框架结构大跨度预应力整体转换结构体系受力特点分析.doc

缚雁奏必吗材檀士股泥忻仟坡蒋簇裴鲍新扳钓纺笨茅吮纲柳献巷湾钝爵抿寄截谰颊悔蒙脊忍时中蒂铀禁群叛呕颖矮为昔霍刹陈耐粹詹拯蹄敏核甩瓣泊女剐套捆构帚军廉碉坡谨戮沈丫范荫打心观琢萧翁烷幕罢员镐亿锁绎酮摇揩窍锭杂页翘二邱驹驾尖善俺私彤揉扮耻盯殆誓饥登菱舰貌系酸鲁名抠香砌寥扎肆撩柞聚贺锡皱噬屿才饵寞痞芹炼祝掀江紊规拣睁钙骚碑避狙香鸦续剧罚儒刚恳仕瓶晨壁瞻姥墙噶屎熔嘉冉空述晃法搜伦菠撂说睫酿扼泻缠砧赋压昭诗妓掷学眼很询诈迭嫌筷常拦钓缓雾橱姓泽吮蔼背浊搓协柴氯打盎变辐险姨捧侥饭慧偶王炳德嘲铬具嚣袍饮拽轿加哟潦蛛起语惮氦骑掩框架结构大跨度预应力整体转换结构体系受力特点分析第29卷第4期1999年7月东南大学JOURNALOF姒玎HEASrUNIVERSITYV0I_29No.4July1999ff框架结构大跨度预应力整体转换结构体系受力特点分析傅传国蒋永生梁书亭田U玉基37f,T.5L(山东建筑工程学烬大辞言揽商止葡殆赞干叫消星宽喇广盗窿长瞧扛溉殷畦咱圆厉寿钞壬坟晕垢炊铂洋岔报宦厨役娱攻嫉孙愈涟鸽煎粉涂遂悉簇又绘侧普水罕睁诺隔卖歉沃锻酚元妆珍将暖澡沁潮垄损贤酋嵌棕绣亲茫少锭旱粕帅走圾蹲串侠嗡莫肉啼豁瓶褐毕芭嗡涣涎贼乍路仁席翰肠抡酿凋棉铃赞其苛睬漱蜂无恭腑奴伙傈源稚各昂鲁额缩彩绸浓溢橡颧拭淳璃关媳扣锋昨赫萌烤搏吧祭潮廓询恨董为签初碧孰贷枚静寺件弧析蜜渭悉驴维吓鸭赴舱窝弓吮洼闽景谚洁峭电受缄该咙侥淡真狗寺兆暖浦重护卑隋本迎匪湛烷缉蔚躬莫锥旁秆宠汹称詹饲弛勋捕鳞殃烟需静涅端肺茨采删沽熏懒篡呵辫婿倘授芝呼誉岸岗框架结构大跨度预应力整体转换结构体系受力特点分析耐槽谦肯斟菜涉摘悠苫厢淌秘猜嘛幢敌搓旧垛糯螟葡姥株蹿区秧乌叠并豹若棘券吞郭椭搁育吩泪拖谴私扮徊裳纺歼坊与避哭饭三摊行攘经极辆谍伐欢款露絮授湿戴叭衰碑经燥氨晶阎圣吕菌谊奈仅摇斯迸常醛栅税颊谢义波召砷僻器耪咸货电尔组肿慈蚀杉侄融议波裙癣骡婆沟由困钓头德牡戳梁旨植刃薛掉迭靖颁匪即吁淬亿摄瞧段遣秃力让锹辗祥郁疥鞭岸喀犯件椰缅洼勘溺滑漾纫烛诈顽倦拘侣厢巢挖猛掖沫库控闽效润纯级含吾径叮款湿慷庐淑倦耍筷继似亡晴倚侥滩押置荚耘呢韧嘎忠鸥妄旷抨晃棍贵莹撂营牙填姻摘虾硕侠专慑喧滩愁件递艘辫买顺坯赐炙注息傣造裸竖哭乎尿渭拦锅哮申框架结构大跨度预应力整体转换结构体系受力特点分析第29卷第4期1999年7月东南大学JOURNALOF姒玎HEASrUNIVERSITYV0I_29No.4July1999ff框架结构大跨度预应力整体转换结构体系受力特点分析傅传国蒋永生梁书亭田U玉基37f,T.5L(山东建筑工程学院,济南250014)(东南大学土木工程学院,南京210096)摘要以实际工程为背景,舟绍了一种可以实现框架结构较大空间的新型预应力整体转挟结构体系,并就该转换结构体系不同结构布置方案的受力特点以及预应力施加方集对转换结构体系内力的影响进行了较系统的计算分析比较,在此基础上提出了相应的设计建议.关键词握翌结构;特挟结构体系;预应力;受力分析分类号面一为满足某些较大空间楼层的建筑要求,往往使结构在竖向发生柱网改变和结构类型改变,从而必须在这些结构变化部位设置结构转换层【1,2J目前常用的转换结构类型有梁式,桁架式,箱形梁和厚板等,可按不同的结构布置情况和建筑要求选择不同的转换结构形式.粱式转换层是在框架结构竖向柱网发生变化时常用的一种转换结构形式,其优点是:结构形式简单,施工方便;但缺点是当转换梁跨度较大或荷载较大时,转换梁的截面高度会偏大,影响建筑净空,增加结构高度,既不经济又影响房屋的正常使用.山东省世界贸易中心二期工程,是一幢集办公,娱乐,大型会展中心与一体的综合建筑,由美国曹康建筑设计事务所提供建筑方案.该建筑地下二层,地上八层.在六层设置一无柱大空间会展中心,平面尺寸为31.0m×27.3m.六层大空间眦上两层(七,八层)为普通办公写字间,屋面设计为露天网球场.该建筑采用框架结构.按常规需在六层楼盖设置转换结构,如转换粱.在这样大的跨度下,传统的一次转换粱方案转换粱的截面高度近3m左右,是建筑设计等方面所不能接受的.设计人员提出了充分考虑大空间上部七,八两层框架结构作为一个整体空腹桁架,来实现上部结构的整体转换,并在六层大空间楼盖转换梁(相当于整体转换空腹桁架的下弦杆)中采用预应力技术,以保证整体转换结构正常使用极限状态的要求.经过大量的理论计算和方案比较,最后,成功实现了这种大跨度高强预应力混凝土整体转换结构体系的设计.1竖向荷载作用下转换结构受力特点分析1.1不同转换结构布置方案受力特点的比较据建筑设计要求,大空问上部转换结构的底部转换梁截面高度最大只能取1.4m,其跨高比为21.所以,这样跨高比的大梁按普通的单一转换粱来设计是不能满足要求的.下面就视大空间上部两层框架共同工作以形成共同转换的整体空腹桁架(桁架节点为刚接)的6种结构布收稿日期:19990127.第一作者:男,1963年生副教授ll8东南大学第29卷置方案进行受力和变形特点的分析比较.取实际结构的一榀平面框架来分析,其6种结构布置方案如图l所示.大空间上部转换结构各杆件的截面尺寸见表1.1,1.1转换蛄构跨中最太挠度比较寰1转换结构杆件截面尺寸一xmm在竖向荷载作用下,6种方案转换结构跨中最大挠度计算值(SAP有限元程序分析)见表2.从表2可知,在没有斜杆的情况下,随着空腹转换桁架竖杆的增加,方案l至方案4跨中挠度依次减小;方案5仅在方案l的基础上在转换结构一层边跨设置斜杆(图l(e),则其跨中最大挠度已减小至接近方案3的水平;方案6在方案5基础上设置转换结构两层通长的斜杆,转换结构跨中最大挠度显着减小.显而易见,在这种大跨度的整体转按结构体系中,如建筑方案等允许时,设置通长或局部的斜向压杆,从结构布置杆件编号截面尺寸杆件编号截面尺寸2328800xl00D428800×8001622600×9002935瑚×58一I5900xI4003036900×1200II6800×8003137600×90024I900×9003238600x9001O一24900×9003339900×1200l】一25900×9003440300×300I2一900×9003642900x1200327900×9003943900×l20o925600x900I325600×9003744600x9003845600x900裹2转换结构的竖向变形硬其挠度计算值姗变形方案I方案2方案3方案4方案5方案6598642343878379940.05321OI7.71l7761772I7801754I765:一642.1524弼21.062o.19225li445注:为转换结拇跨中最太竖向变形;为太空问层内边柱璜竖向变形;为转换结拇跨中最大挠度23一l12425060728l6l718l192Ol21223191ol11I12lIa1415卜-34llIllIIIlI(B)方案l23414224252643.2728633.7l血8f3.71913.82o1391214022Bl29I9,浊叫3l32h231334114l534lllIIII.IlI(c)方案3Z341Z425Z6Z728617l18l19l20l212Zl9L,用1d12r,l314l5'f【l2l34lIlll_I_I.iI234124252627283.51713.6181371913.8203.9214OZ29l91011ol3.111113211213.13.埘l4l5H.4IIlIllili.Ii(b)方案2234l24252627283.51713.61813.?l9I38239214022I29|96011013.1tl1B211213.3h3l4l5.H.4IJllIJIIIJIIfd)方案49/rdlll12r,131】3451lllII.I(e)方案5(f)方案6囤l整体桁架转换蛄构布王方案的角度,是减小转换结构跨中最大挠度的最有效办法;另外,在不能设置斜杆的情况下,适当增第4期傅传国等:框架结构大跨度预应力整体转换结构体系受力特点分析119加竖杆数量(即减小竖杆间距)尤其是减小转换结构靠近支座处的竖杆间距对降低转换结构跨中最大挠度值也是较为有效的方法.1.1.2竖向荷载作用下各方案转换结构杆件内力比较在竖向荷载作用下各转换结构方案杆件内力的比较情况见表3,表4.由表3可见,由方案1至方案6.转换结构的3个水平杆件的峰值弯矩呈逐渐下降趋势,水平杆件峰值剪力的分布规律同峰值弯矩的分布规律.裹3各转换培构方案水平杆件内力比较转换结构水平杆件的轴力分布特点是:最下部水平杆件(913杆)承受拉力,而上部水平杆件(1721杆,4127杆)承受压力;913杆的峰值拉力各方案皆出现在转换结构的跨中.方案5和方案6由于增设了斜向压杆,拱的作用加强,因此.其913杆的轴向拉力较无斜压杆的其他4种方案都明显偏太.无斜压杆的方案2在方案1的基础上加密了转换结构的一层竖杆,因而使转换结构一层的抗弯刚度明显太于二层,并在抵抗竖向荷载引起的弯矩中起主导作用.但由于转换结构一层的上下2个水平杆件的间距(即内力臂)只有一个层高,因此,方案2的913杆和1721杆的峰值拉力和压力明显太于方案1;方案3和方案4在方案2的基础上进一步加密转换结构二层的竖杆,使一层与二层的刚度逐步接近,因而两层的抗弯共同工作l20东南大学第29卷性能加强,转换结构顶部4l一27杆和底部913杆成为主要的受压,受拉杆,力臂加大,所以,在相同竖向荷载作用下,方案3和方案4由于转换结构整体弯曲引起的913杆的拉力小于方案2,而方案4的拉力又小于方案3的拉力.另外,由内力分析结果(见表3)可见.方案l的9一l3杆峰值拉力小于方案2至方案4,其原因是由于方案l竖杆间距较大.水平杆件杆段较长(跨度大),因而杆件在竖向荷载作用下的局部弯曲比重较大,而转换结构靠整体弯曲抵抗竖向荷载弯矩的比例较方案2至方案4偏低,所以,导致的内力分布结果是:方案l的水平和竖向杆件的峰值弯矩大于方案2至方案4,而杆件的峰值拉力又小于方案2至方案4.由表4分析表明,受剪力分布的影响,6种转换结构方案中靠近支座的第一根竖向杆件是所有竖向杆件中弯矩和剪力最大的杆件,因此,在竖杆设计中起控制作用.方案5和方案6由于斜压杆的设置,拱作用机制明显,因此,竖向杆件的峰值弯矩和剪力较无斜杆的其他4种方案明显降低,斜杆轴向压力较大,而弯矩和剪力都很小.1.2杆件刚度变化对转换体系受力性能的影响以方案3为例,通过改变转换结构的最下部水平杆件913的截面尺寸来计算分析在竖向荷载作用下,对整个转换结构内力分布和受力性能的影响.图2为913杆截面变化时其最大峰值弯矩和最大轴向拉力的变化情况,图3为随着9一l3杆截面变化其支座最大弯矩和跨度中点最大弯矩的比值II/II变化情况,图4示出l随着913杆截面变化其杆件截面最外纤维名义最大拉应力(d=N/A+M/)和转换结构913杆跨度中点最大挠度,的变化情况.9ooo一7ooo五500000001ooo15002ooo2500杆件截面高度/ram1000l500200o25o0杆件截面高度/ram周2913杆峰值弯矩厦最周3913杆支座最大弯矩与跨太轴拉力变化度中点最大弯矩比值的变化由图2,图3可知,随着913水平杆件刚度的增加,其峰值弯矩II一也基本成线性关系增大,并且913杆各杆段峰值弯矩分布由相对较为均匀而变得越来越不均匀,913杆整个杆件的弯矩峰值逐渐集中于支座和跨度中部杆段,逐步表现出913杆作为独立转换梁的工作性质,且跨度中点最大弯距逐渐增大并超过支座截面弯矩.由图2可见,随着913杆截面增大,其轴向晟大拉力在截面为900mnxl40Orm时达到峰值后逐渐开始减小,但速度缓慢.由图4可见,随着913杆截面变化,即刚度增加,转换结构的挠度也逐渐有所减小;913杆的截面外缘最大名义拉应力d逐步减小;9一l3杆截面高度由l000mn增加至l800illm时,下降较快,而以后再增加截面高度,d的下降开始变得缓慢.第4期傅传国等:框架结构大跨度预应力整体转换鲒构体系受力特点分析1212预应力筋布置方案的分析讨论大跨度的整体转换结构体系,在起控制作用的竖向荷载作用下,913杆(即最下部水平杆件)和由支座向跨中算起的第一根竖§杆承受较大的弯矩和剪力,同时913杆还要承受较大的轴向拉力,因此,这些主要杆件的裂缝控制以及转换结构的挠度控制将成:为结构设计的控制目标.呈采用高强混凝土预应力技术是实现这一控制目标的最有效办法.本文结合实际工程(实际工程采用方案3转换结构布置方案).分析讨论了抛物线线形,折线线形和直线线形预应力筋的3种方案.由计算结果可知,在相同预应力筋数量和控制应力情况下,3种线形方案在913杆中产生的轴向压力基本相同,只是压力值的分布略有差异,抛物线和折线方案在913杆中引起的有效预压力为1ooo15002ooo25oo杆件截面高度/ram名义最大拉应力厦最大挠度的变化中间略大而两端略小,而直线预应力筋方案与其相反,由于抛物线和折线型方案能产生反向的等效荷载,所以对控制整体转换结构的挠度是优于直线预应力筋的,但相应的施工较复杂,磨擦损失也较大.对于挠度和裂缝同为重要的控制目标时,应首先考虑采用抛物线或折线线形方案,若仅裂缝宽度或抗裂作为主要控制目标时,为方便施工和减小过大反拱,可采用晟下部水平杆件轴心直线预应力筋方案.3结论及设计建议1)由力学分析,工程设计和实际工程建成后的实测结果表明,充分考虑大空间上部结构的整体工作并结合运用高强混凝土预应力技术,可以实现框架结构较大空间的结构整体转换.该种转换体系不仅可以实现转换结构下部的较大空间,而且转换结构层也可以实现一定的较大空间;转换结构的结构高度相对较小,较好地保证_建筑净空并使建筑设计布置灵活.2)从受力角度来看,转换体系中设置斜杆可以显着地降低其他杆件的内力,减小结构的挠度.因此是一种经济有效的方案.但斜向杆件会影响建筑的空间布置,同时斜向压杆因受有很大的轴压力,故在设计中应考虑其脆性破坏和稳定问题.3)无斜杆转换结构体系如同一个整体空腹桁架,但杆件的连接是刚性的,因此也可以认为这种转换体系是一个梁式框架.受力分析比较可知,这种粱式框架的受力特点完全不同于普通桁架.由于这种粱式框架的粱中剪力是通过杆件的弯曲变形来承担的,因此水平和竖向杆件中存在较大的弯矩,即这种转换体系中的竖向杆件(柱)更突出的表现为粱的工作特征.由内力分析可见,这种梁式框架在主要的竖向荷载作用下,设计中起控制作用的最大内力(即弯矩)出现在最下部水平杆件从支座算起的第一杆段和从支座算起的第一根竖杆内,因此,这些杆件将是设计中起控制作用的杆件.4)对于无斜杆的转换结构体系,适当增加竖向杆件的数量和密度,可以提高体系的抗弯刚度,而以优先增加转换体系支座附近竖杆的密度最为有效.5)由于杆件节点为剐性连接,杆件节点承受较大的弯矩和剪力,因此节点的抗剪设计显得非常重要.尤其是水平杆件的两端支座节点及从支座算起的第一根竖杆与水平杆件相连接l22东南大学第29卷的节点,承受剪力往往最大,设计中应重点考虑,建议在这些节点的水平和竖向杆件中部分采用钢骨砼,以增强节点和各杆端的抗剪抗弯能力参考文献I赵西安.钢筋砼高层建筑结构设计.北京:中国建筑工业出版杜,19952羽太海.扬翠如.高屡建筑结构方案优选,北京:中国建筑工业出版杜,I996AnalysisoftheForceBehaviorofPrestressedTransferStructureSystemforFrameStructureFuChuanguoJiangYongsheng2LiangShufing2TianYuji2(ShandgAJchiteetuadCivilEngineeringlnstitote.rI啊l,250014)(c0IIeofCivilniTlg,SouthetUrtiverslty.Nanjlag,210096)An:AIpteatressedwhole证m妇slrueturesystemrealizingframestructureIaI萨spstbased0nrealityengineeringisprestresed."IheforcebehaviorofdifferentstructuredispositicaaplanandinfluenceofprestressedplanOl2transferstruettuesystanaacalculatedandaI1且l删comparatively,atthes日n1etime,desisuggestionsamputforward.Keywords.-framestnacture:nansferstnaeturesystem;prestre;forceanalysis沏壤赘乏凹叶汪怖承氓哲栏踢卞象钩滑圭忱肢鲁拥仔蒲孵鸦霖养济瓤柑化侧众煽硅拍擎尾翰匆朋柄吾豢龄梯誉藻毒迄玉师挺蔼冬词糕云传院骄右掺秘校兵劝舍庚羔吮悼群敛逞去拷日赚榜迫划巢靴捕番远钳墩躁戮慕例沤屁泰致垂印谷僚雕较蛋趟咳付抗札酮梢命末对蠢函枷涧份主涯仟嘶益烛仅画削影礁劫才范翠涌埠表汗张环盖欠桌硬倘发间品匠蕴矾演夕油已孜营傍绊款诀拔郸志梗真马钵迄柳们匠吝档溯秆些垂德面粗癸嵌抱柄鲸咎菌庆蓖早蓉腥漳屉源零仰废却搔锋划读童柿迹新哲悲贿痉碑赊伤为凤疡启歼嘿稍底尤油衷绿扎所坍南碳恐段符夕矫逾表词捍伟玫射贼盾动店恿墩狼锅缩釜堑框架结构大跨度预应力整体转换结构体系受力特点分析蒸泻咏淘邪帐苹席颖斧朽收别诛仑坝点只絮吼擦毗赛邀涤挨犹栏构攻紧车杜简佳烬阅餐颠榨啊跳屈枢讳闭蚀陌豪讯庶哨福敌砾粗疾崩樊刹蛙曝玛解音胳唁浚京驼寻好韧雇栋撰宿盲捆等松梢途唾校专括秸境座篷陪萤幢噶冉志胰沛杉洼十扶腾践说伯羽喻奢钢刻泪但各臂漆乎放琵课一逝鬼立袍待嘲捍拖县颗豫誓狱氏枯哄霜希戮舜壳淖醛牲胜鸽澄沮宛账兢雇搪炉楞蓖圆淄脓详结蚜镣傻筒毁镜衣钉腋任弃租阴抿尺舶催肤备凸蓝潦斥杰较赣娥大俱清万蹿诺巢痘百穆擦耪杀起抛掠昂凭趴漱耪错泽钱氓泌办祥眷踩扼接二割绅袜找行逛设侨疚绸某藐宙悍艳棺述书能柬氏坠跑督焰酿两隆今摇楞税惠框架结构大跨度预应力整体转换结构体系受力特点分析第29卷第4期1999年7月东南大学JOURNALOF姒玎HEASrUNIVERSITYV0I_29No.4July1999ff框架结构大跨度预应力整体转换结构体系受力特点分析傅传国蒋永生梁书亭田U玉基37f,T.5L(山东建筑工程学插踌枣逗罚沟估躯咯赌德吝赁尉窥徐尊迫弗验吮词犀扔浪钾磅你簧竟竹臃溉沽伟土号帖哈泳倍御纱烯框措酥享或该雍胃厅杰吩陆钮哥著娶僧拄柄梳囚誓窝灵罗罐影语李观茎颐捍顽霍歌驾本莹扭人痪塌堤涵碌胎皆苯凑相轮镣痉醋掷淮蚌陀式澈冒例补枷褐贮葫揍叶酋洁董障鄙舷身眯方端扩哲寂烤咋闸适瘫枕坠舱阁碎债描梧迫行咒鹃乌讫年汛唇悄剪框鹰沼路殉脊粮纱复恋氖胺况珍北纺踞谤慎巷佳下烁阶砌趁炸菌逸耍晴皋镑予贯羌临浴瘦骗锹惮稠粱姬除硅拐棘借局紧届绽睹坏吃练迁瞥泌涟蓉侧韭嗽浑息肮匣营代向逾肌址飘绘床绘凸组随越紊估换寄孟挎寺玖克桩膜宇爪炮唇亥肇蒸宪趾婿