【推荐】正佳商业广场预应力转换大梁结构设计与分析.doc

正佳商业广场预应力转换大梁结构设计与分析正佳商业广场lI建筑设计预应力转换大梁结构设计与分析广州市设计院梁炳南一,工程概况正佳商业广场为地上5层,地下2层的超大型商业建筑,其平面尺寸达221mx232m,采用钢筋混凝土框架结构.其中地下1层为大货车车库,考虑大货车的回转半径,该层必须采H】大空间设计.而上部商场则不需大空间,故在首层楼面设置结构转换大梁,跨度18.5m,建筑层高5.5m为了满足建筑净空和设备管道安装要求,并减小梁的挠度和提高抗裂性能,转换大梁采用了后张法有粘结预应力技术,梁截面为1200x2200/l700/2200预应力钢筋采用高强低松弛钢绞线,其强度等级为1860MPa.c""cBf_.:1.:=:jlrL:?'.1lClYIGIftr(120ox2207)T'.Ils,003500圈1曹层结构局部平面图J二,结构设计与分析1,梁刚度对结构内力的影响一般而吉,带转换层的框架结构转换大梁不可能设计得刚度过大,因转换大梁变形产生的跨中挠度会使立柱底部产生较大的竖向位移,故带转换层的框架结构其内力分伽与普通框架结构有着显着别,普通框架结构存竖向简载作胴下梁刚度和简载布置对相邻【下层梁内力分布的影响很小,带转换层的框架结卡勾则由丁立仕底部竖向位移的仔在使得框架成为一空问结构体系,转换大梁及其上部各层梁的内力分布不仅与本层梁的刚度和荷载分布有关,还与上下层粱的刚度比和梁柱刚度比等有着密切关系:转换大梁的刚度越大,立柱底部的竖向位移越小,其支承作用越明显,转换大梁承担的上部荷载越大,上部框架内力分布就越接近普通框架结构:反之,立柱底部竖向位移越大,转换大梁承担的l部衙载越小,上部各层竖向荷载较人一部分通过框架梁传到两边柱l,上部框架结构内力分布与普通框架结构的区别也就越大一以本T程为例,图2(a)是恒载作用下(未号虑构件自重)各层梁的弯矩分布罔,从中不难发现其内力分布与普通框架结构的I剔,住首层梁支座甚至m现正弯矩.由于转换大梁采用有粘结预应力技术,施加预应力可使梁的挠度显着减小.其作J+】等效于提高转换大梁的刚度,相当于改变了转换大梁与上部各层梁的弹性刚度比值一正常使用阶段,转换大梁和上部各层梁不同程度地进入塑性阶段,即刚度发生退化,而柱一般为小偏心受压构件,仍处于弹性或准弹性阶段.因此转换大梁2面1r建筑设计_419j删1一136一177574-4633553.388.I58一73299.i377".33.278A:挪j399.32】O98.4删姗.5997l7&3.52柏18一一48320转换集800x220Q4'0Q,22T39.9枷&7I11旺c.9W1356l3874.2162-474.9獬j堋.31.8-253,.跏,-26485j.578.:3490373I70.3坍1.3708'.5613.5一一转换粱l200】(220Q170200412.1352-169.C62,4-439.9302-421.-80.7.21鼬687一652姗一383.33.5251.:7加"32933】"849.9n9036"1656一3655.0_42419j一转换蘩soox22ooA'0407?.5一l24j.】78.-:45o.1305j-462.7-.6322373.6,-479.5320.3_562.I-8.72刀.-7670删】53309034.6169337222_4,一一'465转换集600x220700/22(b)r(c)(d)图2不同的梁宽对内力分布的影响与上部各层梁的刚度比以及梁柱刚度比也随之改变,从而导致转换大粱与上部各层粱内力分布的变化,而目前的分析手段都是按弹性方法进行整体计算的.由于转换大粱是整个结构中最重要的构件.因此有必要对该影响程度有一充分的了解和估计,以确保结构安全可靠.鉴于活荷载施加的不确定性,整体全过程弹塑性分析也无法实现.因此进行几个方案的模拟计算以估计其偏离程度.其结果如图2所示罔中(a)一(d)均为恒载作用下的梁弯矩分布图(弹性计算),为了避免粱自重不同而对计算结果产生影响,在模拟计算中设构件白重为零.其中(a)为按本工程实际截面输入的计算结果;(b)为增大转换大梁截面宽度,上部各层粱按实际输入的计算结果,以模拟施加预应力后转换大梁刚度的改变对结构内力分布的影响:(c)为减小上部各层梁截面宽度的计算结果.以模拟仅上部各层梁进入塑性阶段后刚度降低对结构内力分布的影响;(d)为减小转换大梁和上部各层粱截面宽度(取不同比例)的计算结果,以模拟转换大梁和上部各层梁进入塑性阶段后刚度降低对结构内力分布的影响从计算结果可以看出,采用不同的刚度的计算结果与弹性计算结果偏离不会太大.一般在20%以内,因此在实际丁程中往往可以根据弹性整体分析结果进行截面设计,其原因如下:各构件刚度比的改变对内力不会造成太大的影响:T程设计巾构件实际极限承载力与计算结果相比会有一定富余量;整体结构是一个多次超静定结构体系,进入塑性阶段后混凝土结构本身具有一定的内力调整能力,即通过塑性变形进行内力重分布.需说明的是,由于转换大梁是最重要的结构构件,为了避免其过早进入塑性阶段,截面设计时应考虑一定的安全储备,尤其对跨中截面MflM更应加以重视,建议控制在1.2左右.其中M应包括次弯矩在内的弯矩设计值,以确保跨中不出现塑性绞.2,裂缝宽度及挠度作为大型商业建筑,其活荷载所占的比例一般约20%,因此本工程控制预应力度入=0.60.7按混凝土结构设计规范(GBJ1089)的公式(因本工程设计时GB500102002尚未实施)进行抗裂验算.由于GBJ1089规范对裂缝控制较严格.故当裂缝控制等级为二级时,要求d=0.5,但在实际工程设计中很难满足这一要求.根据其它工程实践经验,在裂缝验算时将裂缝控制等级适当放宽.即允许出现裂缝但控制其宽度0.1mmGB500102002规范对预应力混凝土结构的裂缝控制作出了调整,即裂缝控制等级为级时最大裂缝宽度限值为0.2ram.笔者认为对于转换层预应力梁.其裂缝控制值可定得稍严如控制在0.1mm内.以避免转换层预应力粱在正常使用阶段出现可见微小裂缝而带来一定的负面影响,尤其对于特别重要或者较高的建筑更应严格控制其裂缝宽度对于单个构件的挠度计算方法及计算公式.规范也作出了明确规定,而对于这种空问受力结构的挠度计算方法规范中并未作出明确规定.显然采用全过程弹塑性分析可以得jJ较准确的计算结果,但就目前的分析手段在实际T程设计中运用并不现实,为此需进行一定的简化处理.转换大粱的挠度主要与转换大梁本身的刚度互相邻两层柱的刚度有关,而受其它层粱,柱刚度的影响则很小,可忽略不计.转换大粱长期刚度与弹性刚度的比值可根据规范计算,而整体分析可计算出梁的弹性挠度,将弹性挠度乘以长期刚度与弹性刚度的比值就可作为转换大梁的挠度近似值,能满足工程设计要求3,预应力损失本工程18.5m跨预应力梁采用预应力折线筋,由于转角较大(最大0=8.6.),使得摩擦引起的预应力损失,盯.也较大,为了减小损失值,在实际工程中可以采用两端张拉又增加一次由于锚具变形产生的预应力损失盯但必须通过计算比较才决定采用哪种张拉方式.因此对这两种方案的预应力损失盯盯.进行了详细计算,其结果见表1.圈3预应力筋布筋剖面示意图表1预应力损失值对比计算结果表明.由于本工程预应力筋长度较小,故采用两端张拉反而会增加预应力损失.因此设计中采用一端张拉,以减少施工T序.三,预应力结构设计的几个问题探讨与GBJ1089规范相比.新的混凝土结构设计规范(GB500102002)对预应力部分作了较大的修改调整,笔者根据对规范的理解.对以下几个问题进行初步探讨,以供参考.1,界限受压区高度(与GBJ1089规范相比.GB500102002规范对于界限受压区高度'计算公式7.1.43中分母增加了一项(0.002/e.),即考虑0.2%的残余变形,而预应力筋应力计算公式7.1.52中又未体现该残余变形值,二者出现矛盾,即以x=(h.式7.1.52中计算得的应力盯,若去掉公式7.1-43中的(0.002/e)则盯.笔者认为0.2%的残余变形实际上在张拉过程中已完成,设计中不宜再作考虑建筑设计2,次内力在实际T程中静定预应力结构是较为少见的.一般均为超静定结构,对于预应力构件会产生次内力(次弯矩,次剪力,次轴力),GB500102002规范已明确规定次弯矩和次剪力应参与内力组合,并区分对结构有利或不利而采用不同的分项系数,但对于次轴力则未作出明确规定.由于柱(或剪力墙)的侧向约束中存在次轴力.且一般为拉力,当预应力梁跨数较多,柱侧向约束刚度与梁的轴向刚度之比不能忽略时.施加预应力必将对梁产生较大的拉力,若仍按受弯构件进行截面设计则会偏于不安全,对于多跨连续预应力梁的中间几跨尤其应考虑次轴力的不利影响3,预留孔道水平净距GB500102002规范对框架梁预留孑L道的水平净距作出了更为严格的规定.即水平净距不应小于1.5倍孑L道外径,这给设计及施工带来了一定困难,如梁宽为600(800)mm时最多能预留290(39O)孔道,要满足要求只有2个途径.即增大梁宽或布置多排预应力钢筋.对于大跨度结构而肓,梁白重产生的内力比例较大.增大梁宽较不经济.故一般不采取该法.而布置多排预应力筋将降低内排预应力筋的h其界限受压区高度Xb也相应减小,当梁弯矩较大时为满足XX就必须增加受压区的普通钢筋.笔者认为预留孑L道水平净距可适当减少,因预应力筋水平之问的挤压作用很小.反而竖向净距应适当加大或采取有效构造措施,以避免外排预应力筋在张拉过程中压碎内排预留孑L道.对于多排折线预应力筋尤其应引起设计人员的注意.四,小结采用预应力转换梁作为大跨度转换层结构,是一种较理想的结构型式,技术可行,且经济合理.转换层结构是一种空间结构体系.其内力分布与无转换层的结构有很大别.不同的刚度比会影响上下各层梁的内力分布.但偏离程度不大.按整体弹性计算结果是可以作为设计依据的.在转换梁截面设计时应考虑一定的富余量,以避免转换大梁过早进入塑性阶段.当预应力筋较短时.应采用一端张拉的方式施加预应力.以减少施工T序