大跨度有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力樓蓋框架主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張富祥

摘 要：本文結(jié)合工程實(shí)例和筆者多年設(shè)計(jì)實(shí)踐工作經(jīng)驗(yàn)，詳細(xì)探討了大跨度后張法有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力樓蓋框架梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中的主要設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算和強(qiáng)度驗(yàn)算，對(duì)張拉施工時(shí)預(yù)應(yīng)力的損失進(jìn)行了科學(xué)計(jì)算，確保了工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性和合理性，并對(duì)張拉端節(jié)點(diǎn)處理措施進(jìn)行了論述。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)方案； 框架主梁； 有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力； 節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

1 工程概況

某機(jī)關(guān)單位綜合辦公樓工程,共四層，為會(huì)議和辦公設(shè)施，總建筑面積為13000m2，其中會(huì)議室兼作小禮堂用，位于大樓四層左側(cè);建筑面積475m2，平面長(zhǎng)25m，寬19m，能容納250～300余人；綜合樓與相鄰建筑單體之間設(shè)置伸縮縫，采用大跨度混凝土框架結(jié)構(gòu)；其它跨度為19m，沿會(huì)議室方向與柱網(wǎng)正交。

2 建筑結(jié)構(gòu)方案的選擇

上述尺度的天面樓蓋結(jié)構(gòu)，可以采用多種樓蓋結(jié)構(gòu)方案，如型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土桁架結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、排架結(jié)構(gòu)（采用鋼筋混凝土柱和鋼屋架），普通鋼筋混凝土密肋梁板結(jié)構(gòu)等等。

在進(jìn)行天面樓蓋結(jié)構(gòu)方案比選時(shí)，首先考慮的是要滿足業(yè)主對(duì)使用功能的要求。該綜合樓與周邊辦公樓單體用伸縮縫分開，天面與周邊樓層的走廊相連，業(yè)主要求綜合樓的天面可作為職工休息時(shí)間的活動(dòng)場(chǎng)所。因此，不能采用較大的坡度的屋面形式，而且對(duì)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(jié)構(gòu)。

若采用普通鋼筋混凝土密肋梁板結(jié)構(gòu)，密肋次梁要沿會(huì)議室的方向密布，跨度為19m，為滿足撓度及裂縫寬度限值的要求，估算梁截面的高度達(dá)到1300mm，截面這么大的梁如此密布，不能滿足會(huì)議室內(nèi)部上空的美觀要求。同時(shí)，密肋次梁支承在兩端框架邊梁上，產(chǎn)生較大的扭矩和剪力，框架邊梁的抗剪扭能力很難滿足規(guī)范的要求。

如果采用型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)，屋面樓蓋采用壓型鋼板混凝土組合樓板，那么在結(jié)構(gòu)原理上，是比較合理的。但與采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，鋼材的使用量比較大，建筑成本較高。

綜合以上的分析，框架主梁采用后張法有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，框架主梁的截面為400mm×1200mm，采用鋼筋混凝土肋形梁板結(jié)構(gòu)，樓板厚度為100mm，梁、板的混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用C40，柱子采用普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，截面650mm×700mm，柱的混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用C30，在梁、柱節(jié)點(diǎn)處，混凝土強(qiáng)度等級(jí)按框架主梁采用C40。

3 有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力框架主梁的設(shè)計(jì)

3.1 荷載

作用于梁上的恒荷載包括梁板自重、面層及吊頂自重，活荷載按人群有可能密集的情況采用3.5kN/m2。梁上線荷載標(biāo)準(zhǔn)值共計(jì)69.4 kN/m線荷載設(shè)計(jì)值共計(jì)94.8 kN/m。由于該會(huì)議室周邊的均布置多層的辦公樓，對(duì)風(fēng)起了遮擋的作用，在結(jié)構(gòu)計(jì)算中可不考慮風(fēng)荷載。

3.2 設(shè)計(jì)基本參數(shù)

本建筑的設(shè)計(jì)使用年限為50年，建筑結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)為二級(jí)，抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，抗震等級(jí)為三級(jí)，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g，場(chǎng)地類別為Ⅲ類。

3.3 結(jié)構(gòu)受力計(jì)算

取一榀鋼架作為計(jì)算單元。在柱邊支座處，梁截面按矩形考慮，；在跨中，考慮樓板作為翼緣參與受力，梁截面按T形考慮。

3.4 材料的選用

框架主梁預(yù)應(yīng)力筋按雙束設(shè)置，按照拋物線線型設(shè)置，分為三段，反彎點(diǎn)設(shè)在離支座0.16Lo(Lo為梁計(jì)算跨度)處。預(yù)應(yīng)力筋采用低松弛高強(qiáng)度鋼絞線，每束采用6φj15.24，強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fptk=1860N/mm2，設(shè)計(jì)值fpy=1320N/mm2，張拉控制應(yīng)力為0.75，fptk=1395N/mm2。每束預(yù)應(yīng)力筋的張拉力P=6×139×1395=1163kN。錨具采用OVM錨具系列，一端張拉，張拉端分別設(shè)在梁的兩端。支座及跨中非預(yù)應(yīng)力筋均采HRB335級(jí)，直徑為25mm，通長(zhǎng)設(shè)置。

3.5 預(yù)應(yīng)力梁的驗(yàn)算

按照上述的配置進(jìn)行驗(yàn)算，得梁端的配筋強(qiáng)度比λ=0.681，小于規(guī)范要求的0.75；考慮受壓鋼筋的梁端相對(duì)受壓區(qū)高度為0.26，滿足規(guī)范不大于0.35的要求；底面和頂面縱向非預(yù)應(yīng)力鋼筋截面面積的比值為1.0，縱向受壓非預(yù)應(yīng)力鋼筋的配筋率為0.72%>0.2%，縱向受拉鋼筋按非預(yù)應(yīng)力鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值折算的配筋率為2.4%<2.5%，以上幾項(xiàng)均滿足規(guī)范的要求。

3.6 預(yù)應(yīng)力損失的計(jì)算

張拉端錨具變形和錨具內(nèi)縮引起的預(yù)應(yīng)力損失σ11=254.5N/mm2，預(yù)應(yīng)力鋼筋磨擦引起的預(yù)應(yīng)力損失σ12=382.1N/mm2，預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失σ14=48.8N/mm2，混凝土的收縮和徐變引起支座的預(yù)應(yīng)力損失σ15（支）=104.6N/mm2、跨在的預(yù)應(yīng)力損失σ15（中）=89.5N/mm2，兩束預(yù)應(yīng)力鋼筋采用一端張拉，并在兩端同時(shí)張拉，得：

支座第一批預(yù)應(yīng)力損失：σLI(支)=1/2（σ11+σ12）=318.3N/mm2；

跨中第一批預(yù)應(yīng)力損失: σLI(中)=1/2σLI(支)=191.1N/mm2；

支座第二批預(yù)應(yīng)力損失：σLII(支)=σ14+σ15（支）=153.4N/mm2；

跨中第二批預(yù)應(yīng)力損失: σLII(中)=σ14+σ15（中）=138.4N/mm2；

支座總預(yù)應(yīng)力損失：σL(支)=σLI（支）+σLII（支）=471.7N/mm2；

跨中總預(yù)應(yīng)力損失：σL(中)= σLI（中）+σLII（中）=329.4N/mm2；

支座有效預(yù)應(yīng)力：Pe(支)=6×139×（1395-471.7）=779kN。

3.7 內(nèi)力組合

后張法預(yù)應(yīng)力混凝土超靜定結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行正截面受彎承載力計(jì)算及抗裂驗(yàn)算時(shí)，在彎矩設(shè)計(jì)值中次彎矩應(yīng)參與組合；在進(jìn)行斜截面受剪承載力計(jì)算及抗裂驗(yàn)算時(shí)，在剪力設(shè)計(jì)值中次剪力應(yīng)參與組合。在對(duì)截面進(jìn)行受彎及受剪的抗裂驗(yàn)算時(shí)，當(dāng)參與組合的次彎矩、次剪力對(duì)結(jié)構(gòu)不利時(shí)，預(yù)應(yīng)力分項(xiàng)系數(shù)取1.2，有利時(shí)取1.0。次彎矩按下列公式計(jì)算：

M2=Mr-M1

M1=NP·epn

3.8 預(yù)應(yīng)力框架主梁極限強(qiáng)度驗(yàn)算

跨中截面抗彎承載力設(shè)計(jì)值除以承載力抗震。調(diào)整系數(shù)后為4617.7kN/m，大于跨中截面彎矩設(shè)計(jì)值2757.8kN/m；支座截面抗彎承載力設(shè)計(jì)值除以承載力抗震調(diào)整系數(shù)后為4321.2kN/m，大于支座截面彎矩設(shè)計(jì)值1419.4kN/m；支座截面抗剪承載力設(shè)計(jì)值除以承載力抗震調(diào)整系數(shù)后為1798.2kN，大于支座截面剪力設(shè)計(jì)值836kN。

3.9 預(yù)應(yīng)力框架主梁在使用階段的抗裂驗(yàn)算及撓度控制

當(dāng)進(jìn)行正截面抗裂驗(yàn)算時(shí)，支座截面的裂縫控制等級(jí)按二級(jí)（即一般要求不出現(xiàn)裂縫的構(gòu)件）考慮。在荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合下滿足：σck-σpc=2.1N/mm2對(duì)中跨中截面，取樓板與腹板相交進(jìn)行驗(yàn)算，計(jì)算公式相同，得：

在荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合下，框架主梁的短期剛度βs=9.721×1014N/mm2，剛度β=Mk(中)βs/[ Mq(中)(θ-1)+ Mk(中)]=5.22×1014 N/mm2，采用結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法計(jì)算跨中的撓度f(wàn)=42mm，f/LO=1/445，滿足要求。

3.10 施工階段的驗(yàn)算

在施工階段，框架主梁除承受結(jié)構(gòu)自身重量以外，還承受施工活荷載，施工活荷載按2.0Kn/m2考慮，在結(jié)構(gòu)計(jì)算中，僅考慮第一批預(yù)應(yīng)力損失。經(jīng)驗(yàn)算，滿足規(guī)范對(duì)施工階段不允許出現(xiàn)裂縫的預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的應(yīng)力控制要求。在對(duì)張拉端進(jìn)行局部受壓承載力的驗(yàn)算中，端部承壓墊板厚度為20mm，采用200mm×200mm的正方形，并設(shè)置φ10的螺旋筋，內(nèi)徑180mm，以驗(yàn)算，局部受壓滿足要求。

4 張拉端節(jié)點(diǎn)構(gòu)造處理

預(yù)應(yīng)力筋的孔道采用預(yù)埋φ70波紋管實(shí)現(xiàn)，預(yù)應(yīng)力筋在梁內(nèi)按束布置，張拉端采用OVM型夾片錨具系列，非張拉埋入端采用擠壓錨具。張拉并灌漿完畢后，用C30混凝土進(jìn)行封閉保護(hù)，為避免對(duì)原結(jié)構(gòu)造成影響，采用外露式柱墩，混凝土接口應(yīng)清理干凈，并沖水潤(rùn)濕。為保證預(yù)應(yīng)力筋的孔道可以順利通過梁柱節(jié)點(diǎn)并準(zhǔn)確定位，柱縱筋布置成雙排，在滿足規(guī)范要求的前提下，增大縱筋的間距。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，該綜合樓通過以上多種結(jié)構(gòu)的比較、分析與驗(yàn)算，最終采用大跨度后張法無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力框架主梁結(jié)構(gòu)，既滿足了業(yè)主的要求，為會(huì)議室兼小禮堂提供了無梁大空間，同時(shí)又符合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)實(shí)用的原則，因此其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是科學(xué)和合理的。

參考文獻(xiàn)

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