预应力混凝土桁架结构主通道的合理跨度

预应力混凝土桁架结构主通道的合理跨度

1转换结构在设计与施工中的一些技术问题为了满足上层和下层框架的不同长度要求，构建了结构。作为转换结构本身除了要承受层内的荷载外,往往承托着上部框架传来的巨大竖向荷载。同时,由于力的传递途径发生了很大的改变,因而靠近底部的结构内力状态与边界条件更为复杂。然而,有关预应力转换结构的设计与施工方法,现行规范尚未涉及。因此,对转换结构在设计和施工中的一系列技术问题必须十分谨慎。本文以浙江省交通规划设计研究院办公大楼为工程实例,结合该工程的设计与施工实际,介绍了结构内力分析、预应力混凝土桁架设计、锚具配套组装试验、预应力张拉控制、两端锚后有效预应力实测及转换桁架变形等情况,提出了一些处理方法。2战结合分级防护装置结构体系该工程位于杭州市环城西路与天目山路交叉口,建筑面积20500m2,地下室1层,按平战结合六级人防工程设计。地上14层,局部15层,基本高度50m(图1)。本工程采用全现浇混凝土框架-剪力墙结构体系,按6度抗震设防。基础采用静压φ600高强预应力混凝土管桩。工程于1999年11月结顶,2000年底装修完毕,2001年3月投入使用。3次立面柱网—结构布置框架柱网8m×8m,结合电梯核心筒与角部楼梯间、排气井布置剪力墙,虽建筑平面不太规正,但结构整体性仍然完好(图2、图3)。框架柱断面0.8m×0.8m,主梁0.4m×0.5n1(高),次梁0.25m×0.45m(高),边梁0.4m×0.8mm(高)。板跨一般4.0m×4.0m,厨房、资料库、装订间等荷载较大,板跨2.0m×2.0m。由于柱网轴线与环城西路沿街面成45°夹角,这一建筑次立面的柱距即为(约11.3m)。而作为该建筑主入口(Ⓐ轴,位于环城西路转角处)若仍按8m柱网落地,整个建筑就会显得主次不够明确。因此,在该工程建筑方案修改阶段,结构专业主动与建筑师配合,扩大主入口跨度,表现交通设计行业大步跨越的个性特征。在主入口上方的2～4层布置了一榀跨度19.2mm的预应力混凝土桁架作为上下框架的转换结构(图4)。底层与4层以上的柱子断面统一,从而保持结构竖向刚度均匀一致。4桁架结构分析及设计限于条件,本工程采用中国建筑科学研究院PKPM系列的TAT软件进行三维分析与辅助设计,转换结构的内力与变形用SAP84(5.0版)计算。为了合理确定桁架的结构尺寸,结构分析与断面设计交替进行,具体步骤简述如下:(1)假定Ⓐ轴结构为规划框架,即⑤、⑥轴柱子落地,用TAT作空间分析;(2)作一简化的桁架(图5),用上述分析所得4层柱下端内力作为该桁架的外荷载,用力法并利用对称性很容易算出各杆件轴力,然后初选桁架弦杆与腹杆断面;(3)按已选桁架杆件重新用TAT作空间分析,为了能求出轴力,将弦杆作柱单元处理即可得到各杆件在长、短期荷载作用下的ML、ML、VL,与MS、NS、VS,以及杆件在荷载组合后的最大内力设计值;(4)对桁架的下弦杆进行预应力构件设计。根据使用要求,确定裂缝控制为二级,即按荷载长期效应组合时,下弦杆受拉较大的一边(因同时有弯矩作用)边缘混凝土不出现拉应力,而按荷载短期效应组合时,边缘混凝土的拉应力不超过αctγftk;(5)将有效的预应力筋拉力作为外荷载施加在节点上,用TAT得出结构分析及截面设计的最后结果。为了验算桁架部分的内力和变形,将该桁架分离出来作为平面框架,采用SAP84进行计算,并用手算校核。为便于立模现浇,桁架厚度与柱子统一为0.8m,上下弦杆及承压斜杆断面均为0.8m×0.8m,其余斜杆0.8m×0.4m。三层楼面主梁0.4m×0.55m(高),以桁架腹杆为支承点(图6)。桁架上下部分两次浇筑,混凝土C45。预应力筋采用高强低松驰钢绞线,fptk=1860N/mm2,9束预应力筋(4×6φj15+5×7φj15)第一次张拉时穿入预埋波纹管孔道内。现浇桁架的节点构造应充分注意不同杆件的受力特点,参考屋架节点配筋。文献已提出了较详尽的建议措施,本文不再罗列。5静载试验研究(1)支模要求:本工程在基础设计时,已考虑到上部结构的施工方案。地下室内⑤、⑥轴的立柱虽使用阶段荷载较小,但施工阶段却要承担桁架及以上框架柱传来的荷载。柱下单根管桩同样压至风化岩,极限承载力可达5000kN。因此要求⑤、⑥轴桁架下部及上下弦节点间均用型钢焊成格构式临时支撑,满足施工荷载的竖向传递。(2)锚具配套组装试验:由于作为转换结构的预应力混凝土桁架在本工程中的重要性,对设计采用的钢绞线、QM15夹片式锚具通过组装件静载试验,锚具效率系数ηa和达到实测极限拉力时的总应变εapu.tot应符合文献的有关要求。(3)分批张拉与测试:本工程的现浇结构连续施工,采用分批张拉的主要原因是:一次性张拉会有较大反拱,对结构不利;利用结构自重及施工活载抵消反拱又受临时支撑下地下室立柱与基础的承载能力限制。故确定分两批张拉。确定第一批张拉的时间应满足以下条件:①桁架混凝土强度已达100%;②桁架在预应力筋张拉时反拱小于4mm;③桁架下临时支撑受荷不超过2500kN。根据施工进度,确定在7层楼面浇筑完成后进行第一批张拉,此时桁架混凝土龄期已达50天。第二批张拉在14层施工时同步进行。预应力桁架结构测试由浙江大学结构工程研究所承担,测试主要内容有:①每束预应力筋的张拉控制力及延伸值,孔道摩擦损失值;②两批张拉中各选一束顶应力筋的锚后预应力值;③上弦跨中的反拱及侧向位移值;④逐层施工及结顶后一个月建立的有效预应力。6框架变形控制若按桁架结构本身的挠度或反拱允许值作为相邻框架节点的强迫位移,由此计算相邻框架梁中产生的次内力比例将近50%,因此严格控制桁架变形是十分重要的。在连续施工中桁架与相邻梁板不做后浇带,则对变形控制提出了更高要求。根据计算,框架竖向位移值限制在4mm以内时,框架次内力不会超过10%。由于采用了前述支模方案、分批张拉等一些有效措施,收效很好。第一批张拉时,计算反拱值0.9mm,实测值0.7mmm。第二批张拉时,计算总反拱值1.15mm,实测值0.85mm。结顶后过一个月桁架临时支撑拆除,测得挠度0.9mmm。施工过程及正常使用以来,未发现开裂等情况。7转换结构的施工支模方案(1)预应力混凝土桁架作为转换结构具有刚度大、抗裂性好、自重轻、材料节约等特点。(2)由于目前大多高层建筑结构计算分析程序均采用了楼板平面内刚度无穷大的假定,因此无法计算楼板平面内杆件的轴力和轴向变形。为求得转换桁架的内力和变形,宜采用三维杆系有限元分析软件并作杆件刚度方面的处理。(