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1、大跨度预应力混凝土楼盖主梁结构分析 摘要:根据实际工程的需要,采用有限单元法对结构的优选方案进行了计算分析,给出了各工况下结构上的应力和位移分布规律,分析结果表明,采用大跨度预应力混凝土楼盖主梁结构是经济合理的,能够满足工程要求。 关键词:预应力;主梁;有限元法;后张法 1引言 随着我国建筑业的迅速发展,大跨度的预应力钢筋混凝土框架结构得到了广泛的应用。如何对预应力钢筋混凝土结构进行准确的受力分析?并为结构设计提供坚实的理论依据。各国学者进行了深入的研究,有限单元法的诞生,为解决这一问题提供了一条有效的途径[1]。 2结
2、构方案的确定 2.1建筑方案 某单位四层附属综合办公楼工程,作为会议和办公设施。其中位于办公楼四层的会议室建筑面积518.7m2,平面长27.3m,宽19m,能容纳260～300余人。考虑到会议室的功能要求,应采用跨度为19m的大跨度框架梁楼盖结构。对于大跨度框架梁楼盖结构的选择,可以考虑型钢混凝土组合结构、钢筋混凝土桁架结构、预应力钢筋混凝土结构、普通钢筋混凝土密肋梁板结构等。 但在方案比选中考虑到:①业主要求综合楼的屋面可作为职工休息时间的活动场所,因此,不能采用较大的坡度的屋面形式。而且对受力主梁的挠度变形要求比较高,在这种情
3、况下,就不能选用钢筋混凝土桁架结构。②若采用普通钢筋混凝土密肋梁板结构,跨度为19m,为满足挠度及裂缝宽度限值的要求,梁将具有很大的横截面高度,这就很难满足会议室内部上空的净高和美观要求。③如果采用型钢混凝土组合结构,屋面楼盖采用压型钢板混凝土组合楼板,那么在结构原理上,是比较合理的。但与采用预应力钢筋混凝土结构相比,钢材的使用量比较大,建筑成本较高[2]。综合以上的分析,框架主梁采用后张法有粘结预应力结构,框架主梁的截面为400mm×1200mm,次梁的截面为300mm×600mm,楼板厚度为100mm,柱子采用普通钢筋混凝土结构,截面70
4、0mm×700mm,具体的结构布置及计算模型见图1。主、次梁、柱结点处混凝土强度等级采用C40,柱的混凝土强度等级采用C30。 2.2构造要求 框架主梁支座及跨中非预应力筋均采HRB335级,直径为25mm,通长设置。预应力筋按双束设置,一端张拉,张拉端分别设在梁的两端。预应力筋的孔道采用预埋Φ70波纹管来实现,预应力筋在梁内按束布置,锚具采用OVM锚具系列。张拉并灌浆完毕后,用C30混凝土进行封闭保护。为保证预应力筋的孔道可以顺利通过梁柱结点并准确定位,柱纵筋布置成双排,在满足规范要求的前提下,增大纵筋的间距[3]。 3结构计算模型
5、 3.1单元选择3 在对大跨度有粘结预应力混凝土楼盖主梁结构进行分析时,混凝土主梁、次梁、柱和楼面板采用8结点的等参块单元来模拟,预应力钢筋采用2结点的杆单元来模拟,由于模拟有粘结预应力钢筋,要求杆单元的结点位移同块单元结点位移协调,即两种单元共用结点。 3.2荷载与工况 作用在楼盖上的荷载包括自重(梁板自重、面层及吊顶自重),人群荷载取3.5kN/m2,地震作用。由于建筑的设计使用年限为50年,建筑结构的安全等级为二级,抗震设防烈度为7度,设计地震分组为第一组,抗震等级为三级,采用拟静力法计算,设计基本地震加速度为0.1g。 本
6、设计和计算考虑如下3种工况:工况1,自重+预应力;工况2,自重+预应力+人群荷载;工况3,自重+预应力+人群荷载+地震作用。 3.3预应力损失计算 主梁预应力筋采用低松弛高强度钢绞线,每束钢绞线为6×7Φ15。强度标准值fptk=1860MPa,张拉控制应力σcon=0.75fptk=1395MPa。主梁两束预应力钢筋采用一端张拉,其预应力损失分为两批,主梁各位置处预应力损失计算结果参见表1。 4计算成果分析 4.1应力分析 通过对该预应力混凝土楼盖结构的分析,得到了各工况下结构第四层主梁、次梁和楼板上的应力分布情况,其最大
7、拉应力、最大压应力、最大剪应力值及所出现的位置如表2所示。 从表2可以看出,结构的最大拉应力出现在主梁上,虽然最大值达到了2.97MPa,但这只是出现在主梁下边缘非常小的局部范围内,结构主要部分的拉应力都在材料允许范围内。其最大压应力出现在主梁或次梁上,混凝土的抗压强度能够满足要求。并且,计算结果表明,地震作用对预应力混凝土楼盖主梁结构影响不大,而人群荷载对结构影响较大。 4.2变形分析 各工况下结构第四层的最大位移参见表3。 从表3可以看出,当预应力施加后,主梁出现了明显的反拱,反拱位移2.31mm。采用预应力钢筋混凝土主梁后,结构
8、的挠度值很小,最大挠度出现在工况3下,为8.54mm。而《规范》规定[3],计算跨度l0>9m时,其挠度限值为l0/300=63.3mm。实际挠度远远小于规定
