无斜腹杆预应力现浇混凝土桁架设计与施工

无斜腹杆预应力现浇混凝土桁架设计与施工

1钢筋混凝土桁架该框架在现代建筑中得到了广泛的应用，适用范围非常广泛，尤其是在大的和中等的结构体系中。桁架的主要受力特点是上弦受压,下弦受拉。桁架从古代发展到现代从材料上可分为木桁架,钢筋混凝土桁架和钢桁架。木材和钢材的受压受拉性能均良好,而钢筋混凝土受压性能良好,受拉性能较差,因此往往在钢筋混凝土桁架下弦配置预应力钢筋来抵抗拉力。本次工程设计成功的采用了无斜腹杆预应力现浇混凝土桁架,本文详细介绍了无斜腹杆预应力桁架的设计与施工,并且分析了桁架的受力特点。2主要建筑结构特点苏州新区第二水厂脱水机房是厂区的主要建筑物。该建筑物地上一层,建筑物总长度为65.73m,分为脱水机工作间和泥棚两部分,两部分之间设伸缩缝一道。总建筑面积约为1425m2。脱水机工作间部分建筑高度为14.46m,主要建筑柱网尺寸为20.0m×6.0m。泥棚部分建筑高度为7.87m,该部分柱网尺寸较小。脱水机房平面布置如图1所示。本工程的设计适用年限为50年,建筑结构的安全等级为二级,抗震设防烈度为6度,设计基本地震加速度值为0.05g。设计地震分组为第一组,抗震设防类别为乙类,建筑场地类别为Ⅱ类。结构下部采用柱下独立基础,上部采用框架结构体系。3桁架型式设计脱水机房横向柱网跨度为20m,跨度较大,但非标准尺寸,无法选用折线形标准屋架,而常规混凝土结构又很难满足要求,因此8根屋面大梁的设计成为该建筑物设计的关键。由于南方多雨的气候和建设单位对建筑造型的要求,建筑专业将屋面做成双坡度坡屋面。考虑到工程进度和施工方便,整个建筑物均需采用现浇方式进行施工。因此,经过多方案比较结构专业结合坡屋面造型将屋面大梁做成现浇预应力桁架。桁架型式拟采用以下两种方案。方案一为设置斜腹杆方案(如图2),经试算,在竖向荷载作用下,斜腹杆中XG1、XG3出现拉力,在水平荷载作用下,斜腹杆中XG2出现拉力,且部分杆件拉力较大,普通混凝土结构无法满足,需要施加预应力解决,考虑到本桁架拟采用现浇方式,再加上下弦需要施加预应力,过多的预应力筋的设置会导致现场施工复杂,不好实施。受屋面建筑型式的限制,斜腹杆间隙和杆件交角均较小,尤其是SX1、XX1、XG1之间,施工支模困难,且斜腹杆本身支模较难,屋架为重要构件,构件不宜留竖向施工缝,宜一次浇筑成形,屋架构件太多也势必造成施工时浇捣混凝土困难,难以实现。故基本排除采用此方案。方案二为仅设置竖杆方案(如图3),类似于梁抬柱的结构型式,但充分利用了桁架上弦受压,下弦受拉的受力特点。该方案结构布置简洁,腹杆较少,便于施工。在竖向和水平荷载作用下,竖杆出现的拉力很小,普通混凝土能满足要求,仅需在下弦施加预应力即可,施工方便。综上所述,屋架结构选型采用无斜腹杆预应力桁架。4框架结构设计4.1单预应力桁架结构分析桁架简图如图3所示。桁架上弦(SX1、SX2)截面为300mm×600mm,竖杆(SG1、SG2)截面为300mm×300mm,下弦(XX1、XX2)截面为350mm×1200mm。混凝土强度等级为C40.结构整体计算采用SATWE软件进行,再采用通用三维有限元软件SAP对单榀预应力桁架进行内力分析。根据《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)相关规定,桁架下弦大梁裂缝控制等级为一级,桁架其余部分(上弦及立柱)裂缝控制等级为二级。4.2上弦压力最大压力在恒活载作用下,下弦为偏心受拉构件,拉力较大,最大拉力发生在XX2(恒载和活载组合设计值N=-1186.77kN),XX1和XX2拉力相差不大;上弦为偏心受压构件,压力较大,最大压力发生在SX1(恒载和活载组合设计值N=1279.06kN),SX1和SX2压力相差不大;竖杆SG1为偏心受拉构件(恒载和活载组合设计值N=-67.66kN),竖杆SG2为轴心受压构件(恒载和活载组合设计值N=43.96kN),竖杆内力均很小。4.3预应力筋的布置竖杆内力较小,普通混凝土结构能够满足要求,主要拉力出现在下弦,且为偏拉构件,内力值较大,因此在下弦抛物线布置预应力筋,预应力筋采用1860钢铰线,经计算需要2束7-ΦS15.2钢绞线。采用后张拉有粘结预应力工艺,两端张拉,张拉控制应力取为σCON=1860×0.70=1302MPa.预应力钢筋布置如图4所示。4.4下弦压力和弯矩计算按上述所配置预应力钢筋的作用以等效荷载的形式加载到桁架上,经有限元计算,得到桁架的综合弯矩图。此时下弦为偏心受压构件,压力较大,最大压力发生在XX2(标准值N=2059.7kN),XX1和XX2压力相差不大;上弦为偏心受拉构件,拉力不大,最大拉力发生在SX2(标准值N=-133.6kN),SX1和SX2压力相差不大;竖杆SG1为偏心受压构件标准值值N=34.60kN),竖杆SG2为轴心受压构件(标准值N=23.7kN),竖杆内力均很小。预应力钢筋仅配置在桁架下弦,故仅桁架下弦有主弯矩,桁架上弦和竖杆无主弯矩,桁架上弦和竖杆的综合弯矩即为次弯矩。由综合弯矩等于主弯矩加次弯距,可求得下弦的次弯矩。桁架上弦、竖杆和下弦的非预应力钢筋由恒载、活载、风荷载、地震作用和次弯矩产生的内力组合值计算得到。4.5张拉结构合理后的结构使用和极限状态的验证计算4.5.1组合结构的抗裂性能对于有预应力筋通过桁架下弦大梁,裂缝控制等级为一级,按荷载效应标准组合计算时,构件受拉边缘混凝土不应产生拉应力,经验算,对于桁架下弦大梁支座处,边缘混凝土为压应力σCt=1.945MPa,跨中截面边缘混凝土为压应力σCt=0.260MPa,均满足使用阶段抗裂要求。4.5.2内在限制状态下的内力分析等效荷载作用在结构上后所有杆件轴拉力、弯矩和剪力均不是很大,常规配筋即可满足。4.6拉第一束性能测试结果施工张拉过程中对桁架下弦挠度变化进行了测试。共选取了三个测点,测点布置见图5。测试过程中共分为12个工况,分别为:工况1:张拉第一束0～10%σCON;工况2:张拉第一束20%σCON;工况3:张拉第一束40%σCON;工况4:张拉第一束50%σCON;工况5:张拉第一束60%σCON;工况6:张拉第一束70%σCON;工况7:张拉第一束80%σCON;工况8:张拉第一束90%σCON;工况9:张拉第一束100%σCON;工况10:张拉第二束20%σCON;工况11:张拉第二束60%σCON;工况12:张拉第二束100%σCON;测试结果见图6～图8。测试结果和有限元计算结果基本一致,说明了模型结构在外荷载及预应力筋作用下具有良好的受力性能。4.7屋顶混凝土强度等级4.7.1根据《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)预应力混凝土结构预应力钢筋采用钢绞线时,混凝土强度等级不宜低于C40,故桁架混凝土强度等级设计为C40。但一般来说,楼面板的混凝土强度等级不宜过高,且该建筑物长度较大,温度应力较大,屋面板对防水有较高要求,混凝土强度太高,水化热大,容易产生裂缝,因此设计将桁架和屋面板的采用不同强度等级,屋面板混凝土强度等级为C30。4.7.2在上弦和竖杆,下弦和竖杆相交处加设腋角以加强节点。4.7.3桁架与桁架上弦之间有屋面次梁连接,且和屋面现浇连接,整体性良好,同时在桁架与桁架之间的下弦与竖杆交点处设置纵向通长梁一道(相当于下弦系杆),充分保证了桁架平面外的压曲稳定,减少了其平面外长细比,提高了屋盖的纵向空间刚度与整体稳定。5屋顶混凝土浇筑由于桁架和屋面板采用了不同强度等级的混凝土,为便于施工,施工时在屋面板板底留设施工缝。具体施工顺序如下:一次性浇筑完成桁架下弦竖杆上弦,混凝土强度达到设计强度的75%后浇筑屋面板混凝土,新老混凝土交界面,需先凿毛,洗净,润湿,涂界面剂后浇筑新混凝土。养护混凝土强度达到设计强度的100%之后,进行张拉。张拉采用超张拉,张拉工序为:应力从0到0.1倍张拉控制应力测量一次伸长值,再匀速拉至1.03倍张拉控制应力,进行锚固。6预应力桁架设计大