大跨度混凝土框架梁优化设计

1、混泥土毕业论文 大跨度混凝土框架梁优化设计在工程设计中，通过进行优化设计，往往能取得更 为良好的工程效果和经济效益，本文拟以某大学教学综 合楼优化设计进行探讨。 1 工程概况 本工程为 6 层建筑的教学综合楼，平面尺寸 45.0m45.7m（图 1）其中 ab 及 cd 轴间为 6 层教 室，办公室。bc 轴为单层大礼堂,跨度为 25m，屋面为 室外庭园。2 结构方案及预应力体系选择 2.1 结构方案选择 根据建筑功能要求，首层需为大空间布置，二层楼 面轴上框架主梁跨度为 8m+25m+8m（两端各悬挑 2.0m），二层楼面为室外庭园，活荷载较大，为 6.0kn/m2。 由于跨度大、承担荷载重

2、，已超出普通钢筋混凝土经济 范围，大跨度方向的框架主梁采用预应力混凝土结构，小开间方向为普通钢筋混凝土次梁、普通钢筋混凝土板 （图 1）。 预应力框架主梁的经济跨度为 1235m，梁跨高比 1520。在该跨度范围内采用预应力混凝土，可解决大 跨度梁的抗裂、挠度问题，扩大柱网，形成大空间，提高 建筑物的使用功能。考虑到便于施工和减轻施工难度， 建议采用现浇预应力混凝土。 2.2 预应力体系选择 由于本工程为大跨度（25m）重荷载的梁式承重结 构，故采用有粘结预应力混凝土。至于有粘结梁中的预 应力孔道与梁、柱普通钢筋的相互矛盾，可以通过精心 设计、合理施工来解决。有粘结预应力施工较无粘结多 了孔道

3、留设、孔道灌浆两个工序，对有经验的专业施工 单位来说并不困难。 3大跨度预应力混凝土梁的设计优化处理 3.1 结构内力分析时, 对活荷载在不同阶段的取 值做了处理 采用文献1中 bf 程序进行预应力框架的设计，预 应力框架主梁跨度：2m+8m+25m+8m+2m（两端跨悬挑），截 面 尺 寸 ：ykl1-p 400mm 1000mm，ykli-b 450mm 1000mm（内支座处加腋高度 300mm），ykl1-2 450mm 1300mm（支座处加腋高度 300mm）。 在荷载取值时，作了如下处理：考虑二层屋面活载 （6.0kn/m2）中相当部分为覆土荷载，是长期作业在结构 上的，为安全起

4、见，在抗裂性能验算时，将活载中的 4.0kn/m2 作为恒载考虑，在承载力极限计算时，全部活 载作为活载考虑。这样处理符合工程实际情况，对长期 荷载组合时的抗裂性能控制较严。 由恒载、活载作用下的弯矩图可知，关键截面在 25.0m 跨梁的支座处，8.0m 跨中支座截面内力也比较 大，这两个截面做了加腋。在建筑允许时，关键截面是经济的手法。 3.2 针对各截面所处环境的不同, 拉应力控制系 数有所区别 在规范允许范围内，本工程设计中，我们参考国内 一些权威的研究结果（文献3、4），结合本工程的特点， 设计了一组抗裂控制指标。 根据文献3的研究结果，中等侵蚀性环境预应力框 架梁的裂缝控制及抗裂验算

5、公式可按下式： 短期组合：sc-pcactsftk，acts 取 2.0。 长期组合：lc-pcactlftk，actl 取 0。 根据本工程的具体情况，对抗裂控制作了特别考 虑：本工程 2m+8m+25m+8m+2m（两端各悬挑 2.0m）的框架 主梁的关键截面在 25m 跨梁的支座处，其上边缘的抗裂 性能是整榀梁预应力设计的关键，而且该处露天，其抗 裂要求较高；而其余截面的内力均较小，且处于室内，抗 裂要求可适当放松。即按荷载短期效应组合进行计算 时，梁截面受拉边缘混凝土产生的拉应力不超过 actsftk，在 25.0m 跨（露天）支座处 acts 取不大于 0.6， 其余截面（室内）取不

6、大于 1.4；按荷载长期效应组合进 行计算时，梁截面受拉边缘处混凝土产生的拉应力不超 过 actlftk，在 25.0m 跨（露天）支座处 actl 取不大于 0.25，其余截面（室内）取不大于 0.8。按上述原则结合 预应力筋的合理布置进行设计既保证安全又节省造价。 3.3 预应力筋的布置 预应力筋采用高强度低松弛钢绞线，强度等级为 1860mpa，规格为 j15.24 的预应力筋，价格性能比最 佳。张拉端锚具采用二夹片式锚具，固定端采用压花锚。 混凝土强度等级 c40。 当预应力梁为多跨且跨度不等时，预应力筋数量由 最大跨度的关键截面控制。预应力筋合理布置的原则 是：关键截面预应力筋数量多

7、，其余截面预应力筋数量 少，总体上用最少的预应力筋，满足各截面的使用及强 度要求，同时其布置方式在施工时是可行的。本工程两 边跨为短跨，中间跨为长跨，一般有以下几种预应力筋 布置方式：所有预应力筋均通长布置（图 2-a）。这种 布置方式构造处理较简单，但不经济。布置一组通长 预应力筋，满足各小跨度截面的要求，大跨度梁处再增 加一组短预应力筋（图 2-b）。这种布置方式较为经济， 但如大跨度梁不是边跨时（如本工程），则增加的短预应 力筋往往要在结构内（如梁面开槽）张拉，施工难度大。 布置两组预应力筋，在大跨度范围内形成交叉（图2-c）。这种布置方式较为经济，同时张拉端设在梁端，施 工也很方便。本

8、工程采用该布置方式。 梁中布置了 4-5j15.24，其中 2-5j15.24 布置 在 ykl1-p、1、2 跨内，伸入 ykl1-3 内 2.4m 锚固（如图 2-c 所 示）， 在 ykl1-p 悬 臂 梁 端 张 拉 ， 另 一 组 2-5j15.24 对称布置。这样一来，使 25.0m 跨及 8.0m 跨中支座处预应力筋数量为 4-5j15.24 其余截面减 少一半。与 4-5j15.24 通长布置相比，预应力筋长度 由 45.0m 减少到 37.5m，减少约 17%，锚具减少 50%（固 定端为压花锚，基本不耗材料）。 预应力筋产生的综合弯矩 mr、次弯矩 m2 由程序计 算，此处

9、不列出。 3.4 使用性能 使用阶段各关键截面混凝土应力情况见表 1。由表 中可见，各截面混凝土拉应力均为超过设计限值，满足 要求。预应力梁中的普通钢筋按构造配筋。3.5 构造处理 有粘结预应力施工的关键问题是如何处理好波纹 管与梁、柱普通钢筋的互相位置，稍不注意可能造成大 量的返工甚至无法施工。我们的方法是在图纸上即定出 各种钢筋、孔道的位置即相互关系，将问题解决在图纸 阶段，然后向施工单位详细交底，按图施工。 3.5.1 柱筋定位 绘制梁柱节点大样图（图 3），使柱筋的间距与穿柱 波纹管的间距一致，对妨碍波纹管位置的柱主筋及其他 钢筋作相应调整。实际施工时柱筋按图绑扎，留出波纹 管孔道通过

10、的位置。3.5.2 张拉端梁钢筋做法 在张拉端预应力筋由两孔并排布置变为上下布置 （受梁宽限制），在水平方向上孔道有变位（图 4），在悬 挑段穿过箍筋的中间两肢，因此将中间两肢设计成独立 的，在孔道就位后再绑扎（图 5），避免了箍筋按常规做 法引起的波纹管无法按图通过的困难。4 技术经济分析 4.1 与普通钢筋混凝土结构相比本工程在初步设计阶段，曾与采用普通钢筋混凝土 方案进行过比较。采用普通方案时。为满足强度极限要 求，25.0m 跨梁梁宽截面尺寸为 450mm2300mm，支座处 加腋尺寸 lh 为 2760mm930mm，梁中主要配筋如下： 下部通长筋 2628（四排），上部架立筋 62

11、5，支座加 筋 1428+728。需说明的是，普通钢筋混凝土梁无法 避免开裂，而且普通钢筋太多，难以施工。 预应力混凝土与普通钢筋混凝土相比，梁截面高度 可减少 1.0m。混凝土量可减少约 44.4%，普通钢筋用量 可减少约 65%，8 榀框架梁钢筋、混凝土部分造价可减少 约 10%。考虑到模板、支撑大量减少，造价还有节省。另 外，梁自重减轻 44.4%，梁中施加预应力筋后对柱产生 有利影响，柱筋配筋有所减少。 不仅如此，同时还具有以下优点：预应力方案降 低梁截面高度。室内净高增加 1.0m，结构轻巧，改善室 内观感，使用功能提高；模板、支撑大量减少，普通钢 筋大量减少，梁普钢筋由 2628（四排）变为 825（二 排），施工难度大大减轻；提高了梁的使用性能，在使 用期间预应力梁不开裂。如采用普通钢筋混凝土梁，将 难以避免开裂，结构将带裂缝工作。 4.2 预应力方案优化设计的效益 如梁支座处