預應力混凝土樓蓋主梁結構分析論文

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隨著我國建筑業的迅速發展,大跨度的預應力鋼筋混凝土框架結構得到了廣泛的應用。如何對預應力鋼筋混凝土結構進行準確的受力分析?并為結構設計提供堅實的理論依據。各國學者進行了深入的研究,有限單元法的誕生,為解決這一問題提供了一條有效的途徑[1]。

2結構方案的確定

2.1建筑方案

某單位四層附屬綜合辦公樓工程,作為會議和辦公設施。其中位于辦公樓四層的會議室建筑面積518.7m2,平面長27.3m,寬19m,能容納260～300余人。考慮到會議室的功能要求,應采用跨度為19m的大跨度框架梁樓蓋結構。對于大跨度框架梁樓蓋結構的選擇,可以考慮型鋼混凝土組合結構、鋼筋混凝土桁架結構、預應力鋼筋混凝土結構、普通鋼筋混凝土密肋梁板結構等。

但在方案比選中考慮到:①業主要求綜合樓的屋面可作為職工休息時間的活動場所,因此,不能采用較大的坡度的屋面形式。而且對受力主梁的撓度變形要求比較高,在這種情況下,就不能選用鋼筋混凝土桁架結構。②若采用普通鋼筋混凝土密肋梁板結構,跨度為19m,為滿足撓度及裂縫寬度限值的要求,梁將具有很大的橫截面高度,這就很難滿足會議室內部上空的凈高和美觀要求。③如果采用型鋼混凝土組合結構,屋面樓蓋采用壓型鋼板混凝土組合樓板,那么在結構原理上,是比較合理的。但與采用預應力鋼筋混凝土結構相比,鋼材的使用量比較大,建筑成本較高[2]。綜合以上的分析,框架主梁采用后張法有粘結預應力結構,框架主梁的截面為400mm×1200mm,次梁的截面為300mm×600mm,樓板厚度為100mm,柱子采用普通鋼筋混凝土結構,截面700mm×700mm,具體的結構布置及計算模型見圖1。主、次梁、柱結點處混凝土強度等級采用C40,柱的混凝土強度等級采用C30。

2.2構造要求

框架主梁支座及跨中非預應力筋均采HRB335級,直徑為25mm,通長設置。預應力筋按雙束設置,一端張拉,張拉端分別設在梁的兩端。預應力筋的孔道采用預埋Φ70波紋管來實現,預應力筋在梁內按束布置,錨具采用OVM錨具系列。張拉并灌漿完畢后,用C30混凝土進行封閉保護。為保證預應力筋的孔道可以順利通過梁柱結點并準確定位,柱縱筋布置成雙排,在滿足規范要求的前提下,增大縱筋的間距[3]。

3結構計算模型

3.1單元選擇

在對大跨度有粘結預應力混凝土樓蓋主梁結構進行分析時,混凝土主梁、次梁、柱和樓面板采用8結點的等參塊單元來模擬,預應力鋼筋采用2結點的桿單元來模擬,由于模擬有粘結預應力鋼筋,要求桿單元的結點位移同塊單元結點位移協調,即兩種單元共用結點。

3.2荷載與工況

作用在樓蓋上的荷載包括自重(梁板自重、面層及吊頂自重),人群荷載取3.5kN/m2,地震作用。由于建筑的設計使用年限為50年,建筑結構的安全等級為二級,抗震設防烈度為7度,設計地震分組為第一組,抗震等級為三級,采用擬靜力法計算,設計基本地震加速度為0.1g。

本設計和計算考慮如下3種工況:工況1,自重+預應力;工況2,自重+預應力+人群荷載;工況3,自重+預應力+人群荷載+地震作用。

3.3預應力損失計算

主梁預應力筋采用低松弛高強度鋼絞線,每束鋼絞線為6×7Φ15。強度標準值fptk=1860MPa,張拉控制應力σcon=0.75fptk=1395MPa。主梁兩束預應力鋼筋采用一端張拉,其預應力損失分為兩批,主梁各位置處預應力損失計算結果參見表1。

4計算成果分析

4.1應力分析

通過對該預應力混凝土樓蓋結構的分析,得到了各工況下結構第四層主梁、次梁和樓板上的應力分布情況,其最大拉應力、最大壓應力、最大剪應力值及所出現的位置如表2所示。

從表2可以看出,結構的最大拉應力出現在主梁上,雖然最大值達到了2.97MPa,但這只是出現在主梁下邊緣非常小的局部范圍內,結構主要部分的拉應力都在材料允許范圍內。其最大壓應力出現在主梁或次梁上,混凝土的抗壓強度能夠滿足要求。并且,計算結果表明,地震作用對預應力混凝土樓蓋主梁結構影響不大,而人群荷載對結構影響較大。

4.2變形分析

各工況下結構第四層的最大位移參見表3。

從表3可以看出,當預應力施加后,主梁出現了明顯的反拱,反拱位移2.31mm。采用預應力鋼筋混凝土主梁后,結構的撓度值很小,最大撓度出現在工況3下,為8.54mm。而《規范》規定[3],計算跨度l0>9m時,其撓度限值為l0/300=63.3mm。實際撓度遠遠小于規定的撓度限值,能夠滿足工程需要。

5結語

綜上所述,通過結構分析,該綜合辦公樓采用大跨度后張法有粘結預應力混凝土樓蓋主梁結構是科學合理的,這不僅滿足了會議室兼小禮堂的大空間要求,同時又符合結構設計經濟實用的原則。文中所采用的分析方法為大跨度預應力混凝土樓蓋主梁結構的設計提供了可靠的理論基礎。

該工程由湖南省第五工程公司承建,工程于2008年5月已竣工驗收,目前使用效果良好,業主比較滿意。

參考文獻:

[1]江見鯨,陸新征,葉列平.混凝土結構有限元分析[M].北京:清華大學出版社,2005.

[2]過鎮海,時旭東.鋼筋混凝土原理和分析[M].北京:清華大學出版社,2005.

[3]GB50010-2002.混凝土結構設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2002.

摘要:根據實際工程的需要,采用有限單元法對結構的優選方案進行了計算分析,給出了各工況下結構上的應力和位移分布規律,分析結果表明,采用大跨度預應力混凝土樓蓋主梁結構是經濟合理的,能夠滿足工程要求。

關鍵詞:預應力;主梁;有限元法;后張法