大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土樓蓋主梁結(jié)構(gòu)分析

周孝明

摘 要:根據(jù)實(shí)際工程的需要,采用有限單元法對結(jié)構(gòu)的優(yōu)選方案進(jìn)行了計(jì)算分析,給出了各工況下結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力和位移分布規(guī)律,分析結(jié)果表明,采用大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土樓蓋主梁結(jié)構(gòu)是經(jīng)濟(jì)合理的,能夠滿足工程要求。

關(guān)鍵詞:預(yù)應(yīng)力;主梁;有限元法;后張法

中圖分類號:TU745.2

文獻(xiàn)標(biāo)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(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)得到了廣泛的應(yīng)用。如何對預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確的受力分析?并為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)。各國學(xué)者進(jìn)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(gòu)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(shè)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?？紤]到會議室的功能要求,應(yīng)采用跨度為19m的大跨度框架梁樓蓋結(jié)構(gòu)。對于大跨度框架梁樓蓋結(jié)構(gòu)的選擇,可以考慮型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土桁架結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、普通鋼筋混凝土密肋梁板結(jié)構(gòu)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(shí)間的活動(dòng)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(gòu)。②若采用普通鋼筋混凝土密肋梁板結(jié)構(gòu),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(gòu),屋面樓蓋采用壓型鋼板混凝土組合樓板,那么在結(jié)構(gòu)原理上,是比較合理的。但與采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)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(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu),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(gòu),截面700mm×700mm,具體的結(jié)構(gòu)布置及計(jì)算模型見圖1。主、次梁、柱結(jié)點(diǎn)處混凝土強(qiáng)度等級采用C40,柱的混凝土強(qiáng)度等級采用C30。

2.2構(gòu)造要求

框架主梁支座及跨中非預(yù)應(yīng)力筋均采HRB335級,直徑為25mm ,通長設(shè)置。預(yù)應(yīng)力筋按雙束設(shè)置,一端張拉,張拉端分別設(shè)在梁的兩端。預(yù)應(yīng)力筋的孔道采用預(yù)埋Φ70波紋管來實(shí)現(xiàn),預(yù)應(yīng)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(jìn)行封閉保護(hù)。為保證預(yù)應(yīng)力筋的孔道可以順利通過梁柱結(jié)點(diǎn)并準(zhǔn)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(gòu)計(jì)算模型

3.1單元選擇

在對大跨度有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土樓蓋主梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí),混凝土主梁、次梁、柱和樓面板采用8結(jié)點(diǎn)的等參塊單元來模擬,預(yù)應(yīng)力鋼筋采用2結(jié)點(diǎn)的桿單元來模擬,由于模擬有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋,要求桿單元的結(jié)點(diǎn)位移同塊單元結(jié)點(diǎn)位移協(xié)調(diào),即兩種單元共用結(jié)點(diǎn)。

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(shè)計(jì)使用年限為50年,建筑結(jié)構(gòu)的安全等級為二級,抗震設(shè)防烈度為7度,設(shè)計(jì)地震分組為第一組,抗震等級為三級,采用擬靜力法計(jì)算,設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.1g。

本設(shè)計(jì)和計(jì)算考慮如下3種工況:工況1,自重+預(yù)應(yīng)力;工況2,自重+預(yù)應(yīng)力+人群荷載;工況3,自重+預(yù)應(yīng)力+人群荷載+地震作用。

3.3預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算

主梁預(yù)應(yīng)力筋采用低松弛高強(qiáng)度鋼絞線,每束鋼絞線為6×7Φ15。強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fptk=1860MPa,張拉控制應(yīng)力σcon=0.75 fptk=1395MPa。主梁兩束預(yù)應(yīng)力鋼筋采用一端張拉,其預(yù)應(yīng)力損失分為兩批,主梁各位置處預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算結(jié)果參見表1。

4計(jì)算成果分析

4.1應(yīng)力分析

通過對該預(yù)應(yīng)力混凝土樓蓋結(jié)構(gòu)的分析,得到了各工況下結(jié)構(gòu)第四層主梁、次梁和樓板上的應(yīng)力分布情況,其最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)力、最大剪應(yīng)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(gòu)的最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在主梁上,雖然最大值達(dá)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(gòu)主要部分的拉應(yīng)力都在材料允許范圍內(nèi)。其最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在主梁或次梁上,混凝土的抗壓強(qiáng)度能夠滿足要求。并且,計(jì)算結(jié)果表明,地震作用對預(yù)應(yīng)力混凝土樓蓋主梁結(jié)構(gòu)影響不大,而人群荷載對結(jié)構(gòu)影響較大。

4.2變形分析

各工況下結(jié)構(gòu)第四層的最大位移參見表3。

從表3可以看出,當(dāng)預(yù)應(yīng)力施加后,主梁出現(xiàn)了明顯的反拱,反拱位移2.31mm。采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土主梁后,結(jié)構(gòu)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(jì)算跨度l0>9m時(shí),其撓度限值為l0/300=63.3mm。實(shí)際撓度遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(gòu)分析,該綜合辦公樓采用大跨度后張法有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土樓蓋主梁結(jié)構(gòu)是科學(xué)合理的,這不僅滿足了會議室兼小禮堂的大空間要求,同時(shí)又符合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)實(shí)用的原則。文中所采用的分析方法為大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土樓蓋主梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了可靠的理論基礎(chǔ)。

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(yàn)收,目前使用效果良好,業(yè)主比較滿意。

參考文獻(xiàn):

[1] 江見鯨,陸新征,葉列平.混凝土結(jié)構(gòu)有限元分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.

[2] 過鎮(zhèn)海,時(shí)旭東.鋼筋混凝土原理和分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.

[3] GB50010-2002.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002.