预应力混凝土楼盖布置方案的经济性分析

预应力混凝土楼盖布置方案的经济性分析

1科研办公中心发展概况上海烟草企业的教育中心位于上海黄浦江。往南地区是长阳路，北是昆明路，东是通北路，西是辽阳街。它是一个多功能的综合科研办公室。基地面积35710.6m2,总建筑面积52996.67m2,内容包括行政办公楼、会议中心、技术中心、服务中心、计算中心、食堂、浴室、地下机动车库和地下自行车库等多种功能,见图1。整个建筑群分为6个建筑单体,其中行政办公楼为地上六层,地下一层,采用框架-剪力墙结构,桩基础。本文主要介绍行政办公楼的设计与施工,并对本工程钢结构的应用作一些介绍。2基础设计2.1灌注桩经济比较工程场地地貌单元属滨海平原,75.0m深度范围内地层为第四纪全新世和上更新世滨海沉积土层,主要由黏性土和砂土组成,为软弱土地基,地下水埋深年平均高水位为0.5m。本工程采用桩基础,持力层经综合考虑,采用土层较薄、但分布均匀、力学性能较好的第⑦层砂质粉土。在桩型的选择上,经过对桩的经济性、工程地基状况比较,最终选用预应力管桩作为工程桩。预应力管桩在本工程中的优势在于:(1)预应力管桩为挤土型桩,对于本工程以摩擦为主的工程桩,其单桩承载力较非挤土的灌注桩高,因而桩数较少直径较小,可节约桩基造价约198万元;同时由于桩径减小,桩承台面积减少,混凝土用量降低,基础工程造价也有所降低。简单的经济比较如下:钻孔灌注桩,桩径ϕ650,持力层第7层砂质粉土,桩长43m,单桩承载力设计值2500kN,桩数约295根,如按900元/m3计算,其造价为378万元;预应力管桩,桩径ϕ550,持力层第7层砂质粉土,桩长43m,单桩承载力设计值2900kN,桩数约280根,如按150元/m计算,其造价为180万元。(2)预应力静压管桩施工简便,对周边环境无噪音污染。(3)灌注桩施工期需排放大量浆泥,对周围环境有较大影响。(4)预应力管桩施工速度快,节约了灌注桩的养护周期。施工预制管桩时,考虑到其挤土效应对临近建筑物、道路及地下管网有一定影响,采用了砂井及防挤沟等防挤土措施。施工方法为静力压入法,压机采用JNB800型,自重200t,平均每1.5h压完一根,第⑤层粉土对压桩没有产生障碍影响,全部桩压入设计标高,桩基施工顺利。桩基检测采用静载荷试验及低应变动测,静载荷试验当加载至4640kN时,沉降达到稳定,最终沉降量为15.67mm,残余变形量为7.15mm;对工程桩随机抽测117根桩(占总桩数30%)进行低应变动测,经检测其中Ⅰ类桩108根,占抽检桩数的92%,Ⅱ类桩9根,占抽查桩数的8%,无Ⅲ类、Ⅳ类桩,Ⅱ类桩一般为距桩顶1～3m微裂。作为地处上海软土地基的工程,本设计选用静压预应力管桩是合理的。2.2基础及墙后反力主楼桩基础采用独立承台,根据柱下荷载不同,多数采用三桩、四桩、五桩承台。地下室底板采用梁板形式,底板400mm厚,基础梁1100mm高,下翻梁,梁兼起到承台整体拉结作用。外墙下不再设翻梁,由地下室钢筋混凝土外墙承担梁的作用,以减少基坑开挖深度。采用倒楼盖的计算方法分析计算水浮力及基础沉降后土对底板的反力。设计时按理论计算最大沉降量为40mm,2004年12月结构封顶时,实测沉降为8mm,2005年8月外双层幕墙开始安装时,实测沉降值为9mm。3无粘结预应力结构柱的结构体系设计行政办公楼长78m,宽59m,建筑中间设36.8m×27m内庭,结构高度为27.9m,采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构。根据建筑平面布置,利用靠内庭处4个交通核布置剪力墙,大空间办公区为框架结构(图2)。建筑中间设置中庭,楼板开洞,这种带有中庭的结构平面较易产生扭转。在结构计算时采用弹性楼板假定,为避免结构整体扭转变形发生在第一振型,建筑物外围的框架梁刚度适当予以加强,并调整4个核体的剪力墙的布置及数量,减少靠近中庭的墙体数量,同时加强远离中庭的墙体,以保证第一振型为平动振型。经调整计算,结构的前三自振周期为T1=1.1120s,T2=1.0449s,T3=0.9795s,满足抗震设计要求。本工程平面上A4—A7轴下部连接较弱,因此适当增加楼板厚度并加强楼板配筋,同时在此范围的结构柱内增设钢筋,形成芯柱,提高柱的延性和抗剪能力。为增加建筑使用室内的净高,本工程采用无粘结预应力框架主梁,无粘结预应力密肋梁,跨中梁高350mm,大大减少了结构高度。预应力梁布筋图如图3所示。4楼盖结构方案比较本工程办公区大部分柱网为8.4m×8.4m,针对楼盖的布置方案,工程设计时曾作了四种楼盖结构方案的比较,见表1。不同方案下的楼盖梁板配筋见表2。不同楼盖方案的综合指标比较见表3。从表3可见,在室内净高要求一致的前提下,考虑到层高的降低减少幕墙造价,自重降低减少桩基造价等因素,本工程采用了较为经济实用的扁梁-密肋楼盖设计方案。5预测测试5.1多层预应力框架结构预应力测试的目的在于:①本工程采用了框架梁为宽扁梁,楼盖采用密肋楼盖,宽扁梁跨中高度和密肋梁高度相等,框架梁对肋梁起不到较好的固定支座的作用,受力较为复杂;②对于多层预应力框架结构,不同的预应力施工方案对预应力效应的建立会有不同,工程中实际的预应力效果与设计的目标是否一致,需要验证;③刚度较大的框架柱和剪力墙对预应力框架梁的预应力效应的建立是否会产生不利的影响。因此,委托同济大学预应力研究所对本工程主体结构施工中的受力和变形进行测试和分析。5.2梁上预应力筋校核测点主要布置在第三层A9和AG轴线的框架梁上,测点布置见图2。针对A9和AG轴线框架梁内的预应力筋的有效预应力进行检测和校核。测读工况为预应力张拉施工的张拉次序。5.3测试结果和分析1预应力筋检测本工程所采用的预应力钢筋为ϕs15.24无粘结钢绞线,单根钢绞线面积139mm2,强度标准值为1860MPa,张拉控制应力为1302MPa,取钢绞线的弹性模量为1.95×105MPa。采用YCQ-20千斤顶张拉预应力筋。根据现场张拉记录,针对A9和AG轴线框架梁内的预应力筋的有效预应力进行检测和校核。检测结果表明,对所检查的预应力筋,其实际伸长值与设计计算理论伸长的相对偏差不大于±6%;预应力筋张拉锚固后实际建立的预应力值与工程设计规定检验值的相对允许偏差不大于±5%。2测点最大反拱值将D1—D8测点的反拱值按照对应的工况进行测试,图4给出较为典型的3个测点的测试结果,最大反拱值见表4(其中的测点D4,读表始终为0,可能存在操作失误)。3混凝土弹性模量插值将混凝土应变测点的应变值按照对应的工况进行测试,图5给出2个典型的工况-应变曲线。各测点最终压应变、应力见表5,预应力施工中混凝土强度取80%设计强度。此阶段混凝土弹性模量由线性插值取E′c=3.06×104MPa,f′tk=2.09MPa,f′ck=-21.4MPa。张拉过程中的4个跨中截面混凝土平均预压应力见表6,可见张拉完成阶段混凝土平均预压应力大于1.0N/mm2,且小于3.5N/mm2。5.4张拉过程中楼盖变形(1)对所检查的预应力筋,其实际伸长值和预应力筋张拉锚固后实际建立的预应力值均满足《混凝土结构工程施工质量验收规范》(GB50204—2002)的有关要求。(2)第三层各测点张拉过程中最大反拱值变化范围为0～0.84mm,测点D7反拱值最大,为0.84mm,张拉过程中楼盖变形较小。(3)反拱值并不是线性增加的,在张拉过程中出现了波动的情况,反映了该预应力扁梁-密肋楼盖的空间受力特点,即梁的预应力效应相互影响。其规律与张拉次序有一定关系。(4)张拉完成阶段各截面混凝土为全截面受压,最大压应力为5.36MPa,小于0.8f′ck,均满足《混凝土结构设计规范》(GB50010—2002)规定。(5)张拉过程中跨中截面混凝土平均预压应力最大为3.32MPa,最小为1.98MPa,大于1.0N/mm2,且小于3.5N/mm2,满足《无粘结预应力混凝土结构技术规程》(JGJ/T92—93)规定,同时张拉过程截面应力增长呈非线性。6屋顶钢结构设计本工程在主楼中庭屋顶、主楼屋顶花园、附楼会议中心大跨结构、附楼间连廊及附楼屋顶大量采用钢结构,采用不同结构形式及节点。主楼中庭采光顶桁架受力较小,采用杆件断面尽可能小,以做到通透性好,故上桁杆采用型钢,下弦杆采用钢棒拉索,竖腹杆采用圆钢,风吸力的影响设计中应给予充分考虑,见图6。会议中心屋顶钢结构荷载大,承担钢筋混凝土屋面荷载、下挂马道,灯具等,采用钢桁架,上、下弦采用H型钢,腹杆采用双角钢,支座采用可移动橡胶支座,以避免对钢筋混凝土柱的侧向拉力,见图7。连接天桥采用型钢桁架,由于楼板置于下弦杆上,上弦杆采用了支撑桁架以起到稳定作用,见图8。辅楼间的钢结构连接走廊采用圆柱-型钢梁形成的框架,刚接节点与两边混凝土框架脱开,自成独立的钢框架体系,见图9