試論多層建筑預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

1、<p>　　試論多層建筑預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討</p><p>　　摘要:針對(duì)該工程的技術(shù)特點(diǎn)及難點(diǎn),介紹了工程預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)思路及相關(guān)問(wèn)題處理,說(shuō)明采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)能使建筑實(shí)現(xiàn)不同層、不同方向大跨度、大柱網(wǎng)的結(jié)構(gòu)形式并且是安全可行的。 </p><p>　　關(guān)鍵詞:建筑結(jié)構(gòu)多層框架預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) </p><p>　　Abstract: Aiming at the

2、 characteristics and difficulties of engineering technology, introduces the design ideas and the related problems of prestress treatment, by using prestressed technology to make the building of different layers in differ

3、ent directions, large span, large column grid structure and is safe and feasible. </p><p>　　Key words: building structure frame prestressed concrete structure design </p><p>　　[中圖分類(lèi)號(hào)] TU318 [文獻(xiàn)標(biāo)

4、識(shí)碼]A[文章編號(hào)] </p><p><b>　　1、引言 </b></p><p>　　此工程建筑結(jié)構(gòu)要求層高高、跨度大；1～4 層層高分別為5.5m、6.5m、7.0m、4.5m,高度控制在24m 以?xún)?nèi)，二、三層設(shè)置夾層；工程采用框架結(jié)構(gòu)，二、三層為東西向15+6+15m 跨度的有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土大梁，四層、四層屋面為南北向28.8m 跨度的有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土大

5、梁，頂層混凝土柱為有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土柱。工程為多層框架，在不同層數(shù)采用不同方向的預(yù)應(yīng)力梁。工程峻工后已經(jīng)過(guò)數(shù)年使用， </p><p>　　反應(yīng)良好。工程原考慮為三層，二、三層采用大跨度預(yù)應(yīng)力梁，屋面層采用網(wǎng)架結(jié)構(gòu)以保證三層大空間的使用；后甲方要求將建筑改為四層，并要求工程日后運(yùn)行費(fèi)用及維修成本低；受資金投入限制且消防等級(jí)控制，根據(jù)建筑功能，為保證建筑凈高及建設(shè)方空間使用的要求，防止訓(xùn)練比賽時(shí)東西向太陽(yáng)光直射運(yùn)動(dòng)

6、員、裁判員視線(xiàn)，結(jié)構(gòu)定為二、三層為東西向15+6+15m 跨度的預(yù)應(yīng)力混凝土大梁，四層、四層屋面為南北向28.8m 跨度的預(yù)應(yīng)力混凝土大梁，為保證四層建筑凈高及建筑物總高度限制要求，屋面預(yù)應(yīng)力梁上翻1050。工程由于柱底剪力大、彎矩大，為保證整體結(jié)構(gòu)安全，根據(jù)工程地質(zhì)條件，基礎(chǔ)采用直徑500 的沉管灌注樁組成組合承臺(tái)，以較好地克服柱底剪力、彎矩，未采用承載力更高、但抗彎抗剪能力差的預(yù)應(yīng)力混凝土管樁。工程預(yù)應(yīng)力鋼筋總用量為16.3t 左右

7、，以當(dāng)時(shí)價(jià)格20000 元/ 噸計(jì)算，預(yù)應(yīng)力鋼筋費(fèi)用僅增加32 萬(wàn)元左右，由于采用了預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，減少了非預(yù)應(yīng)力鋼筋用量及混凝土用量，滿(mǎn)足了建設(shè)方大跨度、大空間的使用要求，減少了日后的維護(hù)費(fèi)用，運(yùn)行成本低，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。 </p><p><b>　　2、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) </b></p><p><b>　　2.1 抗震設(shè)計(jì) </b><

8、;/p><p>　　工程按七度抗震設(shè)防，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.1g，考慮此工程為大跨度公共建筑中的框架，框架抗震等級(jí)取二級(jí)，建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)阻尼比取0.03。后張預(yù)應(yīng)力混凝土框架梁、柱均采用有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土，梁高寬比不大于4，梁中與柱中線(xiàn)重合；由于梁、柱為剛接，頂層混凝土邊柱承受大跨度混凝土梁傳來(lái)的彎矩較大，為大偏心受壓柱，為平衡部分彎矩且提高柱的剛度以利抗震，頂層混凝土邊柱根據(jù)彎矩圖的形狀布置部分非對(duì)稱(chēng)配筋的有粘

9、結(jié)預(yù)應(yīng)力筋，控制柱的剪 </p><p>　　跨比大于2，柱箍筋全長(zhǎng)加密。結(jié)合預(yù)應(yīng)力梁正截面強(qiáng)度計(jì)算及裂縫計(jì)算，預(yù)應(yīng)力混凝土框架梁端考慮受壓鋼筋的截面混凝土受壓區(qū)高度x≤0.35ho，且縱向受拉鋼筋按非預(yù)應(yīng)力鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值換算的配筋率梁不大于3.0%(HRB335 級(jí)鋼筋)，柱全部縱向受拉鋼筋按非預(yù)應(yīng)力鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值換算的配筋率不大于5.0%；按照《預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)程》JGJ140-2004 要

10、求，框架梁端預(yù)應(yīng)力強(qiáng)度比λ≤0.75，預(yù)應(yīng)力混凝土框架梁端截面的底面和頂面縱向非預(yù)應(yīng)力鋼筋截面面積A′s 和As的比值，除按計(jì)算確定外，尚滿(mǎn)足下列要求:A′s/As≥0.3/(1-λ)。后張預(yù)應(yīng)力筋的錨具設(shè)置在梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)以外，固定端錨具布置在梁端箍筋加密區(qū)以外，距離梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)邊緣≥1m。 </p><p><b>　　2.2 材料 </b></p><p>　

11、　預(yù)應(yīng)力梁、柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，預(yù)應(yīng)力鋼筋采用Ф15.24鋼絞線(xiàn)，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fptk=1860N/mm2，張拉控制應(yīng)力σcon=0. </p><p>　　7fptk=1302N/mm2，非預(yù)應(yīng)力鋼筋采用Ⅱ級(jí)鋼，箍筋及焊接鋼筋網(wǎng)片采用Ⅰ級(jí)鋼，錨具采用群錨錨具。 </p><p>　　2.3 確定框架梁、柱的外形和截面尺寸 </p><p>　　框架梁按T

12、形截面考慮，截面高度h 采用(1/12～1/18)跨度L，梁翼緣總寬度取12 倍板厚加梁寬度，柱按照矩形截面考慮，取軸壓比小于0.6 確定截面尺寸，同時(shí)柱寬應(yīng)滿(mǎn)足梁的普通鋼筋及預(yù)應(yīng)力鋼筋和柱的縱向普通鋼筋及柱預(yù)應(yīng)力鋼筋的布置要求。本工程采用SATWE 程序進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算，確定二、三層?xùn)|西向15+6+15m 跨度的預(yù)應(yīng)力混凝土大梁，梁高950，四層、四層屋面南北向28.8m 跨度的預(yù)應(yīng)力混凝土大梁，梁高分別為1700、1800，四層屋面梁由

13、于正截面裂縫控制等級(jí)較四層樓面梁要求高，且梁上翻，故梁高更大。二、三層?xùn)|西向15+6+15m 跨度的預(yù)應(yīng)力混凝土大梁支撐的柱斷面取500×650，四層、四層屋面南北向28.8m 跨度的預(yù)應(yīng)力混凝土大梁支撐的柱斷面取600×1200及650×1300。 </p><p>　　2.4 預(yù)應(yīng)力鋼筋的布置 </p><p>　　預(yù)應(yīng)力筋按雙曲拋物線(xiàn)形布置，反彎點(diǎn)取0.

14、1L，考慮普通鋼筋位置、波紋管大小、錨具安裝位置等因素，跨中預(yù)應(yīng)力筋矢高取離梁底90(二、三層預(yù)應(yīng)力梁)，150(四層、四層屋面預(yù)應(yīng)力梁)，支座處預(yù)應(yīng)力筋矢高取離混凝土板面200～300，屋面梁同時(shí)考慮預(yù)應(yīng)力筋在頂層邊柱不至于產(chǎn)生過(guò)大的集中彎矩，矢高取離板面300～500，預(yù)應(yīng)力柱預(yù)應(yīng)力筋的矢高取離柱邊100。 </p><p>　　2.5 預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算 </p><p>　　預(yù)應(yīng)力損失

15、考慮錨具和預(yù)應(yīng)力鋼筋內(nèi)縮引起的損失σl1、摩擦損失σl2、應(yīng)力松弛損失σl4 及混凝土收縮徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失σl5，套用GB50010-2002 規(guī)范中公式計(jì)算，本工程中15 米跨度單根預(yù)應(yīng)力筋損失值為: </p><p>　　Σσl 支座=390N/mm2 </p><p>　　Σσl 跨中=281N/mm2 </p><p>　　28.8 米跨度單根預(yù)應(yīng)力筋損

16、失值為: </p><p>　　Σσl 支座=419N/mm2 </p><p>　　Σσl 跨中=296N/mm2 </p><p>　　2.6 預(yù)應(yīng)力等效荷載及次彎矩計(jì)算 </p><p>　　由于梁預(yù)應(yīng)力筋采用雙曲拋物線(xiàn)形式，預(yù)應(yīng)力筋引起的等效荷載qe=8Np×f/l2，本工程以四層YKL-4b為例，梁兩端0.1L反彎點(diǎn)以?xún)?nèi)預(yù)

17、應(yīng)力筋引起的等效荷載qe1=220.5kN/m、qe2=205.6kN/m，方向向下，跨中兩反彎點(diǎn)之間預(yù)應(yīng)力筋引起的等效荷載qe3=29.2kN/m，方向向上；將預(yù)應(yīng)力引起的等效荷載及構(gòu)件端部彎矩作用于框架中可求得各預(yù)應(yīng)力梁支座及跨中的綜合彎矩，再根據(jù)框架梁中各位置有效預(yù)應(yīng)力對(duì)梁截面偏心距的乘積求得預(yù)應(yīng)力梁的主彎矩，二者相減可求得次彎矩。 </p><p><b>　　M 主=Npep </b&g

18、t;</p><p>　　M 次=M 綜合-M 主 </p><p>　　2．7 正截面、斜截面強(qiáng)度計(jì)算及局部承壓驗(yàn)算 </p><p>　　根據(jù)預(yù)應(yīng)力鋼筋產(chǎn)生的次彎矩和框架結(jié)構(gòu)在外荷載作用下的彎矩進(jìn)行組合，支座處考慮次彎矩對(duì)框架梁的有利影響，跨中考慮次彎矩對(duì)框架梁的不利影響對(duì)預(yù)應(yīng)力梁、柱進(jìn)行正截面強(qiáng)度計(jì)算； </p><p>　　M 支座=

19、M 支座外荷載-M 次 </p><p>　　M 跨中=M 跨中外荷載+M 次 </p><p>　　忽略預(yù)應(yīng)力對(duì)梁截面抗剪的有利影響，仍采用框架結(jié)構(gòu)在外荷載作用下的剪力進(jìn)行斜截面強(qiáng)度計(jì)算。本工程以四層YKL-4b為例，支座最大彎矩為8162kN?m，跨中最大彎矩為6222kN?m，斷面550×1700梁支座、跨中普通鋼筋均為12Φ25，預(yù)應(yīng)力鋼筋為32Ф15.24，考慮混凝土受

20、壓高度后計(jì)算梁正截面抗彎承載力為Mu支=8840kN?m>8162kN?m，正截面強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。梁配箍筋Ф10@100/200 (4)，經(jīng)計(jì)算滿(mǎn)足梁斜截面強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。預(yù)應(yīng)力柱采用拋物線(xiàn)形布置，為滿(mǎn)足抗震構(gòu)造要求，箍筋全高加密，預(yù)應(yīng)力束伸入下層柱大于1m，為避免梁端梁柱預(yù)應(yīng)力筋的安裝困難，預(yù)應(yīng)力柱高出梁面0.65m。梁錨固區(qū)采用5Ф8@50 雙向鋼筋網(wǎng)片，錨具采用鑄鐵錨具，局部承壓驗(yàn)算滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。 </p>&

21、lt;p><b>　　3、預(yù)應(yīng)力施工 </b></p><p>　　有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力的埋管、穿筋可與普通鋼筋鋪設(shè)同時(shí)進(jìn)行，張拉、灌漿不占主工期，采用有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)不會(huì)增加施工工期，但要注意各工種施工時(shí)的配合?；炷翉?qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度值的80%時(shí)可進(jìn)行張拉。張拉控制應(yīng)力σcon=0.7fptk=1302N/mm2，張拉采用雙控，超張拉3%。張拉可根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)、施工方便、操作安全等因素確定

22、，分樓層、分部位、分段張拉。各樓層部位張拉遵循對(duì)稱(chēng)、均勻原則。預(yù)應(yīng)力張拉施工中，以應(yīng)力控制為主，測(cè)量張拉伸長(zhǎng)值作校核。一次張拉端錨固程序采用: </p><p>　　0→10%σcon→103%σcon→錨固 </p><p>　　4、注意事項(xiàng)及問(wèn)題處理 </p><p>　　4.1 柱縱筋間距問(wèn)題 </p><p>　　柱寬應(yīng)滿(mǎn)足梁的普通鋼

23、筋及預(yù)應(yīng)力鋼筋和柱的縱向普通鋼筋及柱預(yù)應(yīng)力鋼筋的布置要求。本工程二、三層預(yù)應(yīng)力鋼筋布置為3 束，梁寬450，柱寬500；四層、四層屋面預(yù)應(yīng)力鋼筋布置為4 束，梁寬500、550，柱寬600、650；柱的縱向普通鋼筋及柱預(yù)應(yīng)力鋼筋的分層布置，并保證其間距使得梁的預(yù)應(yīng)力鋼筋及梁縱向普通鋼筋施工時(shí)能夠穿過(guò)不碰撞柱筋。 </p><p>　　4.2 張拉端錨具凸起問(wèn)題 </p><p>　　張拉、

24、灌漿后，用砂輪切割機(jī)切掉張拉端多余的預(yù)應(yīng)力筋，預(yù)應(yīng)力筋的外露長(zhǎng)度不宜小于其直徑的1.5 倍，且不宜小于30mm，用環(huán)氧樹(shù)脂涂封錨具及外露預(yù)應(yīng)力筋，封閉前應(yīng)將錨具周?chē)幕炷凌徝_洗干凈，凸出式的錨頭宜配置鋼筋網(wǎng)片，用微膨脹細(xì)石混凝土進(jìn)行封閉?？紤]張拉端錨具凸起問(wèn)題，設(shè)計(jì)時(shí)與建筑配合，采用橫豎線(xiàn)條處理，既美觀立面，又對(duì)錨固區(qū)進(jìn)行了封閉保護(hù)。 </p><p><b>　　4.3 支撐問(wèn)題 </b&

25、gt;</p><p>　　由于工程采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，施工荷載較大，要求施工單位務(wù)必核算支撐強(qiáng)度以保證施工安全，在混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后才能張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋，在預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉錨固前，支撐不能夠拆除。構(gòu)件的底模支撐在預(yù)應(yīng)力筋張拉及灌漿漿體強(qiáng)度達(dá)到15MPa后方可拆除。 </p><p>　　4.4 梁固定端錨具處構(gòu)造措施 </p><p>　　部分預(yù)應(yīng)力鋼筋固定端

26、錨具布置在中柱梁端箍筋加密區(qū)以外，距離梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)邊緣≥1m，由于施加的預(yù)應(yīng)力較大，除了為滿(mǎn)足局部承壓要求布置的5Ф8@50 雙向鋼筋網(wǎng)片外，為防止梁側(cè)面出現(xiàn)裂縫，在梁固定端錨具左右1米范圍內(nèi)梁兩側(cè)布置Φ20 的腰筋，間距200，與梁兩側(cè)原有腰筋間隔放置，工程竣工后現(xiàn)場(chǎng)觀察梁兩端未出現(xiàn)裂縫，達(dá)到設(shè)計(jì)效果。 </p><p>　　4.5 頂層預(yù)應(yīng)力柱頭加強(qiáng)措施 </p><p>　　由于頂

27、層預(yù)應(yīng)力柱需高出梁面0.65m，側(cè)向支撐較弱，與計(jì)算假定不吻合，且施加預(yù)應(yīng)力時(shí)受力較大，為避免柱頭裂縫產(chǎn)生，加強(qiáng)錨固端強(qiáng)度，本工程在預(yù)應(yīng)力柱柱頂加設(shè)Ф8@150×150 鋼筋網(wǎng)片，凸出預(yù)應(yīng)力梁的柱頭加設(shè)環(huán)形鋼板，工程竣工后現(xiàn)場(chǎng)觀察效果良好。 </p><p><b>　　5 結(jié)束語(yǔ) </b></p><p>　　本文介紹了多層框架結(jié)構(gòu)雙向大跨度有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力梁