某會(huì)展酒店預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

陳曉菁，程少彬

（汕頭市建筑設(shè)計(jì)院 廣東 汕頭 515041）

1 概述

預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土兼具了預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)與型鋼混凝土的優(yōu)點(diǎn)，在適用跨度、承擔(dān)荷載等方面均優(yōu)于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)及型鋼混凝土結(jié)構(gòu)［1］，采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線，對(duì)減少用鋼量、提高結(jié)構(gòu)整體剛度和減小構(gòu)件的撓度、裂縫寬度有著良好的效果［2］。吳有豪等人［3］分析表明：加入預(yù)應(yīng)力筋、型鋼后轉(zhuǎn)換梁跨中抗彎承載力、剛度都有很大程度的提高，不僅可以進(jìn)一步減小構(gòu)件尺寸和配筋面積，還可改善轉(zhuǎn)換梁力學(xué)性能［4-6］。薛偉辰等人［7］完成 4 根 PSRC 和 SRC 簡(jiǎn)支梁的低周往復(fù)荷載試驗(yàn)，結(jié)果表明：PSRC 梁的滯回曲線呈明顯的梭形，具有較好的位移延性、耗能能力和變形能力。

本工程為會(huì)展酒店，集宴會(huì)、會(huì)議、多功能廳為一體的大型綜合性建筑，1 層為商業(yè)部分，為滿足建筑功能要求需在2、3 層設(shè)置25.2 m×33.6 m 的商業(yè)中庭，4層為開(kāi)敞性辦公室，4 層上空為50.4 m×67.2 m 無(wú)柱宴會(huì)廳，由于宴會(huì)廳運(yùn)營(yíng)高度需要，其屋蓋結(jié)構(gòu)提至主體結(jié)構(gòu)屋面以上約9 m，大跨度屋蓋采用預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土倒三角桁架,屋面板采用160 mm 厚混凝土。宴會(huì)廳屋蓋平面如圖1所示，橫向端部設(shè)置交叉桁架HJ4、HJ5，其中HJ4 為預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土桁架，HJ5 為鋼筋混凝土桁架，在縱向設(shè)置柱間支撐保證屋蓋的側(cè)向剛度和穩(wěn)定。HJ5 僅需滿足屋蓋側(cè)向穩(wěn)定；而HJ4 下方標(biāo)高24.5 m 處大跨度梁因建筑要求梁高只能控制不高于1 m，利用上方對(duì)應(yīng)HJ4 設(shè)置吊柱以滿足4 層大跨度樓蓋剛度、承載力要求。HJ4 利用宴會(huì)廳對(duì)應(yīng)主體結(jié)構(gòu)屋面邊梁作為下弦，在宴會(huì)廳屋蓋位置設(shè)置上弦，同時(shí)HJ4 可作為宴會(huì)廳大跨度屋蓋的邊支座。HJ4 需在桁架下弦采用吊柱形式吊掛4 層結(jié)構(gòu)，需考慮4 層所吊掛40.2 m×25.2 m 范圍的樓板荷載、5 層荷載，宴會(huì)廳屋面荷載。吊掛結(jié)構(gòu)體系改變了傳統(tǒng)意義的柱支撐梁受力模式，由桁架下弦下伸吊柱，既滿足建筑大空間的使用功能，又保證宴會(huì)廳屋蓋的側(cè)向穩(wěn)定。建筑剖面及預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土桁架示意如圖2所示。

圖1 宴會(huì)廳屋蓋平面圖Fig.1 Floor Plan of Banquet Hall Roof

2 預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土桁架的分析與計(jì)算

桁架跨度達(dá)42 m，承擔(dān)主體屋面、宴會(huì)廳屋蓋邊跨、4 層宴會(huì)廳對(duì)應(yīng)中庭樓蓋荷載，恒載約為283 kN/m、活載約為77 kN/m。桁架承載力需求很大，經(jīng)計(jì)算桁架下弦承受拉力設(shè)計(jì)值11 220 kN（1.35D+0.98L），桁架下吊柱承受拉力設(shè)計(jì)值2 191 kN（1.35D+0.98L）。采用普通鋼筋混凝土交叉桁架不能滿足承載力及變形要求。型鋼混凝土構(gòu)件與混凝土構(gòu)件相比，能大幅提高構(gòu)件的受拉及受剪承載力；與鋼構(gòu)件相比，外包混凝土可保證鋼構(gòu)件穩(wěn)定性，且不需要額外的防火防腐涂層，更為經(jīng)濟(jì)。為提高桁架構(gòu)件截面承載力及桁架整體剛度，采用型鋼混凝土桁架。由于下弦及支座斜腹桿拉力大，在型鋼混凝土構(gòu)件內(nèi)置預(yù)應(yīng)力鋼絞線，在桁架下弦的型鋼混凝土構(gòu)件內(nèi)置預(yù)應(yīng)力鋼絞線，可提高下弦桿的受拉承載力，減小構(gòu)件正常使用狀態(tài)下的撓度、裂縫，提高桁架的整體剛度，降低桁架的含鋼量。基于型鋼混凝土構(gòu)件及預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土構(gòu)件的諸多優(yōu)點(diǎn)，桁架采用預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土結(jié)構(gòu)。

型鋼混凝土桁架型鋼強(qiáng)度等級(jí)Q345，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C40，預(yù)應(yīng)力索材為鋼絞線索，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值1 870 MPa，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1 320 MPa，張拉控制應(yīng)力837 MPa。桁架上下弦桿及斜腹桿各節(jié)間互相剛接。桁架各桿件軸力設(shè)計(jì)值如圖3所示，經(jīng)核算截面強(qiáng)度滿足要求。桁架正常使用狀態(tài)下最大撓度為48.3 mm。

圖2 吊掛范圍及型鋼混凝土轉(zhuǎn)換桁架示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Hanging Range and Schematic Diagram of Steel Reinforced Concrete Conversion Truss

圖3 桁架各桿件軸力設(shè)計(jì)值（1.35D+0.98L）Fig.3 Design Value of Axial Force of Truss Members

上弦桿、受壓斜腹桿、型鋼混凝土柱按小偏壓構(gòu)件設(shè)計(jì)，下弦桿、吊柱、受拉斜腹桿按小偏拉構(gòu)件設(shè)計(jì)，受拉桿縱向受力鋼筋沿截面周邊對(duì)稱布置，按受拉筋要求搭接；桿件計(jì)算長(zhǎng)度按集合長(zhǎng)度取。桁架的構(gòu)造要求：桁架端部節(jié)點(diǎn)由多根桿件匯交［8］受力復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)寬度與上下弦桿保持一致，為減小應(yīng)力集中，桁架上弦桿與桁架柱連接大樣如圖4所示，桁架下弦桿與吊柱連接大樣如圖5所示。下弦桿、吊柱及受拉支撐按小偏拉桿件設(shè)計(jì)，截面拼接需按受拉桿進(jìn)行等強(qiáng)拼接。下弦桿處屋面板取200 mm 厚，配雙層雙向鋼筋，為滿足樓板的抗裂需求，樓板內(nèi)置預(yù)應(yīng)力鋼絞線。上弦樓板兼做宴會(huì)廳屋蓋上弦桿翼緣，取160 mm 厚，配雙層雙向鋼筋。

圖4 桁架上弦桿與桁架柱連接大樣Fig.4 Detail of Connection between Truss Upper Chord and Truss Column

圖5 桁架下弦桿與吊柱連接大樣Fig.5 Detail of the Connection between the Lower Chord and the Suspension Column

3 預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土桁架施工方案分析

3.1 預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土桁架施工方案及難點(diǎn)概述

⑴桁架跨度大，自重大，以運(yùn)輸最大尺寸散件在地面拼裝、整體吊裝，能減少構(gòu)件焊接量，更避免了散件高空焊接，但是吊裝成本太高；若采取散件高空焊接，根據(jù)吊裝的起重量分割構(gòu)件，勢(shì)必增加焊縫量，增加了焊接應(yīng)力，散件高空焊接質(zhì)量更難以控制。

⑵預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土桁架是在下弦采用吊柱結(jié)構(gòu)形式吊掛4 層結(jié)構(gòu)，需待混凝土達(dá)設(shè)計(jì)要求方可張拉預(yù)應(yīng)力筋，而預(yù)應(yīng)力張拉完成才能發(fā)揮桁架作用，又由于支撐高度22.5 m 屬高支模，施工支撐方案需專項(xiàng)設(shè)計(jì)。

⑶桁架既承受5 層結(jié)構(gòu)、宴會(huì)廳屋蓋作用，又懸吊吊柱，因此各部分施工順序也尤為關(guān)鍵。

3.2 預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土桁架安裝設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)多方案對(duì)比，對(duì)桁架吊柱部分采用散件運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，采用塔吊吊裝，焊接完畢再澆筑混凝土；對(duì)桁架上弦桿、下弦桿及支撐按運(yùn)輸最大尺寸運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)在地面拼裝完畢，再用500 t 吊車整體吊裝。這樣既保證了單個(gè)分段的重量不致太大，又可通過(guò)合理的分段減少高空焊接量。

3.3 預(yù)應(yīng)力混凝土安裝順序

預(yù)應(yīng)力混凝土桁架需待混凝土達(dá)設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，張拉直線型預(yù)應(yīng)力筋再?gòu)埨劬€型預(yù)應(yīng)力筋；最后張拉宴會(huì)廳屋蓋桁架的直線、折線型預(yù)應(yīng)力筋。待型鋼混凝土桁架預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)及宴會(huì)廳屋蓋結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力筋張拉完成，方可拆除桁架相關(guān)范圍地下1 層～4 層間支撐。有建筑功能需求的商業(yè)中庭范圍也需待桁架發(fā)揮作用再拆除中庭范圍2～4 層間支撐。

3.4 預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土桁架的監(jiān)測(cè)

國(guó)內(nèi)的大跨型建筑，如橋梁和大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)、地下結(jié)構(gòu)等，都需要進(jìn)行健康的監(jiān)測(cè)，以確保結(jié)構(gòu)施工階段的安全性，同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)階段的安全性起到預(yù)警作用［9］。如果不考慮施工過(guò)程的影響，則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論分析所得到的結(jié)果與實(shí)際情況會(huì)存在一定的差別，造成結(jié)構(gòu)施工完畢狀態(tài)和設(shè)計(jì)狀態(tài)不一致，從而使結(jié)構(gòu)埋下不安全因素［10］。本工程預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土桁架下吊掛40.2 m×25.2 m 范圍的樓板，受力復(fù)雜，對(duì)桁架上下弦、支座斜腹桿、吊柱安裝粘貼應(yīng)力應(yīng)變傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)混凝土拉控應(yīng)變。

4 結(jié)論

本工程為滿足2、3 層中庭架空效果，在5 層及屋面層采用預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土桁架，屋面梁作為桁架上弦桿，5 層梁作為桁架下弦桿，在桁架下弦采用吊掛結(jié)構(gòu)承擔(dān)4 層樓蓋荷載，在下弦張拉預(yù)應(yīng)力提高桁架的整體剛度，減小桿件撓曲變形與裂縫寬度。在細(xì)部設(shè)計(jì)時(shí)，為減少關(guān)鍵部位應(yīng)力集中，采用節(jié)點(diǎn)擴(kuò)大做法。經(jīng)過(guò)多方對(duì)比，采用先吊裝吊柱安裝完畢，再在現(xiàn)場(chǎng)整體拼裝桁架上下弦后，整體吊裝桁架施工方案，較好地解決了設(shè)計(jì)、施工中存在的技術(shù)問(wèn)題。