大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土住宅結(jié)構(gòu)體系的受力特性

欒 翔

(聯(lián)安國(guó)際建筑設(shè)計(jì)有限公司，北京 100000)

當(dāng)前，我國(guó)建筑體系中，大多數(shù)的高層建筑使用的都是普通的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，常見(jiàn)的有磚混結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)以及剪力墻結(jié)構(gòu)等，但是，隨著跨度的不斷增加，結(jié)構(gòu)受到的限制也會(huì)增加。大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土住宅結(jié)構(gòu)體系的運(yùn)用，使得大空間住宅結(jié)構(gòu)中存在的局限問(wèn)題獲得了很好的解決，其主要是以無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力樓蓋、剪力墻等研究工作為基礎(chǔ)，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)代高層建筑的特點(diǎn)，進(jìn)而產(chǎn)生的一種新型的結(jié)構(gòu)。大跨度預(yù)應(yīng)力住宅的水平結(jié)構(gòu)主要是由無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力組成的，這使得該住宅結(jié)構(gòu)的深度與廣度都有著一定的擴(kuò)展空間，并且該住宅內(nèi)部的每個(gè)用戶都不能私自使用豎向的承重構(gòu)件，以此來(lái)保證室內(nèi)空間有效的分隔，保證室內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)明梁，不會(huì)影響室內(nèi)整體的美觀。同時(shí)，豎向結(jié)構(gòu)體系廣泛的使用了異形柱結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)等，因此在用戶房間內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)明柱，使得室內(nèi)空間變得更為寬敞，也從另一方面增加了室內(nèi)面積，使得開發(fā)商獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益。大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土住宅結(jié)構(gòu)體系已經(jīng)在國(guó)內(nèi)很多省市的建筑中獲得了應(yīng)用，比如廣州、福建等地區(qū)已經(jīng)對(duì)這一住宅結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步使用。但是，大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土住宅結(jié)構(gòu)的研究工作仍然不夠深入，其優(yōu)越性無(wú)法獲得有效的發(fā)揮，因此在推廣方面仍然存在著一定的局限性。從結(jié)構(gòu)分析方面來(lái)說(shuō)，在針對(duì)無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力樓蓋、異形柱、剪力墻等方面的研究工作已經(jīng)取得了一定的成就，但是如何將這幾種結(jié)構(gòu)結(jié)合成一個(gè)統(tǒng)一的整體，以及對(duì)由此而組成的建筑結(jié)構(gòu)可能會(huì)產(chǎn)生的新的問(wèn)題的研究，以及其會(huì)出現(xiàn)哪些新的受力特征等，并沒(méi)有深入的研究，因此，筆者對(duì)于這一結(jié)構(gòu)的受力特征，對(duì)其中的某一個(gè)單層結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性分析，以期能夠取得一定的成果。

1 模型參數(shù)

選取大跨度預(yù)應(yīng)力住宅結(jié)構(gòu)體系典型平、立面布置，如圖1所示?；炷翉?qiáng)度等級(jí):梁板C40，柱C30，混凝土容重25 kN/m3;板厚200 mm，梁截面取 b×h=250 mm×400 mm，層高4.5 m;恒載9.0 kN/m2，活載5.0 kN/m2。采用 SAP2000進(jìn)行結(jié)構(gòu)模型受力分析，采用Shell單元模型建模，如圖2所示。采用振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下的反應(yīng)，分析選用《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》7度設(shè)防烈度(水平地震影響系數(shù)最大值0.12)，設(shè)計(jì)地震分組第一組，Ⅱ類場(chǎng)地，特征周期Tg=0.35 s，阻尼比0.05，沿X軸單向輸入地震作用。

2 結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算

1)預(yù)應(yīng)力的施加。在豎向荷載作用下，由于梁與樓板的相互作用使得梁的扭矩會(huì)產(chǎn)生較大的變化，樓板在豎向荷載作用下會(huì)在板端產(chǎn)生負(fù)彎矩，而這個(gè)彎矩也會(huì)造成梁上的扭矩平衡發(fā)生變化，進(jìn)而使得邊梁發(fā)生較大的扭矩。

圖1 大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土住宅結(jié)構(gòu)布置圖

圖2 模型示意圖

一字形邊柱平面自身的抗彎度不大，容易在外力的作用下產(chǎn)生變形，因此其對(duì)于梁的扭轉(zhuǎn)作用不強(qiáng)，需要通過(guò)梁的扭轉(zhuǎn)對(duì)角柱進(jìn)行約束，會(huì)使角柱和梁之間的交界處產(chǎn)生的扭矩?cái)?shù)值加大，大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土住宅結(jié)構(gòu)本身具有很大的跨度，所以當(dāng)其受到一定的外力時(shí)，板結(jié)構(gòu)的彎矩和梁的扭轉(zhuǎn)都會(huì)產(chǎn)生明顯的變化。預(yù)應(yīng)力的施加會(huì)造成扭矩截面的增加。如果是單向的地震作用，則與地震輸入方向平行的梁扭矩會(huì)發(fā)生較為明顯的變化，但是數(shù)值不會(huì)很大，因此不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的影響。

2)各荷載作用下柱受力分析。大跨度混凝土結(jié)構(gòu)中，如果結(jié)構(gòu)的內(nèi)力方向與坐標(biāo)方向相同，則其整體結(jié)構(gòu)與坐標(biāo)結(jié)構(gòu)也是一致的，在不同的外力作用下，結(jié)構(gòu)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生不同的應(yīng)力。如果是在豎向的外力作用影響下，角柱需要承擔(dān)的豎向應(yīng)力就會(huì)明顯增強(qiáng)，該應(yīng)力的范圍則保持與柱的荷載范圍相同。當(dāng)結(jié)構(gòu)受到豎向應(yīng)力時(shí)，承重構(gòu)件就會(huì)在外力的作用下產(chǎn)生一定的變化，這些變化的數(shù)值可以通過(guò)相關(guān)的計(jì)算進(jìn)行確定，角柱軸力增加的數(shù)據(jù)與邊柱減小的數(shù)據(jù)之間存在著一定的比例關(guān)系，而這一結(jié)果的獲得與模型的選取有著很大的關(guān)系，同時(shí)也存在著一定的局限性。豎向作用荷載下，角柱的頂和底面積都要承受較大的應(yīng)力，這時(shí)便會(huì)使角柱頂面彎矩不斷的增加，與此同時(shí)角柱底面彎矩卻減少。地震作用對(duì)于角柱的柱底界面彎矩有著較大的影響，垂直于地震輸入方向的彎矩在應(yīng)力的作用下會(huì)增加幾乎兩倍。在豎向荷載作用下，一字形邊柱兩軸的方向會(huì)產(chǎn)生懸殊較大的承受彎矩，這時(shí)其平面外彎矩會(huì)增大，而內(nèi)彎矩則會(huì)減少。

3)各荷載作用下板受力分析。預(yù)應(yīng)力對(duì)于板也有著較大的影響。板邊最小的負(fù)彎矩往往會(huì)存在于板邊與一字形邊柱的交界處，這時(shí)對(duì)其施加預(yù)應(yīng)力會(huì)造成彎矩的值迅速減少，甚至達(dá)到70%左右，同時(shí)也會(huì)造成跨中板底的最大彎矩?cái)?shù)值減少70%左右。在樓板中施加預(yù)應(yīng)力，使得樓板底部的拉應(yīng)力受到影響而降低，這時(shí)能夠?qū)Π宓淖冃芜M(jìn)行控制，從而極大的減小了板的撓度。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本文對(duì)大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土住宅結(jié)構(gòu)體系的受力特征進(jìn)行的初步研究與判斷，獲得以下幾點(diǎn)結(jié)論:

1)科學(xué)的施加預(yù)應(yīng)力，能夠?qū)ψ≌Y(jié)構(gòu)樓板的受力狀態(tài)進(jìn)行很好的改變，使得樓板的撓度大幅度的降低，這樣便能夠使樓板中的拉應(yīng)力明顯的減少，對(duì)于預(yù)防裂縫問(wèn)題的出現(xiàn)有著很好的作用。2)對(duì)板結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力的施加時(shí)，對(duì)于邊梁產(chǎn)生的影響較大，次彎矩在梁中會(huì)產(chǎn)生不利的影響。由于板跨度很大，當(dāng)其承受較大的豎向荷載作用時(shí)，會(huì)造成扭矩的增加，尤其是在樓板位置上產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力會(huì)不斷的加大，進(jìn)而造成扭矩的加大。同時(shí)，地震作用也會(huì)對(duì)邊梁彎矩產(chǎn)生一定的影響，但是卻不會(huì)對(duì)扭矩產(chǎn)生較大的影響。3)當(dāng)受到外力的荷載作用時(shí)，一字形邊柱的平面會(huì)產(chǎn)生一定的外彎矩，但是其抗彎強(qiáng)度卻很小，這也是該住宅結(jié)構(gòu)中一個(gè)較為薄弱的關(guān)鍵部位。針對(duì)一字形邊柱的平面進(jìn)行預(yù)應(yīng)力的施加時(shí)，內(nèi)彎矩會(huì)產(chǎn)生明顯的變化，外彎矩卻不會(huì)產(chǎn)生較大的變化。另外，在一字形邊柱兩個(gè)主軸方向側(cè)向剛度差較大時(shí)，如果施加水平的地震作用，則平行于地震作用方向的一字形邊柱內(nèi)彎矩會(huì)產(chǎn)生明顯的變化。4)樓板中預(yù)應(yīng)力的施加，與普通的預(yù)應(yīng)力框架結(jié)構(gòu)中的預(yù)應(yīng)力有著明顯的區(qū)別，在這種作用下，隔離彎矩與豎向荷載作用下產(chǎn)生的彎矩有著相同的方向，使得角柱的彎矩明顯的增加。同時(shí)在水平地震作用下，柱底截面彎矩會(huì)產(chǎn)生明顯的增加。

[1] 南建林.大開間預(yù)應(yīng)力混凝土平板住宅體系的研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程博士論文，2009.

[2] 張 琳，簡(jiǎn) 斌，黃宗明.大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土住宅結(jié)構(gòu)體系的受力特性[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2004(6):73-74.

[3] 任 偉.大空間預(yù)應(yīng)力混凝土住宅體系結(jié)構(gòu)分析模型及抗震性能研究[D].重慶:重慶大學(xué)防災(zāi)減災(zāi)工程及防護(hù)工程，2005.