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预应力型钢混凝土桁架的设计和施工探究

来源:原创论文网 添加时间:2019-07-27

  摘    要: 某会展酒店采用预应力型钢混凝土桁架, 屋盖梁作为桁架上弦, 5层梁作为桁架下弦, 并对桁架下弦采用预应力索张拉, 在桁架下弦吊挂4层楼盖, 既保证结构安全, 又满足建筑在2、3层中庭架空效果。

  关键词: 吊挂结构; 预应力型钢混凝土; 桁架结构; 含钢量;

  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

  预应力型钢混凝土兼具了预应力混凝土结构与型钢混凝土的优点, 在适用跨度、承担荷载等方面均优于预应力混凝土结构及型钢混凝土结构[1], 采用预应力钢绞线, 对减少用钢量、提高结构整体刚度和减小构件的挠度、裂缝宽度有着良好的效果[2]。吴有豪等人[3]分析表明:加入预应力筋、型钢后转换梁跨中抗弯承载力、刚度都有很大程度的提高, 不仅可以进一步减小构件尺寸和配筋面积, 还可改善转换梁力学性能[4,5,6]。薛伟辰等人[7]完成4根PSRC和SRC简支梁的低周往复荷载试验, 结果表明:PSRC梁的滞回曲线呈明显的梭形, 具有较好的位移延性、耗能能力和变形能力。

预应力型钢混凝土桁架的设计和施工探究

  本工程为会展酒店, 集宴会、会议、多功能厅为一体的大型综合性建筑, 1层为商业部分, 为满足建筑功能要求需在2、3层设置25.2 m×33.6 m的商业中庭, 4层为开敞性办公室, 4层上空为50.4 m×67.2 m无柱宴会厅, 由于宴会厅运营高度需要, 其屋盖结构提至主体结构屋面以上约9 m, 大跨度屋盖采用预应力型钢混凝土倒三角桁架, 屋面板采用160 mm厚混凝土。宴会厅屋盖平面如图1所示, 横向端部设置交叉桁架HJ4、HJ5, 其中HJ4为预应力型钢混凝土桁架, HJ5为钢筋混凝土桁架, 在纵向设置柱间支撑保证屋盖的侧向刚度和稳定。HJ5仅需满足屋盖侧向稳定;而HJ4下方标高24.5 m处大跨度梁因建筑要求梁高只能控制不高于1 m, 利用上方对应HJ4设置吊柱以满足4层大跨度楼盖刚度、承载力要求。HJ4利用宴会厅对应主体结构屋面边梁作为下弦, 在宴会厅屋盖位置设置上弦, 同时HJ4可作为宴会厅大跨度屋盖的边支座。HJ4需在桁架下弦采用吊柱形式吊挂4层结构, 需考虑4层所吊挂40.2 m×25.2 m范围的楼板荷载、5层荷载, 宴会厅屋面荷载。吊挂结构体系改变了传统意义的柱支撑梁受力模式, 由桁架下弦下伸吊柱, 既满足建筑大空间的使用功能, 又保证宴会厅屋盖的侧向稳定。建筑剖面及预应力型钢混凝土桁架示意如图2所示。

  图1 宴会厅屋盖平面图
图1 宴会厅屋盖平面图

  Fig.1 Floor Plan of Banquet Hall Roof

  2、 预应力型钢混凝土桁架的分析与计算

  桁架跨度达42 m, 承担主体屋面、宴会厅屋盖边跨、4层宴会厅对应中庭楼盖荷载, 恒载约为283 kN/m、活载约为77 kN/m。桁架承载力需求很大, 经计算桁架下弦承受拉力设计值11 220 kN (1.35D+0.98L) , 桁架下吊柱承受拉力设计值2 191 kN (1.35D+0.98L) 。采用普通钢筋混凝土交叉桁架不能满足承载力及变形要求。型钢混凝土构件与混凝土构件相比, 能大幅提高构件的受拉及受剪承载力;与钢构件相比, 外包混凝土可保证钢构件稳定性, 且不需要额外的防火防腐涂层, 更为经济。为提高桁架构件截面承载力及桁架整体刚度, 采用型钢混凝土桁架。由于下弦及支座斜腹杆拉力大, 在型钢混凝土构件内置预应力钢绞线, 在桁架下弦的型钢混凝土构件内置预应力钢绞线, 可提高下弦杆的受拉承载力, 减小构件正常使用状态下的挠度、裂缝, 提高桁架的整体刚度, 降低桁架的含钢量。基于型钢混凝土构件及预应力型钢混凝土构件的诸多优点, 桁架采用预应力型钢混凝土结构。

  图2 吊挂范围及型钢混凝土转换桁架示意图
图2 吊挂范围及型钢混凝土转换桁架示意图

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

  型钢混凝土桁架型钢强度等级Q345, 混凝土强度等级C40, 预应力索材为钢绞线索, 抗拉强度标准值1 870 MPa, 抗拉强度设计值1 320 MPa, 张拉控制应力837 MPa。桁架上下弦杆及斜腹杆各节间互相刚接。桁架各杆件轴力设计值如图3所示, 经核算截面强度满足要求。桁架正常使用状态下最大挠度为48.3 mm。

  图3 桁架各杆件轴力设计值 (1.35D+0.98L)
图3 桁架各杆件轴力设计值 (1.35D+0.98L)

  Fig.3 Design Value of Axial Force of Truss Members

  上弦杆、受压斜腹杆、型钢混凝土柱按小偏压构件设计, 下弦杆、吊柱、受拉斜腹杆按小偏拉构件设计, 受拉杆纵向受力钢筋沿截面周边对称布置, 按受拉筋要求搭接;杆件计算长度按集合长度取。桁架的构造要求:桁架端部节点由多根杆件汇交[8]受力复杂, 节点宽度与上下弦杆保持一致, 为减小应力集中, 桁架上弦杆与桁架柱连接大样如图4所示, 桁架下弦杆与吊柱连接大样如图5所示。下弦杆、吊柱及受拉支撑按小偏拉杆件设计, 截面拼接需按受拉杆进行等强拼接。下弦杆处屋面板取200 mm厚, 配双层双向钢筋, 为满足楼板的抗裂需求, 楼板内置预应力钢绞线。上弦楼板兼做宴会厅屋盖上弦杆翼缘, 取160 mm厚, 配双层双向钢筋。

  图4 桁架上弦杆与桁架柱连接大样
图4 桁架上弦杆与桁架柱连接大样

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

  图5 桁架下弦杆与吊柱连接大样
图5 桁架下弦杆与吊柱连接大样

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

  3、 预应力型钢混凝土桁架施工方案分析

  3.1、 预应力型钢混凝土桁架施工方案及难点概述

  ⑴桁架跨度大, 自重大, 以运输最大尺寸散件在地面拼装、整体吊装, 能减少构件焊接量, 更避免了散件高空焊接, 但是吊装成本太高;若采取散件高空焊接, 根据吊装的起重量分割构件, 势必增加焊缝量, 增加了焊接应力, 散件高空焊接质量更难以控制。

  ⑵预应力型钢混凝土桁架是在下弦采用吊柱结构形式吊挂4层结构, 需待混凝土达设计要求方可张拉预应力筋, 而预应力张拉完成才能发挥桁架作用, 又由于支撑高度22.5m属高支模, 施工支撑方案需专项设计。

  ⑶桁架既承受5层结构、宴会厅屋盖作用, 又悬吊吊柱, 因此各部分施工顺序也尤为关键。

  3.2、 预应力型钢混凝土桁架安装设计

  经过多方案对比, 对桁架吊柱部分采用散件运至现场, 采用塔吊吊装, 焊接完毕再浇筑混凝土;对桁架上弦杆、下弦杆及支撑按运输最大尺寸运输至现场在地面拼装完毕, 再用500 t吊车整体吊装。这样既保证了单个分段的重量不致太大, 又可通过合理的分段减少高空焊接量。

  3.3、 预应力混凝土安装顺序

  预应力混凝土桁架需待混凝土达设计强度后, 张拉直线型预应力筋再张拉折线型预应力筋;最后张拉宴会厅屋盖桁架的直线、折线型预应力筋。待型钢混凝土桁架预应力结构及宴会厅屋盖结构预应力筋张拉完成, 方可拆除桁架相关范围地下1层~4层间支撑。有建筑功能需求的商业中庭范围也需待桁架发挥作用再拆除中庭范围2~4层间支撑。

  3.4、 预应力型钢混凝土桁架的监测

  国内的大跨型建筑, 如桥梁和大型复杂结构、地下结构等, 都需要进行健康的监测, 以确保结构施工阶段的安全性, 同时对结构运营阶段的安全性起到预警作用[9]。如果不考虑施工过程的影响, 则结构设计理论分析所得到的结果与实际情况会存在一定的差别, 造成结构施工完毕状态和设计状态不一致, 从而使结构埋下不安全因素[10]。本工程预应力型钢混凝土桁架下吊挂40.2 m×25.2 m范围的楼板, 受力复杂, 对桁架上下弦、支座斜腹杆、吊柱安装粘贴应力应变传感器, 实时监测混凝土拉控应变。

  4、 结论

  本工程为满足2、3层中庭架空效果, 在5层及屋面层采用预应力型钢混凝土桁架, 屋面梁作为桁架上弦杆, 5层梁作为桁架下弦杆, 在桁架下弦采用吊挂结构承担4层楼盖荷载, 在下弦张拉预应力提高桁架的整体刚度, 减小杆件挠曲变形与裂缝宽度。在细部设计时, 为减少关键部位应力集中, 采用节点扩大做法。经过多方对比, 采用先吊装吊柱安装完毕, 再在现场整体拼装桁架上下弦后, 整体吊装桁架施工方案, 较好地解决了设计、施工中存在的技术问题。

  参考文献

  [1]高峰, 熊学玉, 苑辉, 等.大跨后张有粘结预应力型钢混凝土框架梁结构设计[J].建筑结构, 2018, 48 (8) :16-20.
  [2]叶浩, 罗赤宇, 陈星.广州琶洲跨国采购中心结构设计[J].广东土木与建筑, 2012, 19 (2) :3-5+44.
  [3]吴有豪, 张南.预应力和型钢对转换梁受力性能的提高作用研究[J].江苏建筑, 2016 (5) :23-27.
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  [6]宋玉普.新型预应力混凝土结构[M].北京:机械工业出版社, 2006.
  [7]薛伟辰, 杨枫, 苏旭霖, 等.预应力钢骨混凝土梁低周反复荷载试验研究[J].哈尔滨工业大学学报, 2007, 39 (8) :1185-1190.
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  [9]曾敏.大跨预应力型钢混凝土梁施工监控与模拟分析[D].长沙:中南大学, 2012.
  [10]张菊.大跨度空间钢结构成型过程中的位移控制[D].武汉:武汉理工大学, 2009.

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