大跨度有粘结预应力楼盖框架主梁结构设计
jdtg63477
jdtg63477 Lv.9
2015年07月31日 15:17:00
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本帖最后由 jdtg63477 于 2015-7-31 17:25 编辑   1工程概况   衡阳市某机关单位综合办公楼工程,共四层,为会议和办公设施,总建筑面积为13000m2,其中会议室兼作小礼堂用,位于大楼四层左侧;建筑面积475m2,平面长25m,宽19m,能容纳250~300余人;综合楼与相邻建筑单体之间设置伸缩缝,采用大跨度混凝土框架结构;其它跨度为19m,沿会议室方向与柱网正交。

本帖最后由 jdtg63477 于 2015-7-31 17:25 编辑

  1工程概况



  衡阳市某机关单位综合办公楼工程,共四层,为会议和办公设施,总建筑面积为13000m2,其中会议室兼作小礼堂用,位于大楼四层左侧;建筑面积475m2,平面长25m,宽19m,能容纳250~300余人;综合楼与相邻建筑单体之间设置伸缩缝,采用大跨度混凝土框架结构;其它跨度为19m,沿会议室方向与柱网正交。



  2建筑结构方案的选择



  上述尺度的天面楼盖结构,可以采用多种楼盖结构方案,如型钢混凝土组合结构、钢筋混凝土桁架结构、预应力钢筋混凝土结构、排架结构(采用钢筋混凝土柱和钢屋架),普通钢筋混凝土密肋梁板结构等等。

  在进行天面楼盖结构方案比选时,首先考虑的是要满足业主对使用功能的要求。该综合楼与周边办公楼单体用伸缩缝分开,天面与周边楼层的走廊相连,业主要求综合楼的天面可作为职工休息时间的活动场所。因此,不能采用较大的坡度的屋面形式,而且对受力主梁的挠度变形要求比较高。在这种情况下,就不能选用钢筋混凝土桁架结构。

  若采用普通钢筋混凝土密肋梁板结构,密肋次梁要沿会议室的方向密布,跨度为19m,为满足挠度及裂缝宽度限值的要求,估算梁截面的高度达到1300mm,截面这么大的梁如此密布,不能满足会议室内部上空的美观要求。同时,密肋次梁支承在两端框架边梁上,产生较大的扭矩和剪力,框架边梁的抗剪扭能力很难满足规范的要求。

  如果采用型钢混凝土组合结构,屋面楼盖采用压型钢板混凝土组合楼板,那么在结构原理上,是比较合理的。但与采用预应力钢筋混凝土结构相比,钢材的使用量比较大,建筑成本较高。

  综合以上的分析,框架主梁采用后张法有粘结预应力结构,框架主梁的截面为400mm×1200mm,具体的结构布置见图1,采用钢筋混凝土肋形梁板结构,楼板厚度为100mm,梁、板的混凝土强度等级采用C40,柱子采用普通钢筋混凝土结构,截面650mm×700mm,柱的混凝土强度等级采用C30,在梁、柱节点处,混凝土强度等级按框架主梁采用C40。



  3有粘结预应力框架主梁的设计



  3.1荷载

  作用于梁上的恒荷载包括梁板自重、面层及吊顶自重,活荷载按人群有可能密集的情况采用3.5kN/m2。梁上线荷载标准值共计69.4 kN/m线荷载设计值共计94.8 kN/m。由于该会议室周边的均布置多层的办公楼,对风起了遮挡的作用,在结构计算中可不考虑风荷载。

  3.2设计基本参数

  本建筑的设计使用年限为50年,建筑结构的安全等级为二级,抗震设防烈度为Ⅶ度,设计地震分组为第一组,抗震等级为三级,设计基本地震加速度为0.10g,场地类别为Ⅲ类。

  3.3结构受力计算

  取一榀钢架作为计算单元。在柱边支座处,梁截面按矩形考虑,计算截面见图2a;在跨中,考虑楼板作为翼缘参与受力,梁截面按T形考虑,计算截面见图2b。

  3.4材料的选用

  框架主梁预应力筋按双束设置,按照抛物线线型设置,分为三段,反弯点设在离支座0.16Lo(Lo为梁计算跨度)处。预应力筋采用低松弛高强度钢绞线,每束采用6φj15.24,强度标准值fptk=1860N/mm2,设计值fpy=1320N/mm2,张拉控制应力为0.75,fptk=1395N/mm2。每束预应力筋的张拉力P=6×139×1395=1163kN。锚具采用OVM锚具系列,一端张拉,张拉端分别设在梁的两端。支座及跨中非预应力筋均采HRB335级,直径为25mm,通长设置。

  3.5预应力梁的验算

  按照上述的配置进行验算,得梁端的配筋强度比λ=0.681,小于规范要求的0.75;考虑受压钢筋的梁端相对受压区高度为0.26,满足规范不大于0.35的要求;底面和顶面纵向非预应力钢筋截面面积的比值为1.0,纵向受压非预应力钢筋的配筋率为0.72%>0.2%,纵向受拉钢筋按非预应力钢筋抗拉强度设计值折算的配筋率为2.4%<2.5%,以上几项均满足规范的要求。

  3.6预应力损失的计算

  张拉端锚具变形和锚具内缩引起的预应力损失σ11=254.5N/mm2,预应力钢筋磨擦引起的预应力损失σ12=382.1N/mm2,预应力钢筋应力松弛引起的预应力损失σ14=48.8N/mm2,混凝土的收缩和徐变引起支座的预应力损失σ15(支)=104.6N/mm2、跨在的预应力损失σ15(中)=89.5N/mm2,两束预应力钢筋采用一端张拉,并在两端同时张拉,得:

  支座第一批预应力损失:σLI(支)=1/2(σ11+σ12)=318.3N/mm2;

  跨中第一批预应力损失: σLI(中)=1/2σLI(支)=191.1N/mm2;

  支座第二批预应力损失:σLII(支)=σ14+σ15(支)=153.4N/mm2;

  跨中第二批预应力损失: σLII(中)=σ14+σ15(中)=138.4N/mm2;

  支座总预应力损失:σL(支)=σLI(支)+σLII(支)=471.7N/mm2;

  跨中总预应力损失:σL(中)= σLI(中)+σLII(中)=329.4N/mm2;

  支座有效预应力:Pe(支)=6×139×(1395-471.7)=779kN。

  3.7内力组合

  后张法预应力混凝土超静定结构,在进行正截面受弯承载力计算及抗裂验算时,在弯矩设计值中次弯矩应参与组合;在进行斜截面受剪承载力计算及抗裂验算时,在剪力设计值中次剪力应参与组合。在对截面进行受弯及受剪的抗裂验算时,当参与组合的次弯矩、次剪力对结构不利时,预应力分项系数取1.2,有利时取1.0。次弯矩按下列公式计算:

  M2=Mr-M1

  M1=NP·epn

  次剪力则根据构件各截面次弯矩的分布按结构力学方法计算,次弯矩的计算结果见图3a,和次剪力的计算结果见图3b。

  3.8预应力框架主梁极限强度验算

  跨中截面抗弯承载力设计值除以承载力抗震。调整系数后为4617.7kN/m,大于跨中截面弯矩设计值2757.8kN/m;支座截面抗弯承载力设计值除以承载力抗震调整系数后为4321.2kN/m,大于支座截面弯矩设计值1419.4kN/m;支座截面抗剪承载力设计值除以承载力抗震调整系数后为1798.2kN,大于支座截面剪力设计值836kN。

3.9预应力框架主梁在使用阶段的抗裂验算及挠度控制

  当进行正截面抗裂验算时,支座截面的裂缝控制等级按二级(即一般要求不出现裂缝的构件)考虑。

在荷载效应的标准组合下满足:σck-σpc=2.1N/mm2  

  对中跨中截面,取楼板与腹板相交进行验算,计算公式相同,得:  

  在荷载效应的标准组合下,框架主梁的短期刚度βs=9.721×1014N/mm2,刚度β=Mk(中)βs/[ Mq(中)(θ-1)+ Mk(中)]=5.22×1014 N/mm2,采用结构力学的方法计算跨中的挠度f=42mm,f/LO=1/445,满足要求。

  3.10施工阶段的验算

  在施工阶段,框架主梁除承受结构自身重量以外,还承受施工活荷载,施工活荷载按2.0Kn/m2考虑,在结构计算中,仅考虑第一批预应力损失。经验算,满足规范对施工阶段不允许出现裂缝的预应力构件的应力控制要求。在对张拉端进行局部受压承载力的验算中,端部承压垫板厚度为20mm,采用200mm×200mm的正方形,并设置φ10的螺旋筋,内径180mm,以验算,局部受压满足要求。


  4张拉端节点构造处理


  预应力筋的孔道采用预埋φ70波纹管实现,预应力筋在梁内按束布置,张拉端采用OVM型夹片锚具系列,非张拉埋入端采用挤压锚具。张拉并灌浆完毕后,用C30混凝土进行封闭保护,为避免对原结构造成影响,采用外露式柱墩,见图4,混凝土接口应清理干净,并冲水润湿。为保证预应力筋的孔道可以顺利通过梁柱节点并准确定位,柱纵筋布置成双排,在满足规范要求的前提下,增大纵筋的间距。


  5结语


  综上所述,该综合楼通过以上多种结构的比较、分析与验算,最终采用大跨度后张法无粘结预应力框架主梁结构,既满足了业主的要求,为会议室兼小礼堂提供了无梁大空间,同时又符合结构设计经济实用的原则,因此其结构设计是科学和合理的。

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