大跨度预应力混凝土刚架索梁设计.pdf

远芳等： 大跨度预应力混凝土刚架索粱设计 1 0 1 大跨度预应 力混凝土刚架 索梁设计 远芳 ， 王国兴 ( 哈尔滨工业大学建筑设计研究院。 哈尔滨1 5 0 0 9 0 ) 【 摘要】 预应力混凝土刚架索梁是由预应力技术、 格构式混凝土梁结合而成的一种新型结构体系， 它可以 满足现代建筑的大空间使用功能要求。本文针对实际结构工程， 利用 S A P 2 0 0 0 V 1 5 进行了内力计算， 并根据现行 规范进行了概念设计 ， 提出了实用设计方法供类似工程参考。 【 关键词】 预应力混凝土刚架索梁； 大跨度； 实用设计方法 【 中图分类号】 T U 3 7 8 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 【 2 0 1 4 ) 0 6 0 1 0 1 0 2 预应力混凝土刚架索梁是一种新型预应力 混凝 土梁( 以下简称索梁) ( 图 1 ) ， 是预应力索梁和钢 筋混凝土空腹刚架两种结构形式的有机结合 ， 该体系 受力合理、 自重轻、 节省材料， 同时继承了钢筋混凝土 结构耐火性能好的优点。在较大跨度和中小跨度 的 钢筋混凝土楼盖体系中采用预应力混凝土刚架索梁 可显著减少材料用量、 减轻结构 自重、 降低结构层高、 符合绿色低碳建筑的基本要求。该梁呈格构式， 主要 由顶梁、 索梁、 底梁 以及多个梁问协调立柱相互连接 在一起形成， 在顶梁和底梁之间 自然形成多个大小不 等的孔洞。其中， 顶梁和底梁水平设置， 梁间协调立 柱竖直布置在顶梁和底梁之间， 索梁呈抛物线形布置， J| d 趟 - I - I I | _ - - I - VV ， 、 、 ， 八 VV VVVVV 、 ， - 蚴网架 二层： 网球厅 - 7圈目口口口0目匕 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 L 。 一 l 一 层： 多功能比赛厅 l 3 6 0 0 0 图2某工程剖面示意图 2设计 方法 ( 1 ) 确定楼面荷载。索梁间距为 4 5 0 m， 沿垂 直索梁跨度方 向布置 7根。考虑到该方 向边跨跨度 ( 即索梁布置间距) 为 5 7 0 m， 因此最终受荷面宽度取 5 1 0 m计算。索粱翼缘的计算宽度取 7 0 0 m m+ 9 0 0 m m X 2= 2 5 0 0 ra m， 楼面荷载主要包括以下几个部分 ： 梁 体、 框架柱 自重： 软件 自行考虑， 钢筋混凝土容重取 2 5 0 0 k N m ； 板自重( 除去梁体 2 5 0 m有效宽度范 围) ： 0 1 5( 5 1 0 2 5 0 ) X2 5= 9 7 5 k N m； 板面恒 载 ： 2 k N m X 5 1 m=1 0 2 k N m； 板面活载 ： 4 k N m X 5 1 m=2 0 4 k N m。杆系方法计算 内力时， 软件可 索梁内设置有预应力钢筋束 ， 属于预应力构件。 混凝土框架柱 图I预应力混凝土网 架索梁示意图 1 工程概况 如图2所示， 某工程一层为多功能厅 ， 二层为网球 厅， 结构跨度为 3 6 O O m， 如图 3所示。本工程一层顶 采用预应力混凝土刚架索梁 ， 共4根。 预应 阿 4 架謇粱 预应力刚架索粱 预应力刚架塞爨 预应力刚架索梁 I 8 l ： 9 0 0 0 i 9 0 0 0 I 9 0 0 0 l 9 0 0 0 图 3 预应 力 混 凝 土刚 架 索梁 平 面布 置 不惹 图 以 自动考虑杆件的 自重 ， 但是恒载、 活载及梁体范围 外的楼板自重需要人工输入， 缺一不可。 ( 2 ) 确定梁截面尺寸。首先预应力混凝土刚架 索梁高度可按跨度的 1 1 6选取 ， 本工程取 2 3 0 0 ra m， 矢 高取 1 9 0 0 ra m， 宽度可按能布置下两道预应力钢铰线 束确定 ， 本工程取 6 0 0 ra m， 底梁及预应力索梁高度可 按构造分别取为 4 0 0 、 3 0 0 ra m； 其次按结构实际荷载情 况( 其中梁体 自重可近似取实体梁截面的 I 2 ) 及矢高 确定预应力钢铰线数量 ， 根据 混凝土结构设计规范 中式( 6 2 1 1 3 ) 近似计算 出混凝士受压区高度， 从 而确定顶梁截面为 6 0 0 ra m 7 0 0 m m( 高 X 宽 ) ， 与框架 1 0 2 低温建筑技术 2 0 1 4年第 6 期( 总第 1 9 2期) 柱相连处顶梁要考虑 能承受 全部 剪力适 当加大 ， 本 工 程取 9 0 0 m m 7 0 0 m m( 高 宽 ) 。最后竖杆剪力由中 间向外逐渐加大 ， 本 工程取 9 0 0 m m 8 0 0 m m 7 0 0 m m 6 0 0 m m 5 O O m m6 0 0 m m( 高 宽 ) ， 框 架柱 1 2 0 0 m m 9 0 0 m m。以上截面均是凭经验选取， 待初步载面确定 后由计算最终确定。 ( 3 ) 杆件 内力计算。杆件 内力计算 时， 通过 S A P 2 0 0 0 V 1 5进行建模分析。预应力加载方式分为两 种 ， 即降温法和等效荷载法。前者是一种精确的计算 方法， S A P 2 0 0 0 V I 5提供了温度模块 ， 便于实现预应力 筋降温且计算模型与实际完全一致 ； 相 比之下， 等效 荷载法计算简单， 便于操作 ， 它是将预应力产生的竖 向分力、 水平分力分别 以荷载的形式提前施加在结构 上， 尽管预应力施加存在些许误差 ( 约 1 8 4 ) ， 但对 整个结构设计计算的精度影响不大( 约 1 7 8 ) ， 最为 重要的是在实际设 计 中 ， 工程师便 于应 用现有 的各种 杆系求解方法进行内力分析， 对于结构计算软件要求 不高。通过两种方法得到预应力混凝土刚架索梁在 荷载作用下的挠度对 比如表 1 所示。 表 l 预应力混凝土刚架索梁挠度对比 m i l l 预应力施加方法 软件合计挠度 荷载作用下挠度 恒 载活载 预应 力 表 2 边跨顶梁计算内力设计值对比 注 ： F ( T ) 为用 降温法施加预应力 ； F为用等效 荷载法施加预应力。 荷载工况主要考虑了以下 2种 ： 工况： 1 2 D+ 1 4 L+ F ； 工况 ： 1 3 5 D+ 0 9 8 L +F 。其中 D为恒载； 五为活载； F为预应力作用。通过分析得到各杆件轴 力、 剪力和弯矩值。以边跨顶梁内力为例( 表 2 ) ， 计算 轴力与最大轴力误差 0 1 3 一1 2 4 ， 剪力与最大剪 力误差 0 3 1 一 2 9 3 ， 弯矩与最大弯矩误差 0 7 5 一 2 7 3 ， 可见两种计算方法得到的内力相差很小 ， 因 此得到的结果均可用于设计。 ( 4 ) 杆件内力调整。通过杆系计算得到的各杆 件内力后 ， 需要工程师进行概念设判断与设计。弦杆 内力基本不进行调整， 但边跨上弦杆 为主要抗剪构 件 ， 需要进 行 复核 ， 即将所有 竖 向力进 行 叠加 后进 行 复核。竖杆 内力调整原则如下 ： 轴力不进行调整 ； 柱端组合弯矩( 剪力) 设计值在梁端组合弯矩 ( 剪 力) 设计值基础上乘相应系数( 抗规 6 2节) 。弯 矩调整系数为 1 3 ， 剪力调整系数为 1 2 1 3 =1 5 6 。 现定义从支座向内第一根竖杆为竖杆 1 、 第二根 竖杆为竖杆 2 ， 以竖杆 1 和竖杆 2为例 ， 通过降温法进 行内力计算， 下面为调整前后的内力 ， 如表 3 所示。 表 3 部分杆件内力设计值调整前后对比 ( 4 ) 配筋计算。得到各杆件内力后 ， 可以按照 普通钢筋混凝土构件在轴力、 弯矩和剪力共同作用下 进行配筋设计 。 3结 语 ( 1 ) 降温法和等效荷载法均可实现预应力施 加， 用于整体设计时二者误差可忽略不计。 ( 2 ) 采用杆系法计算完杆件内力后需对小立柱 进行概念判断与设计， 对得到的内力设计值( 弯矩和 剪力 ) 进行放大 ， 保证结构静力及 抗震设计安全 。 ( 3 ) 索梁边跨顶梁抗剪能力需要进行特别复 核 ， 即计算所有竖向荷载然后进行剪力对比。 ( 4 ) 该实用设计方法 适用于不 同跨 度索梁 的简 化设计 ， 更为细致的设计方法有待进一步探讨。 参考文献 1 张小冬， 自福波， 张煜， 等预应力混凝土刚架索梁结构在某 工程中的应用 J 建筑结构 ， 2 0 1 1 ， 4 1 ( 4 ) ： 9 8 1 0 0 2 白福波， 张小冬， 刘界鹏， 等 预应力混凝土刚架索梁： 中国， C N 1 0 1 8 5 8 1 2 3 A P 2 0 1 0 0 4 一 l 3 3 李江 预应力混凝土刚架索梁体系静力性能试验研究 D 兰 州 ： 兰州大学 ， 2 0 1 2 4 G B 5 0 0 1 l 一 2 0 1 0 ， 建筑抗震设计规范 s 5 G B 5 0 0 1 0 2 0 1 0 ， 混凝土结构设计规范 S 收稿 日 期 2 0 1 4 0 3 1 8 作者简介】 远芳( 1 9 7 0一) ， 女， 哈尔滨人， 高级工程师， 从 事结构设计工作。