大跨度预应力L型板的设计
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2007年01月24日 14:45:00
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大跨度预应力L型板的设计 周伟明1.概况在目前竞争激烈的房地产市场中,住房设计中出现了“弹性开间”的设计概念,即除了厨厕 下水管的局限外,房间的间隔可以随业主的喜好任意布置,这就给了结构设计人员一个全新 的课题。目前,真正能满足“弹性开间”性能的 就只有预应力无梁平板的结构型式,事实 证明,引入预应力无梁平板设计,不但能很好地满足“弹性开间”的要求,而且还相当经济 实用,同时,其结构的抗震性能亦相当不错。


大跨度预应力L型板的设计

周伟明

1.概况
在目前竞争激烈的房地产市场中,住房设计中出现了“弹性开间”的设计概念,即除了厨厕 下水管的局限外,房间的间隔可以随业主的喜好任意布置,这就给了结构设计人员一个全新 的课题。目前,真正能满足“弹性开间”性能的 就只有预应力无梁平板的结构型式,事实 证明,引入预应力无梁平板设计,不但能很好地满足“弹性开间”的要求,而且还相当经济 实用,同时,其结构的抗震性能亦相当不错。

高层井字型住宅结构,具有通风、采光好、布局紧凑、实用率高的特点,但往往出现L型的开间单元,如厅、房中有梁穿过,影响使用,因此纵向取消框架梁,用暗梁代替,这样就出现了设计难度较大的预应力L型板,本文着重阐述这种典型的L型板设计。

2.荷载计算

采用预应力大板结构,分隔墙可以在板上任意布置,具有不确定性,因此可将间墙荷载折算 成面荷载按均布考虑。

恒载:板自重(厚160)0.16×25=4.0kN/m2。装饰层(找平、装修等)1.25kN/m2。

间墙折算重量3.0kN/m2。

活载:设计值q=1.2×(4+1.25+3.0)+1.4×1.5=12kN/m2

3.L型板的受力特点

L型板的内力不能由现成的图表中查得,可以用有限元程序或其它近似方法计算得到,本文 采用通用程序TBSA计算,具体是将板块划分成一定数量的板梁(梁高取板厚),考虑其空间变形协调计算。这样的结果对设计有足够的精度。

板的内力具有如下特点:

3.1.考虑边梁对板的实际支承,由于梁板刚度比较大,梁对板的约束是比较明显的,设计时可考虑梁对板有弹性嵌固作用,梁考虑抗扭作用;

3.2.对于A、B区板,与其它四边支承板相似,板的最大内力仍然是在板的跨中板带部分( 正负弯矩都较大);

3.3.在凹角部位,板的X和Y向的负弯矩都很大,出现峰值;

3.4.沿11轴的柱上板带(暗梁),受力特点与明梁类似,但弯矩值小得多。A、B区板的柱上 板带上X向的弯矩都很小,接近简支情况。

4.板配筋计算

4.1预应力筋的配筋:

4.1.1预应力设计思想:配置曲线预应力筋,张拉使其产生与外荷载作用相反的等效荷载, 以平衡外荷载作用,这样,板所受的净荷载(外荷载-等效荷载)数值就变得很小,板的弯曲 、变形也就很小,再配置适量的非预应力筋,使其满足正常使用极限状态和极限能力极限状 态的各项要求。预应力筋采用高强度低松驰钢绞线fptk=1860N/mm2,单根预应力面积 Ap=140mm2。预应力筋的张拉控制应力0.75fptk。扣除预应力损失后,预应力筋的有效预 应力强度通常取σpe=1150N/mm2。

4.1.2预应力等效荷载的基本原理:如(图2)所示,预应力筋在板内采用二次抛物线布置,预 应力筋的曲线方程为:y=4f[x/L-(x/L)2],对方程求导,可求出曲线的斜率为y’=tanθ=4f/L(1-2x/L)。曲线的曲率为y”=tanφ=-8f/L2(1)。由于预应力束呈抛物 线布 置,当向预应力束施加一个有效的张拉力Npe时,预应力束对混凝土产生了一个向上的力, 其方向垂直于预应力束的斜度θ,大小为P×y”×COSθ,当θ很小时,COSθ≈1,代入(1) 式,可得其单位长度的数值为:q=8Npef/L2(2)。其中预应力筋曲线的垂度f=160-40-40=80mm。(保护层为40)。

4.1.3预应力筋的配筋计算:采用双向布置预应力筋,令其产生的等效荷载平衡75%的恒荷 载,即qAX+qAY=6kN/m2,按照以跨度的平方来分配荷载的原则,qAX+ qAY=(LAX/LAY)2得qAX=3.5kN/m2,qAY=2.5kN/m2, 同理可得qBX=3.5kN/m2,qBY=2.5kN/m2,代入(2)式可求得需要施加的预 拉应力Npe=qL2/8f,从而可得需要配的预应力筋面积Ap=Npe/σpe (σpe为有效预应力)。

同理,在11轴纵向集中布置预应力束,令其产生的等效荷载平衡A、B板传来的75%的恒载(支 座反力),即:q=qAXLAX/2+qBXLBX/2。其需要配置的预应力筋为 :Ap=(qAXLAX/2+qBXLBX/2)LBY2/8fσpe。

根据上述计算原则,可得整块板的预应力筋的配筋图。采用上述配筋后,预应力板的名义拉 应力为4.1N/m2,混凝土拉应力限制系数αct=1.0。

4.2非预应力筋设计:根据国家规范,构件的配筋均是由承载力极限状态计算确定,同时要 考虑预应力筋和非预应力筋的共同作用,由《混凝土结构的设计规范》4.1.5条,式(4.1. 5-1)和(4.1.5-2)可推导出预应力板的截面受压区高度和配筋,推导过程略。X=h0-(h0 2-2M/fcmb)1-2。As=(fcmbX-fpyAp)/fy

5.柱上板带设置暗梁

由于在11轴处将框架梁取消,为更好地将水平力(风、地震作用)传递,在柱上板带设置暗梁 ,暗梁尺寸为1500x160mm,在本梁带内由全部水平力和不小于15%竖向荷载的所产生的弯矩 由非预应力钢筋承担。

6.结语

采用“一户一板以”型的预应力L型设计,由于可以保留板边框梁及与核心筒体连接的 框梁 ,使整个结构有较好的抗震性能。L型大跨度预应力板的应用,使建筑布置灵活方便,最大 限度地满足了各种不同的使用功能的要求。同时,由于采用平板结构,大大简化了模板工程 和钢筋工程,所以施工速度和施工质量都得到了很大的提高。这是一种值得推广的新型技术 。

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