成鐵工程文化活動樓預(yù)應(yīng)力技術(shù)的設(shè)計研究

來源:網(wǎng)絡(luò)發(fā)布時間:2010-01-18

本工程位于成都市西北橋成都鐵路局工程總公司辦公樓的側(cè)面。主體建筑A區(qū)平面尺寸分別:30.8m×25.2m,柱網(wǎng)開間為7m,跨度分別為5.1、9.3、7.2m.建筑總高度地上23.7m,地上7層,1、2層為客房,3、4層為辦公用房,5層為健身、棋牌活動用房,6層為檔案室,7層為大會議室,地下室用于停放自行車。
  A區(qū)主體結(jié)構(gòu)型式為縱向框架、橫向板柱結(jié)構(gòu),后張高效預(yù)應(yīng)力混凝土樓屋蓋,預(yù)應(yīng)力筋采用無粘結(jié)筋。L~7層樓面設(shè)預(yù)應(yīng)力縱向框架扁梁,每跨跨度為7m,斷面尺寸為1200mm×400mm、800mm×400mm、600mm×400mm三種,樓面板為無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力板,厚度為230mm,板跨度分別為5.1、9.3、7.2m,屋面為無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力正交網(wǎng)格梁,柱網(wǎng)為21.6m×2lm,梁斷面為300mm×1100mm,網(wǎng)格尺寸為2.33m×2.40mm,屋面板為普通鋼筋混凝土板,板厚為80mm. 
  1結(jié)構(gòu)方案的研究
  1.1初設(shè)階段由于建設(shè)方要求建筑總高度不超過24m及樓層總數(shù)不少于7層,若采用普通混凝土結(jié)構(gòu),跨度為9.3m的框架梁斷面高度需900mm左右,3至6層層高為3.3m的無隔墻大間空僅為3.3-0.9=2.4m,房間凈空很低,效果很差,7層大會議室更無法使用,建筑方案不能實施。預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)由于能有效地降低結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面高度,增加室內(nèi)凈空,起到在凈空不變的情況下降低層高的作用。經(jīng)多方案比選論證,最后決定采用高效預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。
  1.2施設(shè)階段
  3.2.1預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的選擇目前普遍采用的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)有無梁樓蓋和有梁樓蓋兩種。無梁樓蓋有其頂棚平整、降低層高、易于布設(shè)管道等優(yōu)點,但由于該工程跨度分別為5.1m、9.3m、7.2m,跨度變化較大,樓板與框架柱節(jié)點處的較大彎矩使得樓板的抗沖切較難滿足。若為了滿足樓板的抗沖切要求,需在柱頂加板托,這樣在柱頂局部范圍出現(xiàn)一個“墩子”,影響不準備設(shè)吊頂?shù)目头棵烙^。因此,決定采用有梁樓蓋。
  1.2.2樓蓋預(yù)應(yīng)力框架梁的設(shè)置由于客房管道井的影響,不能在橫向設(shè)預(yù)應(yīng)力框架扁梁,因此該工程僅縱向設(shè)預(yù)應(yīng)力框架扁梁,跨度為7m,5.1m、9.3m、7.2m跨度的板將荷載直接傳給縱向預(yù)應(yīng)力框架扁梁,橫向的風、地震等水平荷載在樓板內(nèi)引起的內(nèi)力,主要由配置在柱上預(yù)應(yīng)力板帶內(nèi)的普通鋼筋承受。
  1.2.3該結(jié)構(gòu)方案優(yōu)點
  ①由于采用了預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu),降低了結(jié)構(gòu)的斷面高度,在保證室內(nèi)凈空的條件下,有效地降低樓層高度,同樣總建筑高度下比采用普通混凝土結(jié)構(gòu)多修了一層(采用普通混凝土結(jié)構(gòu)由于凈空原因只能修六層),為建設(shè)方多爭取了一層的建筑面積,取得了很好的效益。
  ②荷載傳力路線為:樓板一縱向預(yù)應(yīng)力框架梁一框架柱一基礎(chǔ),結(jié)構(gòu)受力明確,無多余的傳力過程。
  ③由于僅縱向設(shè)預(yù)應(yīng)力框架梁,給暖通、給排水、電力管道(線)布置提供了有利條件,減少了暖通、給排水、電力專業(yè)的設(shè)計難度。
  2框架結(jié)構(gòu)計算
  2.1基本參數(shù)①抗震設(shè)防7度,抗震等級三級②場地土類別:二類場地土③混凝土:C40④樓、屋面活荷載標準值(kN/㎡)
  健身、棋牌活動室:2,檔案室:3不上人屋面:0.7,上人屋面:1.5客房、辦公室、大會議室:2⑤梁、板裂縫控制等級為二級⑥結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算方法:采用PKPM程序進行計算
  2.2框架梁參數(shù)梁設(shè)計以D軸六層框架為例,梁內(nèi)布置14根d=15mm無粘預(yù)應(yīng)力鋼絞線( ptk=1570N/m㎡),支座及跨中均布置8Ф22普通鋼筋。無粘結(jié)筋張拉控制應(yīng)力бcon=0.7×1570=1100N/m㎡,扣除全部損失后預(yù)應(yīng)力筋的有效應(yīng)力бpe=814N/m㎡.扁梁截面1200×400,翼緣板寬取2300,截面積A=0.733㎡,慣性矩T=0.00871m4,形心位置y1=0.17lm,y2=0.229m.
  2.3結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析結(jié)果荷載作用下彎矩包絡(luò)圖,預(yù)應(yīng)力等效荷載綜合彎矩圖。
  2.4框架梁正截面抗裂度驗算
  2.4.1混凝土受拉區(qū)容許拉應(yīng)力荷載短期效應(yīng)組合0.6γ tk=2580kN/㎡,荷載長期效應(yīng)組合0.25γ tk=1070kN/㎡ 
  2.4.2支座截面抗裂度Npe=1584kN,預(yù)應(yīng)力綜合彎矩Mp=272kN—m荷載短期效應(yīng)組合彎矩Ms=497.5kN-m,σsc=(Ms—Mp)y1/I—Npe/A=2266<2580kN/㎡荷載長期效應(yīng)組合彎矩M1=439.8kN—m,σ1c=(M1一Mp)y1/I—Npe/A=l133kN/㎡(相對誤差為(1133—1070)/1070=5.9%,可)
  2.4.3跨中截面抗裂度Npe=1584kN,Mp=179.6kN—m,Ms=265.3kN—m,σsc=92<2580kN/㎡M1=234.4kN—m,σ1c=—718kN/㎡(受壓)
  2.5框架梁正截面強度驗算
  2.5.1無粘筋應(yīng)力設(shè)計值hp=400—60=340mm配筋指標βo=(Ap6pe十A sy)/(cmbh p)
  =0.288<0.45應(yīng)力設(shè)計值6p=[σpe十(500—770βo)]/1.2=910N/m㎡ 
  2.5.2支座截面強度驗算次彎矩Mc=96.2kN—m,設(shè)計彎矩M‘=M—Mc=544.8kN—m,χ=(A pбp十A s?y—A s?y)/(b?㎝)=69mm,承載力Mu=85l>M’=544.8kN—m,開裂彎矩Mcr=Mp十(Npe/A十γ?tk)W=600KN—m<mu=85lkN—m(可)
  2.5.3跨中裁面強度驗算Mc=—88kN—m,M‘=411.5kN—m,χ=4lmm,Mu=851>M’=411.5,Mcr=425<Mu=85l(可)
  3樓面板設(shè)計
  樓板設(shè)計以五層樓面為例,板厚h=230mm,預(yù)應(yīng)力筋采用7Ф?5平行鋼絲束(?ptk=1570N/m㎡),間距為260mm,6con=0.7×1570=1100N/m㎡,扣除全部損失后有效應(yīng)力6pe=901N/m㎡.普通鋼筋(二級鋼)板底通長Ф12@200板面支座負筋Ф12@150. 
  3.1計算簡圖及預(yù)應(yīng)力筋布置
  (a)板豎向荷載計算簡圖,kPa;(b)板恒載彎矩圖,kN·m; 扳活載彎矩包絡(luò)圖,kN·m;(d)板預(yù)應(yīng)力筋布置;(e)綜合彎矩圖,kN·m;(f)板活載彎矩包絡(luò)固,kN·m板截面參數(shù):A=0.805m2,I=0.00355m4
  3.2板內(nèi)力分析結(jié)果
  為方便內(nèi)力組合及配筋計算,在對樓面恒活載內(nèi)力分析時,板計算寬度取3.5m,與地震荷載內(nèi)力分析時等寬度。
  3.3板正截面抗裂度驗算
  3.3.1混凝土受拉區(qū)容許應(yīng)力同梁
  3.3.2截面抗裂度Ap=1871mm2,Npe=1686kN,M活=54.1kN—m’預(yù)應(yīng)力綜合彎矩與恒載彎矩相互抵消,則бsc=My/I-Npe/A=—342kN/㎡(受壓),б1c=0.4My/I—Npe/A=—1393kN/㎡(受壓)
  3.4正截面強度驗算(無地震組臺)
  3.4.1無粘結(jié)筋應(yīng)力設(shè)計值
  平均6p=(бpl十бp2十бp3十бp4)/5=958N/mm2 
  3.4.2支座截面強度驗算Mc=35.9kN—m,M‘=254.9kN—m,χ=35mm Mn=484>M’=254.9,Mcr=376<Mu=484(可)
  3.4.3跨中截面強度驗算
  3.5正截面強度驗算(有地震組合)
  3.5.1邊支座χ=12.4mm,Mu=125>M‘=71.8kN—mб
  3.5.2中支座M’=236Kn-m<無地震組合的M‘=254.9)
  承載力驗算不起控制作用。
  4結(jié)語

  4.1預(yù)應(yīng)力度與抗裂度
  根據(jù)目前的國內(nèi)設(shè)計規(guī)范,無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)一般按二級抗裂度控制。預(yù)應(yīng)力度偏高,有時反向應(yīng)力較高往往不利于早期裂縫控制,也不利于抗震耗能。如果為了降低預(yù)應(yīng)力度而增加普通鋼筋,則總用鋼量增大,總體上看不經(jīng)濟,表明大多情況下樓蓋結(jié)構(gòu)按二級抗裂度設(shè)計偏嚴。建議適當放寬混凝土受拉允許應(yīng)力,例如:拉應(yīng)力限制系數(shù)бcts由0.6放寬為0.8~1.0,αctl由0.25放寬為0.4~0.5.這方面還有待進一步研究。
  4.2實踐與展望
本工程于1998年上半年完成設(shè)計,1999年底竣工。實踐證明這種結(jié)構(gòu)具有節(jié)約鋼材、減輕自重、改善建筑使用功能和結(jié)構(gòu)受力性能、增大室內(nèi)空間、提高容積率、綜合經(jīng)濟效果好等優(yōu)點,值得大力推廣。可以相信,21世紀的預(yù)應(yīng)力技術(shù)將更加普及和全面發(fā)展!
 

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