体育馆悬挑预应力大梁的设计与施工.doc

体育馆悬挑预应力大梁的设计与施工
南京龙江体育馆为多功能体育馆，其入口处的悬挑大梁KJ1承受的荷载很大。为保证结构的耐久性及刚度，使用过程中不向短挑梁转移荷载，KJ1的外伸长梁采用了部分预应力混凝土大梁。
经比较分析，从受力的合理性角度及减轻自重方面考虑该大梁的截面为变截面，悬挑梁根部截面尺寸为700mm2000mm，端部截面尺寸为700mm900mm。由于KJ1框架梁的、段的正弯矩较小，预应力筋在该段主要沿梁顶面部置，在触处锚固。该悬挑大梁的混凝土等级为C40。预应力筋采用1860级低松弛钢绞线，张拉端用QM15-6型锚具，固定端用挤压锚，预留孔道用金属波纹管成型。
第1章 结构设计原则
该大梁处在室内低侵蚀环境，考虑到该悬挑结构以承受恒载为主，预应力筋按下列原则配置：
在恒载下截面不退压；
在使用荷载下裂缝宽度小于0.1mm；
在常遇地震作用下裂缝宽度小于0.2mm。
第2章 预应力筋布置
该悬挑大梁的危险截面为根部截面，弯矩是主要内力。为使该截面的抵抗弯矩最大，预应力筋尽可能靠顶布置。根据上述原则大梁共采用48根Φj 15预应力筋，分成8束，每束6根。预应力筋在悬臂根部截面排成2排，位置如图4-10-1所示。在悬臂末端区域，由于弯矩较小，预应力筋分别距悬臂端1.5m及1.0m处锚固下排中间及上排中间2束预应力筋，在悬臂端部锚固4束。因KJ14大梁支承在悬挑梁的端部，悬臂端的4束预应力筋应紧贴梁外侧锚固在混凝土内(保护层厚80mm)。
大梁预应力筋走向如图4-10-1(a)所示。为保证局部承压的安全，除将梁在柱外加宽到800mm外，还将中间2束空间扭转成上下束，如图4-10-l(b)所示。
第3章 结构性能分析
第1节 预应力损失
该大梁预应力筋张拉控制应力取σcon =0.751860=l395N/m m2，在悬挑梁根部各项预应力损失如下： σL1=60N/m m2， σL2=21N/m m2； σL4=35N/m m2， σL5=5lN/m m2，总损失σL=167N/m m2。预应力筋中有效预应力为： σpe=1228N/m m2。总预压应力为8252kN。
第2节 活载弯矩值
活载包括楼座荷载及屋盖雪载等荷载，在悬臂根部引起的弯矩为1806kN m。
第3节 长期及短期荷载下抗裂度验算
最大弯矩截面受拉区最外纤维抗裂度验算结果如下：长期荷载与预应力共同作用下的混凝土应力为－0.65N/m m2，短期荷载与预应力共同作用下的应力为3.18N/m m2，因此在长期荷载及短期荷载组合下满足抗裂要求，均满足该工程的设计原则。验算截面取边柱边截面。
第4节 抗弯及抗剪承载力计算
所需抵抗的设计弯矩为13781kNm，预应力筋抵抗弯矩为12054kNm，按承载力要求应补充的非预应力筋为As=3094m m2。非预应力筋按构造要求配置0.3%A=0.0037002200=4620m m2。最后配置10Φ25非预应力筋。因剪力不大，抗剪承载力易满足。
第5节 悬臂大梁的位移
悬臂大梁梁端位移对该工程来说是一个严格控制的指标。因梁端位移过大将引起与之相联构件的内力调整，一些构件将出现过大裂缝。采用预应力混凝土，该大梁在外载及预应力共同作用下不开裂。故截面刚度取为B=EI。
由于大梁为变截面大梁，大梁的变形计算应采用广义等效荷载计算。根据计算分析，在荷载作用下梁端位移为26.647mm↓，而预应力作用下梁端位移为19.324mm↑，最终位移为7.37mm↓。位移小于悬臂长度的1/l000。
第6节 锚固区的设计
固定端因在大梁内分散锚固，局部承压的安全容易保证。采用挤压锚加垫板及螺旋筋的形式。6根预应力筋共用l块锚板和1根螺旋筋。因垫板四周范围较大，局部承压比较富余。
张拉端采用铸铁喇叭管，原有配套的螺旋筋，但因锚具比较集中，改为网片，由图4-10-1(b)可见外边锚具中心离梁边缘为150mm。为加强梁端局部承压的承载力，在梁端将外框箍筋直径加大，间距加密，并用拉结筋拉牢，如图4-10-1(c)所示，使梁端形成一个整体的锚固块。张拉完成后观察表明，张拉端及固定端均未出现任何形式的裂缝。这里必须提及的是锚固区的设计首先是错具在梁端的合理分布，而不是加间接钢筋。
第7节 腰筋的直径与间距
腰筋对混凝土收缩裂缝的控制及大梁抗扭起有利作用。若梁尺寸较大，混凝土等级较高，其腰筋直径及向距与钢筋混凝土规范的规定应有所区别。KJ1框架大梁设计中腰筋的直径为Ф20，间距为200mm，观测表明效果较好。
第4章 预应力施工
龙江体育馆KJ1框架悬挑大梁预应力筋主要沿梁顶布置，近似为直线配筋，孔道摩擦损失小。由于悬臂端无法张拉，只能采取一端张拉。该大梁的非预应力筋配筋多，梁的尺寸大，故采用预应力筋先穿入波纹管中的方案。由于预应力筋在张拉端及锚固端都需要中间扭束，故大梁的箍筋股距必须方便预应力筋扭束。为保证预应力筋实际形状与设计形状相同，减少附加的摩擦损失，钢筋井架间距取为600mm。为保证张拉前孔道畅通，利用该大梁的倾斜度较大的特点，在混凝土初凝前从梁末端泌水孔中灌水，将浇注中可能渗入的水泥浆冲刷掉。
张拉顺序是先中间一列，后两边交错进行。考虑到大梁混凝土压缩的影响，前4束比后4束张拉力高1.5%。
由于该大梁截面不属于薄腹梁，梁侧有楼座次梁与主梁联系，预应力筋张拉全部一次张拉到位。大梁高差近10m，采用特制的止水阀门，以免过大压力使水泥浆从喇叭管渗出。由于水泥浆中水泥自动向低处沉淀，末端的泌水及补浆非常重要。为确保灌浆质量，采取分别在灌浆后1h和4h两次补浆的措施。