摘 要:根据实际工程的需要,采用有限单元法对结构的优选方案进行了计算分析,给出了各工况下结构上的应力和位移分布规律,分析结果表明,采用大跨度预应力混凝土楼盖主梁结构是经济合理的,能够满足工程要求。
关键词:预应力;主梁;有限元法;后张法
中图分类号:TU745.2
文献标识码:B
文章编号:1008-0422(2009)03-0128-02
1引言
随着我国建筑业的迅速发展,大跨度的预应力钢筋混凝土框架结构得到了广泛的应用。如何对预应力钢筋混凝土结构进行准确的受力分析?并为结构设计提供坚实的理论依据。各国学者进行了深入的研究,有限单元法的诞生,为解决这一问题提供了一条有效的途径[1]。
2结构方案的确定
2.1建筑方案
某单位四层附属综合办公楼工程,作为会议和办公设施。其中位于办公楼四层的会议室建筑面积518.7m2,平面长27.3m,宽19m,能容纳260～300余人。考虑到会议室的功能要求,应采用跨度为19m的大跨度框架梁楼盖结构。对于大跨度框架梁楼盖结构的选择,可以考虑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、普通钢筋混凝土密肋梁板结构等。
但在方案比选中考虑到:①业主要求综合楼的屋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。②若采用普通钢筋混凝土密肋梁板结构,跨度为19m,为满足挠度及裂缝宽度限值的要求,梁将具有很大的横截面高度,这就很难满足会议室内部上空的净高和美观要求。③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[2]。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,次梁的截面为300mm×600mm,楼板厚度为100mm,柱子采用普通钢筋混凝土结构,截面700mm×700mm,具体的结构布置及计算模型见图1。主、次梁、柱结点处混凝土强度等级采用C40,柱的混凝土强度等级采用C30。
2.2构造要求
框架主梁支座及跨中非预应力筋均采HRB335级,直径为25mm ,通长设置。预应力筋按双束设置,一端张拉,张拉端分别设在梁的两端。预应力筋的孔道采用预埋Φ70波纹管来实现,预应力筋在梁内按束布置,锚具采用OVM 锚具系列。张拉并灌浆完毕后,用C30混凝土进行封闭保护。为保证预应力筋的孔道可以顺利通过梁柱结点并准确定位,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[3]。
3结构计算模型
3.1单元选择
在对大跨度有粘结预应力混凝土楼盖主梁结构进行分析时,混凝土主梁、次梁、柱和楼面板采用8结点的等参块单元来模拟,预应力钢筋采用2结点的杆单元来模拟,由于模拟有粘结预应力钢筋,要求杆单元的结点位移同块单元结点位移协调,即两种单元共用结点。
3.2荷载与工况
作用在楼盖上的荷载包括自重(梁板自重、面层及吊顶自重),人群荷载取3.5kN/m2,地震作用。由于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7度,设计地震分组为第一组,抗震等级为三级,采用拟静力法计算,设计基本地震加速度为0.1g。
本设计和计算考虑如下3种工况:工况1,自重+预应力;工况2,自重+预应力+人群荷载;工况3,自重+预应力+人群荷载+地震作用。
3.3预应力损失计算
主梁预应力筋采用低松弛高强度钢绞线,每束钢绞线为6×7Φ15。强度标准值fptk=1860MPa,张拉控制应力σcon=0.75 fptk=1395MPa。主梁两束预应力钢筋采用一端张拉,其预应力损失分为两批,主梁各位置处预应力损失计算结果参见表1。
4计算成果分析
4.1应力分析
通过对该预应力混凝土楼盖结构的分析,得到了各工况下结构第四层主梁、次梁和楼板上的应力分布情况,其最大拉应力、最大压应力、最大剪应力值及所出现的位置如表2所示。
从表2可以看出,结构的最大拉应力出现在主梁上,虽然最大值达到了2.97MPa,但这只是出现在主梁下边缘非常小的局部范围内,结构主要部分的拉应力都在材料允许范围内。其最大压应力出现在主梁或次梁上,混凝土的抗压强度能够满足要求。并且,计算结果表明,地震作用对预应力混凝土楼盖主梁结构影响不大,而人群荷载对结构影响较大。
4.2变形分析
各工况下结构第四层的最大位移参见表3。
从表3可以看出,当预应力施加后,主梁出现了明显的反拱,反拱位移2.31mm。采用预应力钢筋混凝土主梁后,结构的挠度值很小,最大挠度出现在工况3下,为8.54mm。而《规范》规定[3],计算跨度l0>9m时,其挠度限值为l0/300=63.3mm。实际挠度远远小于规定的挠度限值,能够满足工程需要。
5结语
综上所述,通过结构分析,该综合办公楼采用大跨度后张法有粘结预应力混凝土楼盖主梁结构是科学合理的,这不仅满足了会议室兼小礼堂的大空间要求,同时又符合结构设计经济实用的原则。文中所采用的分析方法为大跨度预应力混凝土楼盖主梁结构的设计提供了可靠的理论基础。
该工程由湖南省第五工程公司承建,工程于2008年5月已竣工验收,目前使用效果良好,业主比较满意。
参考文献:
[1] 江见鲸,陆新征,叶列平.混凝土结构有限元分析[M].北京:清华大学出版社,2005.
[2] 过镇海,时旭东.钢筋混凝土原理和分析[M].北京:清华大学出版社,2005.
[3] GB50010-2002.混凝土结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.