上，也可避免大梁造成的“強柱弱梁”的后果，對提高結(jié)構(gòu)的抗震性能有利。但當(dāng)轉(zhuǎn)換桁架的跨度或承擔(dān)的豎向荷載較大時，勢必會造成下弦桿的軸向拉力進一步增大，采用普通鋼筋混凝土不能滿足轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)抗裂要求時，一般可以考慮在桁架下弦桿施加預(yù)應(yīng)力，形成預(yù)應(yīng)力混凝土桁架。
在轉(zhuǎn)換桁架中采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)概念類似于屋架受拉的下弦桿中施加預(yù)應(yīng)力。由于轉(zhuǎn)換桁架的上、下弦桿與剛度極大的樓面整澆，使桁架斜腹桿傳遞下來的水平推力由樓面分配到建筑物的各抗側(cè)力構(gòu)件上，這些“附加力”的影響范圍主要是集中在角區(qū)，如果能隨著建筑物不斷增加的施工荷載，在力N的形成、增大過程中，同步張拉配置于桁架下弦的預(yù)應(yīng)力筋，在該處提供一對與推力N大小相等方向相反的力，就可以在角區(qū)就地完成力的平衡，中斷或減小通過樓面向外傳遞的荷載。
在受拉的腹桿中也可施加預(yù)應(yīng)力，若能在受拉腹桿中形成折線形預(yù)應(yīng)力鋼筋布置則更為合理。為減小桁架在施工張拉階段與使用階段之間受力狀態(tài)的差異，解決超靜定結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)變化且內(nèi)力變幅過大時，構(gòu)件間變形難以協(xié)調(diào)，以致開裂的問題，預(yù)應(yīng)力桁架轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)宜采用擇期張拉工藝施工。擇期張拉技術(shù)是指分期分批施加預(yù)應(yīng)力或選取經(jīng)計算合適的施工樓層進行張拉，在此之前轉(zhuǎn)換桁架下的支撐必須加強。采用“擇期張拉”法張拉施工時，為避免因轉(zhuǎn)換桁架下弦長度大，預(yù)應(yīng)力筋長時波紋管破損而導(dǎo)致漏漿和孔道堵塞的現(xiàn)象，預(yù)應(yīng)力筋可在下弦混凝土澆筑前就穿入金屬波紋管中，但此時必須采取有效的措施保護孔道內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼筋在施工期間不生銹。
轉(zhuǎn)換桁架下弦桿的預(yù)應(yīng)力度的取值不宜過高，以避免因張拉預(yù)應(yīng)力給桁架及上、下層框架帶來較大的次內(nèi)力�？紤]到桁架轉(zhuǎn)換層是整個結(jié)構(gòu)受力的關(guān)鍵部位，對裂縫的控制要求較高，而且轉(zhuǎn)換桁架恒載的比重較大。混凝土強度等級對預(yù)應(yīng)力桁架轉(zhuǎn)換層來說是至關(guān)重要的，因為斜腹桿是受壓構(gòu)件和下弦施加預(yù)應(yīng)力，建議預(yù)應(yīng)力桁架轉(zhuǎn)換層的混凝土強度等級不應(yīng)低于C40。由于預(yù)應(yīng)力桁架轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)在桁架節(jié)點區(qū)(特別是預(yù)應(yīng)力錨固區(qū))鋼筋稠密，混凝土應(yīng)充分搗實，以防止錨固區(qū)混凝土局部破壞和節(jié)點發(fā)生破壞。施工時應(yīng)對典型節(jié)點鋼筋按圖試綁，以防節(jié)點處鋼筋“打架”，然后成批下料，全面施工。為防止預(yù)應(yīng)力高強混凝土轉(zhuǎn)換桁架下弦端部受壓區(qū)混凝土由于預(yù)應(yīng)力而出現(xiàn)沿構(gòu)件長度方向裂縫，其局部受壓承載力應(yīng)按高強混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程中的有關(guān)規(guī)定進行計算。
參考文獻
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