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預應力型鋼混凝土桁架的設計和施工探究

來源:原創論文網 添加時間:2019-07-27

  摘    要: 某會展酒店采用預應力型鋼混凝土桁架, 屋蓋梁作為桁架上弦, 5層梁作為桁架下弦, 并對桁架下弦采用預應力索張拉, 在桁架下弦吊掛4層樓蓋, 既保證結構安全, 又滿足建筑在2、3層中庭架空效果。

  關鍵詞: 吊掛結構; 預應力型鋼混凝土; 桁架結構; 含鋼量;

  Abstract: Prestressed steel reinforced concrete truss is adopted in a convention and exhibition hotel. Roof beam as truss upper chord, five-story beam as truss lower chord, and prestressed cable tension is used for truss lower chord to hang four-story floor in truss lower chord, which not only ensures structural safety. It also meets the aerial effect of the building in the second and third floors of the atrium.

  Keyword: hanging structure; prestressed steel reinforced concrete; truss structure; steel quantity;

  1、 概述

  預應力型鋼混凝土兼具了預應力混凝土結構與型鋼混凝土的優點, 在適用跨度、承擔荷載等方面均優于預應力混凝土結構及型鋼混凝土結構[1], 采用預應力鋼絞線, 對減少用鋼量、提高結構整體剛度和減小構件的撓度、裂縫寬度有著良好的效果[2]。吳有豪等人[3]分析表明:加入預應力筋、型鋼后轉換梁跨中抗彎承載力、剛度都有很大程度的提高, 不僅可以進一步減小構件尺寸和配筋面積, 還可改善轉換梁力學性能[4,5,6]。薛偉辰等人[7]完成4根PSRC和SRC簡支梁的低周往復荷載試驗, 結果表明:PSRC梁的滯回曲線呈明顯的梭形, 具有較好的位移延性、耗能能力和變形能力。

預應力型鋼混凝土桁架的設計和施工探究

  本工程為會展酒店, 集宴會、會議、多功能廳為一體的大型綜合性建筑, 1層為商業部分, 為滿足建筑功能要求需在2、3層設置25.2 m×33.6 m的商業中庭, 4層為開敞性辦公室, 4層上空為50.4 m×67.2 m無柱宴會廳, 由于宴會廳運營高度需要, 其屋蓋結構提至主體結構屋面以上約9 m, 大跨度屋蓋采用預應力型鋼混凝土倒三角桁架, 屋面板采用160 mm厚混凝土。宴會廳屋蓋平面如圖1所示, 橫向端部設置交叉桁架HJ4、HJ5, 其中HJ4為預應力型鋼混凝土桁架, HJ5為鋼筋混凝土桁架, 在縱向設置柱間支撐保證屋蓋的側向剛度和穩定。HJ5僅需滿足屋蓋側向穩定;而HJ4下方標高24.5 m處大跨度梁因建筑要求梁高只能控制不高于1 m, 利用上方對應HJ4設置吊柱以滿足4層大跨度樓蓋剛度、承載力要求。HJ4利用宴會廳對應主體結構屋面邊梁作為下弦, 在宴會廳屋蓋位置設置上弦, 同時HJ4可作為宴會廳大跨度屋蓋的邊支座。HJ4需在桁架下弦采用吊柱形式吊掛4層結構, 需考慮4層所吊掛40.2 m×25.2 m范圍的樓板荷載、5層荷載, 宴會廳屋面荷載。吊掛結構體系改變了傳統意義的柱支撐梁受力模式, 由桁架下弦下伸吊柱, 既滿足建筑大空間的使用功能, 又保證宴會廳屋蓋的側向穩定。建筑剖面及預應力型鋼混凝土桁架示意如圖2所示。

  圖1 宴會廳屋蓋平面圖
圖1 宴會廳屋蓋平面圖

  Fig.1 Floor Plan of Banquet Hall Roof

  2、 預應力型鋼混凝土桁架的分析與計算

  桁架跨度達42 m, 承擔主體屋面、宴會廳屋蓋邊跨、4層宴會廳對應中庭樓蓋荷載, 恒載約為283 kN/m、活載約為77 kN/m。桁架承載力需求很大, 經計算桁架下弦承受拉力設計值11 220 kN (1.35D+0.98L) , 桁架下吊柱承受拉力設計值2 191 kN (1.35D+0.98L) 。采用普通鋼筋混凝土交叉桁架不能滿足承載力及變形要求。型鋼混凝土構件與混凝土構件相比, 能大幅提高構件的受拉及受剪承載力;與鋼構件相比, 外包混凝土可保證鋼構件穩定性, 且不需要額外的防火防腐涂層, 更為經濟。為提高桁架構件截面承載力及桁架整體剛度, 采用型鋼混凝土桁架。由于下弦及支座斜腹桿拉力大, 在型鋼混凝土構件內置預應力鋼絞線, 在桁架下弦的型鋼混凝土構件內置預應力鋼絞線, 可提高下弦桿的受拉承載力, 減小構件正常使用狀態下的撓度、裂縫, 提高桁架的整體剛度, 降低桁架的含鋼量。基于型鋼混凝土構件及預應力型鋼混凝土構件的諸多優點, 桁架采用預應力型鋼混凝土結構。

  圖2 吊掛范圍及型鋼混凝土轉換桁架示意圖
圖2 吊掛范圍及型鋼混凝土轉換桁架示意圖

  Fig.2 Schematic Diagram of Hanging Range and Schematic Diagram of Steel Reinforced Concrete Conversion Truss

  型鋼混凝土桁架型鋼強度等級Q345, 混凝土強度等級C40, 預應力索材為鋼絞線索, 抗拉強度標準值1 870 MPa, 抗拉強度設計值1 320 MPa, 張拉控制應力837 MPa。桁架上下弦桿及斜腹桿各節間互相剛接。桁架各桿件軸力設計值如圖3所示, 經核算截面強度滿足要求。桁架正常使用狀態下最大撓度為48.3 mm。

  圖3 桁架各桿件軸力設計值 (1.35D+0.98L)
圖3 桁架各桿件軸力設計值 (1.35D+0.98L)

  Fig.3 Design Value of Axial Force of Truss Members

  上弦桿、受壓斜腹桿、型鋼混凝土柱按小偏壓構件設計, 下弦桿、吊柱、受拉斜腹桿按小偏拉構件設計, 受拉桿縱向受力鋼筋沿截面周邊對稱布置, 按受拉筋要求搭接;桿件計算長度按集合長度取。桁架的構造要求:桁架端部節點由多根桿件匯交[8]受力復雜, 節點寬度與上下弦桿保持一致, 為減小應力集中, 桁架上弦桿與桁架柱連接大樣如圖4所示, 桁架下弦桿與吊柱連接大樣如圖5所示。下弦桿、吊柱及受拉支撐按小偏拉桿件設計, 截面拼接需按受拉桿進行等強拼接。下弦桿處屋面板取200 mm厚, 配雙層雙向鋼筋, 為滿足樓板的抗裂需求, 樓板內置預應力鋼絞線。上弦樓板兼做宴會廳屋蓋上弦桿翼緣, 取160 mm厚, 配雙層雙向鋼筋。

  圖4 桁架上弦桿與桁架柱連接大樣
圖4 桁架上弦桿與桁架柱連接大樣

  Fig.4 Detail of Connection between Truss Upper Chord and Truss Column

  圖5 桁架下弦桿與吊柱連接大樣
圖5 桁架下弦桿與吊柱連接大樣

  Fig.5 Detail of the Connection between the Lower Chord and the Suspension Column

  3、 預應力型鋼混凝土桁架施工方案分析

  3.1、 預應力型鋼混凝土桁架施工方案及難點概述

  ⑴桁架跨度大, 自重大, 以運輸最大尺寸散件在地面拼裝、整體吊裝, 能減少構件焊接量, 更避免了散件高空焊接, 但是吊裝成本太高;若采取散件高空焊接, 根據吊裝的起重量分割構件, 勢必增加焊縫量, 增加了焊接應力, 散件高空焊接質量更難以控制。

  ⑵預應力型鋼混凝土桁架是在下弦采用吊柱結構形式吊掛4層結構, 需待混凝土達設計要求方可張拉預應力筋, 而預應力張拉完成才能發揮桁架作用, 又由于支撐高度22.5m屬高支模, 施工支撐方案需專項設計。

  ⑶桁架既承受5層結構、宴會廳屋蓋作用, 又懸吊吊柱, 因此各部分施工順序也尤為關鍵。

  3.2、 預應力型鋼混凝土桁架安裝設計

  經過多方案對比, 對桁架吊柱部分采用散件運至現場, 采用塔吊吊裝, 焊接完畢再澆筑混凝土;對桁架上弦桿、下弦桿及支撐按運輸最大尺寸運輸至現場在地面拼裝完畢, 再用500 t吊車整體吊裝。這樣既保證了單個分段的重量不致太大, 又可通過合理的分段減少高空焊接量。

  3.3、 預應力混凝土安裝順序

  預應力混凝土桁架需待混凝土達設計強度后, 張拉直線型預應力筋再張拉折線型預應力筋;最后張拉宴會廳屋蓋桁架的直線、折線型預應力筋。待型鋼混凝土桁架預應力結構及宴會廳屋蓋結構預應力筋張拉完成, 方可拆除桁架相關范圍地下1層~4層間支撐。有建筑功能需求的商業中庭范圍也需待桁架發揮作用再拆除中庭范圍2~4層間支撐。

  3.4、 預應力型鋼混凝土桁架的監測

  國內的大跨型建筑, 如橋梁和大型復雜結構、地下結構等, 都需要進行健康的監測, 以確保結構施工階段的安全性, 同時對結構運營階段的安全性起到預警作用[9]。如果不考慮施工過程的影響, 則結構設計理論分析所得到的結果與實際情況會存在一定的差別, 造成結構施工完畢狀態和設計狀態不一致, 從而使結構埋下不安全因素[10]。本工程預應力型鋼混凝土桁架下吊掛40.2 m×25.2 m范圍的樓板, 受力復雜, 對桁架上下弦、支座斜腹桿、吊柱安裝粘貼應力應變傳感器, 實時監測混凝土拉控應變。

  4、 結論

  本工程為滿足2、3層中庭架空效果, 在5層及屋面層采用預應力型鋼混凝土桁架, 屋面梁作為桁架上弦桿, 5層梁作為桁架下弦桿, 在桁架下弦采用吊掛結構承擔4層樓蓋荷載, 在下弦張拉預應力提高桁架的整體剛度, 減小桿件撓曲變形與裂縫寬度。在細部設計時, 為減少關鍵部位應力集中, 采用節點擴大做法。經過多方對比, 采用先吊裝吊柱安裝完畢, 再在現場整體拼裝桁架上下弦后, 整體吊裝桁架施工方案, 較好地解決了設計、施工中存在的技術問題。

  參考文獻

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  [2]葉浩, 羅赤宇, 陳星.廣州琶洲跨國采購中心結構設計[J].廣東土木與建筑, 2012, 19 (2) :3-5+44.
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  [4]黃斌.預應力混凝土梁式轉換層結構受力性能研究[D].廣州:華南理工大學, 2010.
  [5]杜雪芳.淺析鋼骨混凝土轉換梁的優缺點[J].四川建筑, 2009, 29 (6) :159-160.
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  [7]薛偉辰, 楊楓, 蘇旭霖, 等.預應力鋼骨混凝土梁低周反復荷載試驗研究[J].哈爾濱工業大學學報, 2007, 39 (8) :1185-1190.
  [8]李春光, 王進, 曾凡生, 等.西安曲江國際會議中心型鋼混凝土轉換桁架設計[J].建筑結構, 2014, 44 (6) :37-41.
  [9]曾敏.大跨預應力型鋼混凝土梁施工監控與模擬分析[D].長沙:中南大學, 2012.
  [10]張菊.大跨度空間鋼結構成型過程中的位移控制[D].武漢:武漢理工大學, 2009.

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