带预应力混凝土转换梁的框架结构计算分析.pdf

第 3 7卷 第 l 2 期 建筑结构 2 0 0 7年 l 2月 带预应力混凝土转换梁的框架结构计算分析 邬苗华 何丽波 许国平 张 兵 ( 1同济大 学土木 工程学 院 上海 2 0 0 0 9 2 ； 2宁波市建 筑设计 研究 院3 1 5 0 1 0 ) 提要 围绕大跨度预应力混凝土转换梁工程 ， 建立 了空问计算模型 ， 优化 了结构平面布置， 着力讨 论了楼 板、 结构自重 、 预应力张拉施工方案等因素对预应力转换梁抗裂验算的影响， 以及预应力在复杂结构中对周边 构件受力的改变 ， 提出了在设计 中应注意的问题及相应措施。 关键词 预应力 框架 转换梁 An a l y s o n F r a me S t r u c t u r e w i t h P r e s t r e s s e d R e i n f o r c e d C o n c r e t e T r a n s f e r B e a m Wu Z h e h u a 一，H e L i b 0 2 ， X u Gu o p i n g 2 ，Z h a n g B i n g 2( 1 D e p a r t m e n t o f C i v i l E n g i n e e r i n g ，T o n g j i U n i v e r s i t y ，S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 ，C h i n a ；2 N i n g b o A r c h i t e c t u r a l D e s i g n a n d R e s e a r c h I n s t i t u t e ，Ni n g b o 3 1 5 0 1 0， C h i n a ) Ab s t r a c t ： F o c u s o n p r o j e c t o f l o n g s p a n p r e s t r e s s e d c o n c r e t e t r a n s f e r b e a m，t h e s p a t i a l c a l c u l a t e d m o d e l s a r e b u i l t T h e s t r u c t ur a l p l a n a r r a n g e me n t i s o p t i mi z e dSo me f a c t o rs s u c h a s fl o o r me mb e rs ，s e l f - we i g h t o f s t r u c t u r e，c o n s t ruc t i o n p r o c e s s o f p r e s t r e s s i n g h a v i n g i n f l u e n c e u p o n c r a c k i n g c a p a c i t y a r e d i s c u s s e dMe c h a n i c s o f p e r i 0 h e r y me mb e r s a r e c h a n g e d a c c o r d i n g wi t h p r e s t r e s s i ng i n s o p h i s t i c a t e d s t r u c t u r eTh e d e s i g n me t h o d i s p ut f o r wa r d t o s a t i s f y t h e t e c h n i c a l s p e c i f i c a t i o n Ke ywo r d s： p r e s t r e s s e d； f r a me； t r a n s f e r b e a m 1 问题的提 出 宁波江南路会所是一栋 四层休闲与办公相结 合的 多功能建筑 。建筑总面积约 1 3万 m 。东南侧有一室 内游泳池穿插于 主体 结构 中， 位于主体结 构层 3楼 面 下方 ， 如 图 1 ， 2所示 。由于游泳 池 的布局在 主体结 构 层 3楼 面设置预应 力转换 梁来承托 上部两 层楼 面 、 屋 面和顶棚的荷载。如何针对结 构在施工和使用 阶段 实 际的受力情 况进行结构合理布置 ， 确定预应力度 ， 做好 预应力张拉施 工方 案 的安排 成为 工程结 构设 计 的关 键 。工程属 于丙类建筑 ， 抗震设 防烈度 为 6度 ， 场地 土 类别 类 ， 设计地震分组为第一组 。 2 计算模型 转换 梁 Y K L - l ， Y K L - 2的 跨 度 分 别 为 l 7 3 5 ， 2 1 7 7 m， 截 面分别 为 8 0 01 8 0 0 ， 8 0 02 0 0 0 。转换 梁 两 端 框 架 柱 截 面 为 1 0 0 0 1 0 0 0 。现 浇 楼 板 板 厚 1 0 0 m m。图 1阴影部位 的梁 、 板 、 柱混凝 土强度 等级为 C 4 0 。楼面 、 屋面活 载 ( 标 准值 ) 分别 为 2 5， 2 0 k N m 2 。 活载准永久值系数 为 0 5 。抗裂 等级为二级 。选 用有 粘结低松弛预应力钢绞线 j I 。 1 5 2 ， 抗拉强度标准值 厂 n 。 =1 8 6 0 N mm2 ，预应力筋张拉控制应力 为 0 7 0 I k ， 一 端张拉 ， 预应 力损失 为 2 3 2 。预埋 波纹 管 ， 采 用抛物线形与直线形混合布筋 。其中抛物线形 反弯点 分别在 0 1 1 6 L和 0 1 3 1 L处 。为进 行预应力混凝 土转 换梁的设计 ， 根 据工程经 验判断 紧邻转换 梁跨 的周 边 构件对 预应力设计有影响 ， 如图 l阴影部 位； 而其 他部 l 4 图 1 层 3 局 部 结 构 平 面 布 置 位构件 对 预应 力 设 计 影 响 较小 ， 不予 考 虑 。应 用 在 A N S Y S 8 1 基础上开发的 P D程序建立 了仅 阴影 部位的 空间结构计算模 型 ， 其 中是否考 虑楼板对预应 力施加 影响的整体计 算模型 如 图 3 所示 。模 型 中梁 、 柱选 用 L a g r a n g e 插 值 函数 的 2节 点 一 维 梁 单 元 ； 楼 板 选 用 M i n d l i n 板单元和平面应力单元组合而成 的 4 节 点二维 壳单元。同时也建立了相应的各施工阶段的计算模型。 3 转换梁部位结构的优化 以图 3不考虑 楼 板的 纯框 架 结构 为整 体计 算 模 型， 计算了在荷载标准组 合下转换 梁梁 上柱 的数 量和 维普资讯 http:/ 图 2 宁波江南路会 所 上层梁 的刚度对转换梁受 力的影 响。 3 1转换梁梁上柱 的数量 转换梁梁 上柱 数量 为 1时 ， 柱 布 置 于梁 的跨 中。 由表 1可知 ， 转换 梁上柱数 量 的增 加减少 了约 1 0 的 梁跨 中弯矩 ， 梁 的支座 弯矩和 支座剪力增大 了约 5 ， 而梁最大竖向位移变化不大。由于梁跨 中弯矩的减少 容易满 足抗裂验算 ， 降低 预应力梁预应力 钢筋用量 ， 同 时也有利 于减少 上层梁 的梁高 ， 提高结 构的整 体工作 协 同性 ， 故采用 了梁上柱数量为 3的方案。 标 准组合 下梁上柱 的数量 对转换 梁 受力的影 响 表 1 支座弯矩 跨中弯矩 支座剪力 最大竖向 控制截面内力 ( k N 1 11 ) ( k N 11 1 ) ( k N ) 位移( m m ) 粱上柱数量 l 3 l 3 l 3 l 3 Y K L - l 3 4 6 3 2 3 6 5 6 6 5 5 2 4 8 5 0 7 9 8 l 4 4 8 l l 6 5 87 9 6 9 8 Y K L _ 2 4 9 6 1 7 5 0 4 9 9 8 6 2 5 5 7 5 3 9 2 l 7 2 1 2 l 8 7 4 9 l 6 8 l 6 5 3 2转换梁上层梁 的刚度 Y K L - 1 上层 四跨梁截面尺寸为 3 0 04 5 0 ， Y K L - 2上 层两边跨和中跨 梁截面尺寸 为 3 0 07 0 0和 3 0 05 0 0 ， 设定此时上层 梁的刚度为 1 。由表 2可知 ， 转换梁上层 梁刚度 的增加将减少转换梁所承担的荷载 。上层梁 刚 度增加一倍对 转换梁 内力和 变形影 响不大 ， 而 上层梁 的内力有较大增加 ， 约 6 0 。如上层梁刚度增加十倍 ， 转换梁 内力和变形将减少 ， 约 1 0 ， 而上层 梁内力 有较 大的增加 ， 约 6 0 ， 梁最 大竖 向位 移减 少约 1 5 。经 综合 比较 ， 转换梁上层梁布置不作调整。 4 转 换 梁预 应 力的 设 计 4 1使用阶段抗裂验算分析 在使用阶段抗裂 验算分析 中考虑 了楼板 作用 、 结 构 自重逐层叠 加 、 预应 力施加 时结构所 处 的状 态等 因 素 ， 见表 3 。其中工程在结构标 高 9 O O m完成后 ， 混凝 ( a )不考虑楼板 的纯框架结构 ( b )考虑 楼板的框架结构 图 3 整体模 型 荷载标 准组 合下上 层梁 的刚度对 转换梁 及其 上层梁 受力的 影响 表 2 控 制 截 面内 力 支 座 弯 矩( k H m ) 跨中 弯 矩 ( m ) 支 座 剪 力( k N ) 最大 挠 度 ( 上 层 粱 刚 度 1 2 m 1 2 1 0 1 2 1 0 1 2 Y K L - l 3 6 5 6 6 3 5 9 1 7 3 3 6 3 4 5 0 7 9 4 9 6 8 3 4 5 8 1 3 I 6 5 8 7 l 6 2 4 0 l 4 8 9 4 9 8 9 5 Y K L - 2 5 0 4 9 9 4 9 5 6 8 4 6 8 0 9 7 5 3 9 2 7 3 5 9 4 6 8 0 2 q l 8 7 4 9 l 8 2 6 2 1 6 7 4 3 l 6 5 1 6 0 Y K L - 1 上 层 梁 l 8 3 8 2 9 5 9 7 8 l 9 84 4 1 4 7 5 3 5 0 4 I l 3 8 l6 0 ，3 3 3 2 7 l0 l 9 9 Y K L - 2 边 粱 5 5 7 2 8 5 0 7 l 8 0 8 8 2 56 9 3 8 7 5 7 0 8 ， 3 2 2 1 8 2 9 8 1 5 l 9 8 1 2 3 1 1 9 上 层 中 粱 7 5 1 3 8 1 2 6 5 7 5 6 1 9 0 ， 8 3 4 9 l 7 5 6 7 5 3 7 0 l 1 6 9 1 6 4 土标准立方体 强度达 到设计 强度等级 值时 ， 安排 施加 预应 力 ， 并一 次张拉 完毕。预应力 钢筋用 量是按抗 裂 验算计 算方 式 1 来 确 定 的。预 应 力转 换 梁 Y K L - 1 和 Y K L - 2的钢绞线分别为 5 6根和 7 4根 ， 具体布筋方式见 图 4 。转换 梁的应力 计算 见表 4 。楼板分 担 了预 应力 转换梁的部分预压 应力 ， 降低 了转 换梁 的轴 压力。考 虑楼板作用对转 换梁 的轴压 力的影 响见 表 5 。由表可 知 ， 为满足名义拉应力控制要求 ， 计算方式 1 的预应力 钢筋用量 要大于计算方式 2 。因此如在抗裂 验算中不 考虑楼板 参与受力 ， 计 算方式 2偏 于不安全 。考 虑结 构 自重逐层叠 加与不 考虑 的计算结 果相 比， 结 构 自重 产生的弯矩在跨 中变大 ， 支座变小 ， 两者弯矩差距的大 小与梁柱线刚度 比有关 。因此对于结 构 自重 占较大 比 例的工程应考虑结构 自重的逐层施加对结构设计的影 响l 4 J 。不考虑预应力施加的结构状态 即认为预应力施 加在结构封顶时。计算方式 4与计算方式 1相 比见表 6 ， 预应力综合 弯矩减小 了 2 5 。故在抗裂验算中未能 满足设计要求。计算方式 5是常规设计所采用 的。如 按计算方式 5所 得 的计算 结果需 做必要 的调 整 ， 增加 预应力钢筋用量 J 。 使用阶段抗裂验算计算方式 表 3 计算方式编号 l 2 3 4 5 考虑楼板 作用 是 否 是 是 否 考虑结构 自重逐层叠加 是 是 否 是 否 考虑预应力施加 的结构状态 是 是 是 否 否 使用 阶段抗 裂验算 结果 ( M P a ) 表 4 准永久组合下的主应力 标 准组合下的主应力 抗裂验 上翼缘 下翼缘 上翼缘 下翼缘 算方式 最大 最小 最大 最小 最大 最小 最大 最小 l 3 7 8 6 3 5 0 5 5 5 8 9 3 4 0 一6 g 7 O 6 4 6 4 l 2 4 4 3 7 7 7 一1 7 l 6 5 l 4 0 5 8 4 l 一1 3 0 一7 (B YKL l 3 3 8 6 5 8 l 1 1 2 一5 5 7 3 4 9 一6 1 4 0 7 5 一6 0 9 4 3 4 6 一7 显 1 2 7 6 4 0 3 0 8 8 1 5 2 0 l 6 9 2 5 4 2 1 一8 0 4 一1 6 4 6 6 6 3 蹈 8 6 8 一0 9 6 7 1 8 l 4 7 6 0 一O 4 6 一7 6 5 一3 7 4 8 4 9 1 1 4 8 - 3 l 2 一5 0 7 9 5 4 一1 9 8 8 4 5 8 1 0 4 5 一1 位 一8 9 3 YKL 2 3 4 5 3 6 5 3 1 7 2 一7 0 1 4 0 5 7 0 4 一1 1 0 7 6 8 4 3 6 0 9 8 5 2 6 4 8 5 4 3 1 2 一l 0 7 4 3 6 7 9 2 1 5 4 7 7 9 9 6 一 1 5 l 8 显 4 2 8 一l 0 g 7 0 5 2 9 1 9 l 5 维普资讯 http:/ I I 8 l 5 2 扩 I 5 212 8 6 5 2 盟 I s 十r 图 4 预应力转换 梁布筋方式 预 加力 下楼板对 转换梁 轴力 的影响 ( k N) 表 5 计算 考虑楼板作用 不考虑楼板作用 方式 跨中 支座 跨 中 支座 Y KL 1 5 3 2 7 9 6 6 1 4 8 7 4 7 7 6 7 6 3 8 9 Y KL 2 6 8 3 7 4 8 8 8 7 4 9 8 8 0 4 一 l 0 0 2 6 1 预加 力下对 转换梁 弯矩 的影响 ( k N m ) 表 6 计算 考虑施加预应力弯矩 不考虑施加预应力 的弯矩 方式 跨中 支废 跨 中 支座 Y KL 1 3 61 4 7 2 7 4 6 3 2 9 2 5 2 2 5 l 4 2 YKL 2 5 6 o 8 4 3 5 4 2 2 4 1 3 8 1 3 l 0 4 2 4 2施工阶段抗裂验算分析 施工荷载取结构 自重另加恒 载 0 5 k N m 2 ， 施 工活 载为 2 k N m 2 。施工阶段活 载的组合系数为 l 。考虑了 7种施工阶段 ， 如表 7所示。由图 5可知 ， 各阶段 预应 力转换梁应力满足抗裂验算的要求 。 施 工阶段 的计算 模型 表 7 施工 阶段序号 1 2 3 4 5 6 7 施工完成的标高 9 o 9 o 1 3 5 1 3 5 l 7 5 l 7 5 l 8 9 考虑结构 自重标高 9 o l 3 5 1 3 5 l 7 5 l 7 5 l 8 9 l 8 9 5 转换梁周 边构件 内力的计算分析 由于预应力的施加 ， 在超静定结构 中， 不仅转换 梁 周边构件会制约转换梁的变形 ， 而且转换梁的变形 也影 响了其周边构件 的受力情 况。楼 板作 用减少了预应力 转换梁的轴压力， 同时楼板也产生了一定 的拉 、 压 应力 。 在预应力工况下层 3楼 面沿预应力转换梁路径 l和路 径 2的 向和 Y向应力如图 6所示。由图可知 ， 与转换 梁相邻的板跨 存在拉 应力 ， 在转换 梁 内的板 跨 为压应 力 ， 在转换梁梁端处有拉应力集 中现象 。故在设计 中对 与转换梁梁 端相邻 的板跨板筋 加 强， 并 通长 布置 。同 理 ， 预应力转换梁两端的梁 K L - A按拉弯构件进行配筋 ， 而与转换梁平行的梁 K L - B按压弯构件 考虑。经 计算 ， 梁轴拉力 和轴压力分 别为 6 0 0 ，一 4 0 0 k N 。预 应力施工 方案按排在结构标 高 9 0 0 m完成后 混凝 土强度达 到设 1 6 计强度时安排施加 预应力 ， 并一次 张拉完 毕， 有利于将 预应力作用局限于层 3楼面的结构 ， 方便 了对上部结构 受力的控制 。支承转换 梁的框 架柱因采用混合布筋方 式 ， 受力得 到改善 。其最大弯矩减少了约 4 0 。 施工阶段序 号 ( a) Y KL 1 施工阶段序号 ( b) KL 2 图 5 标准组合下各阶段预应力转换梁应力 。 一 f -2 f -4 占 1 蕾 向坐标 ( 珂)X向坐标 ( a )路径 1 ( b )路径 2 图 6 层 3楼面预应力转换梁路径处应力 6 结 语 ( 1 )在复杂结 构中 ， 部分 结构 的预应 力设 计宜 根 据预应力影响范 围建 立空间计算 模型 ， 同时与整体结 构的计算结果进行 衔接 。抗风 、 抗震 分析仍应 整体 建 模分析 。 ( 2 )在多层框架结构中的预应力转换 梁抗裂验算 应考虑现浇楼板参与受力 、 结构 自重的逐层施加 、 预应 力张拉施 工方案 等 因素进行 多次建 模 ， 以保证 计算结 果能反映结构实 际受力状况。 ( 3 ) 带转换梁的框架结构 应设置必要 数量的梁上 柱 ， 转换梁 上层的梁可按常规设计 。 ( 4 )由预应力张拉施工方案 确定预应 力影 响的周 边构件 ， 根据其受拉 、 受压 的情况予以加强 。 参 考 文 献 1 柯长华 ， 刘季康 2 4 m跨度承托 四层框架的预应力钢筋混凝土粱 的设计特点和受力分析 J 建筑结构学报 ， 1 9 9 5 ， 1 6 ( 2 ) 2 刘 文 江苏省会议 中心预应力梁式转 换层设计研究 J 建筑 结 构学报 ， 1 9 9 8 ， 1 9 ( 6 ) 3 肖志斌 ， 马跃 ， 裘涛等 承 托八层框 架预 应力转 换梁设计 研究 J 工程设计学报 ， 2 0 0 3 ， 1 0 ( 5 ) 4 邬酷华 ， 楼文娟， 许 国平等 多高层建筑 结构考虑施工过程 的内 力分析 J 科技通报 ， 2 0 0 4 ， 2 0 ( 4 ) 5 邬菇华 ， 卫纪德， 唐锦春等张拉施工方案对预应力混凝土多层 框架梁设计的影响 J 哈尔滨建筑大学学报 ， 2 0 0 2 ， 3 5 ( 3 ) ) 一 _ 瓣 ， 、 ， ， 一 一 藏 0 力 一 一 龆 一 太 小大小， 一 n 最 最最 最 一 ， 一 一 辔 篆缘 缘 一 一 一 一 矍翼超 翼 一 一 上 上下下 ， 一 2 维普资讯 http:/