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摘要：本文结合具体工程和笔者多年建筑结构设计经验,详细探讨了超长建筑结构中的设计要点,对结构中预应力筋的铺放与张拉以及现浇混凝土施工时产生的温度应力进行了计算分析与比较,以确保建筑物的结构质量。
关键词：建筑结构 结构设计
Abstract: this paper with specific engineering and the author years building structural design experience, building structure were discussed long the main design, the structure of the prestressed reinforcement, lay out the and tension and cast-in-site concrete construction of the temperature stress produced when the calculation analysis and comparison, to ensure that the structure of the building quality.
Keywords: building structure design
中图分类号： TU3 文献标识码：A 文章编号：
1工程概况
某工程建筑等级为一级,属于机关办公楼,设计使用年限为60年以上,建筑耐火等级为一级,抗震设防烈度为八度,主楼为钢筋混凝土框架剪力墙结构。工程总建筑物面积为57 696 m2,共分四段,其中主楼东西长96 m,南北宽25 m,建筑面积为35 261 m2;附楼东西宽62 m,南北长87 m,建筑面积为8180m2。主楼、附楼均属超长结构。为了满足使用功能要求,设计采用温度预应力筋技术,以避免结构留永久收缩缝。
2 设计方案的确定
2 .1 应用的设计原理现行规范规定,“现浇框架结构室内或埋入土中的钢筋混凝土结构伸缩缝最大间距为55 m,露天为35 m;现浇剪力墙结构相应情况分别为45m、30m”,同时规范也允许设计者采用包括预应力技术在内的各种措施,达到增大伸缩缝的间距,甚至取代伸缩缝。办公楼工程中主楼及后楼均属超长结构,因此,设计选用加温度预应力筋等措施,避免了在结构中留设伸缩缝。同绝大多数的材料一样,混凝土具有热胀冷缩的特性,其线膨胀系数可采用αc=1×10-5;但与收缩应力的单向性不同的是温度应力是随温度的变化循环往复的,既有拉应力,也有压应力。所以,对混凝土材料而言,其突出特点是抗压能力远胜于抗拉能力(约10∶1)。因此,工程中应考虑的是温度下降引起的拉应力。在梁、板内施加预应力σpc,温度降低时而在结构中产生拉应力σc1,若第二者叠加后混凝土中拉应力小于其抗拉强度ftk,即:σc1-σpc≤ftk(1)混凝土就不会开裂,当温度升高时,在混凝土中将产生压应力σc2,若第二者叠加后混凝土中压应力小于其产生非线性徐变的压应力数值(0?4~0?6) fck,即σc2+σpc≤(0?4~0?6) fck(2)这样混凝土也不会压坏,其变形也不会收敛?在工程设计中,首先要保证混凝土不开裂;其次要控制所施加预应力的大小,压应力不要过高,避免产生非线性徐变。该设计原则在理论上是合理的,在实践中也是可行的。基于这种原理考虑,该工程在梁板中通过敷设温度预应力筋,增加了混凝土的抗拉能力,有效地克服了温度下降引起的拉应力对混凝土的破坏。
2.2 铺设部位在主楼中, 如在受温度影响比较大的顶层14层~15层;以及竖向构件刚度较大的楼层,如地下室外墙及1层~2层楼面中均应配置温度预应力筋。中间各层由于主要在室内,并且竖向构件的约束相对较弱,水平构件不容易热胀冷缩,温度变化引起的混凝土拉应力相对较小,所以没有配置温度预应力筋。在附楼中,温度预应力筋同时沿两个方向布置。设计温度预应力筋时,需要给水平构件提供轴向压力,而不需要偏心弯矩,所以预应力筋布置选择在与梁、板折算截面的中性轴重合的位置,即中性轴位置距板底大约60 mm。施工时,由下往上第一排预应力筋与下层板底筋同方向(即与上层板底筋垂直),第二排预应力筋再放在第一排上面。这样板底筋与预应力筋从下往上共排成四排,基本满足预应力筋合力点位于截面的中性轴,避免给梁、柱节点施加不确定的偏心弯矩。
2.3 筋的铺设方案
2.3.1主楼梁板、墙中预应力筋的布置在主楼1层~2层、14层~15层,梁、板中都配预应力筋。①梁中的预应力筋布置,合力点在梁的中性轴处。由于主楼柱网标准开间为7 2 m×8 4 m,所有大跨度的板都为内置金属波纹管的空心板。为了保证各框架梁受力的均匀,在任何两个相邻开间内,波纹管的布置方向总是一纵一横。当波纹管方向与预应力筋方向一致时作好处理;当波纹管方向与预应力垂直时,若不截断波纹管预应力筋将无法通过。
2.3.2附楼预应力筋的布置由于板中双向配置预应力筋,为了方便施工,所有的预应力筋都布置在板中,为了减小预应力筋对其他工序的影响,同时为了方便今后楼板的开洞改造,预应力筋采取2束并成一道相对集中的方法布置。
3预应力筋张拉时的效果比较与计算分析主楼所有的预应力筋都在后浇带处截断,在后浇带内分别张拉后浇带两边主体板块中的预应力筋,同时穿越后浇带布置短的预应力搭接筋并将两边连接起来;当后浇混凝土达到规定的龄期和强度,在板面、梁侧或者墙侧张拉预应力搭接筋。附楼中,预应力筋穿越后浇带时,采用将预应力筋直通过去,浇筑完后浇带后一起张拉预应力筋。
3.1两种张拉方式效果比较主楼、附楼采用了两种不同的张拉方式,通过模型分析及该工程实践表明:(1)采用第一种办法可减小预应力筋的应力磨擦损失,但张拉预应力搭接筋将使已经张拉的主体板中有效压应力减小。
3.2预应力筋的张拉时间相关工程经验表明,混凝土张拉时间越晚,混凝土自身的收缩变形完成得越充分。结合总体施工进度的要求,该工程后浇带两侧主体板中的预应力筋在收缩变形完成一半时(约两个月时间)进行张拉,穿越后浇带的缝合预应力筋在后浇带中混凝土达到100%强度(通过同条件混凝土试块报告控制)后进行了张拉。张拉过程中,在张拉的顺序以及张拉时间的控制上,施工方严格按照规范和操作规程进行施工,温度预应力筋有效地克服了超长结构温度应力。该工程经过两个冬夏的温差变化,结构板面没有出现不良裂缝,其施工效果是比较理想的。
4 施工时应注意的问题
(1)在预应力筋的铺放过程中,施工方应严格控制预应力筋的铺放位置。预应力筋铺放时应各自保持平行走向,严禁互相扭绞;同一方向偏差均应控制在30 mm之内。在铺放之前应事先作好在模板上的放样,可有效避免施工中的误放、少放。
(2)对于预应力筋的锚固端,放置时不得突出柱外皮,避免人为地切割破坏,同时也不利于室内装修。
(3)施工过程中,应参考相关规范,并对操作人员详细交底;普通钢筋绑扎时,切忌猛放、猛插,应防止将预应力筋的外皮刺破;安装梁侧模板对拉螺栓及布置板筋时,不得冲击预应力筋;普通钢筋或水电管线和预应力筋在位置上发生冲突时,应优先考虑预应力筋的铺设;焊接施工时,严禁将预应力筋作搭接线,在预应力筋附近必须采取保护措施进行焊接。
(4)普通钢筋铺放时要注意保证框架梁柱节点处预应力筋的顺利通过,避免钢筋压迫预应力筋,同时保证承压板的准确安装。绑扎梁的钢筋应在梁模板的上方进行,梁内拉筋应待预应力筋铺设完后再绑扎,以便预应力筋穿筋定位。梁內预应力筋穿完和定好位后,方可将梁筋沉入梁模板内,待梁筋就位好后才可绑扎板底筋。应待预应力筋和水电管线铺设完成后,才可绑扎板面筋。
5结束语
超长建筑结构中的设计要点是预应力技术在该工程中的运用,有效地增加了建筑物板面抵抗拉应力的能力,避免了超长结构必须留设伸缩缝的问题,减轻结构自重,减少工程造价,较好地保证了业主对建筑物功能的要求,达到了各方预期的效果。通过工程实践加深了设计人员对预应力技术的理解,更好地掌握了超长结构加预应力结构设计与施工的特点,为预应力技术在今后工程中的应用积累了宝贵的经验。
参考文献
[1]封大斌弈贵臣后张法预应力施工手册[M]北京.中国建筑工业出版社 1999
[2]中国建筑科学研究院无粘结代写论文预应力混凝土结构技术规程北京.中国计划出版社 1994
[3]现代预应力混凝土楼盖结构;徐金声,薛立红北京;中国建筑工业出版社, 1998
关键词：建筑结构 结构设计
Abstract: this paper with specific engineering and the author years building structural design experience, building structure were discussed long the main design, the structure of the prestressed reinforcement, lay out the and tension and cast-in-site concrete construction of the temperature stress produced when the calculation analysis and comparison, to ensure that the structure of the building quality.
Keywords: building structure design
中图分类号： TU3 文献标识码：A 文章编号：
1工程概况
某工程建筑等级为一级,属于机关办公楼,设计使用年限为60年以上,建筑耐火等级为一级,抗震设防烈度为八度,主楼为钢筋混凝土框架剪力墙结构。工程总建筑物面积为57 696 m2,共分四段,其中主楼东西长96 m,南北宽25 m,建筑面积为35 261 m2;附楼东西宽62 m,南北长87 m,建筑面积为8180m2。主楼、附楼均属超长结构。为了满足使用功能要求,设计采用温度预应力筋技术,以避免结构留永久收缩缝。
2 设计方案的确定
2 .1 应用的设计原理现行规范规定,“现浇框架结构室内或埋入土中的钢筋混凝土结构伸缩缝最大间距为55 m,露天为35 m;现浇剪力墙结构相应情况分别为45m、30m”,同时规范也允许设计者采用包括预应力技术在内的各种措施,达到增大伸缩缝的间距,甚至取代伸缩缝。办公楼工程中主楼及后楼均属超长结构,因此,设计选用加温度预应力筋等措施,避免了在结构中留设伸缩缝。同绝大多数的材料一样,混凝土具有热胀冷缩的特性,其线膨胀系数可采用αc=1×10-5;但与收缩应力的单向性不同的是温度应力是随温度的变化循环往复的,既有拉应力,也有压应力。所以,对混凝土材料而言,其突出特点是抗压能力远胜于抗拉能力(约10∶1)。因此,工程中应考虑的是温度下降引起的拉应力。在梁、板内施加预应力σpc,温度降低时而在结构中产生拉应力σc1,若第二者叠加后混凝土中拉应力小于其抗拉强度ftk,即:σc1-σpc≤ftk(1)混凝土就不会开裂,当温度升高时,在混凝土中将产生压应力σc2,若第二者叠加后混凝土中压应力小于其产生非线性徐变的压应力数值(0?4~0?6) fck,即σc2+σpc≤(0?4~0?6) fck(2)这样混凝土也不会压坏,其变形也不会收敛?在工程设计中,首先要保证混凝土不开裂;其次要控制所施加预应力的大小,压应力不要过高,避免产生非线性徐变。该设计原则在理论上是合理的,在实践中也是可行的。基于这种原理考虑,该工程在梁板中通过敷设温度预应力筋,增加了混凝土的抗拉能力,有效地克服了温度下降引起的拉应力对混凝土的破坏。
2.2 铺设部位在主楼中, 如在受温度影响比较大的顶层14层~15层;以及竖向构件刚度较大的楼层,如地下室外墙及1层~2层楼面中均应配置温度预应力筋。中间各层由于主要在室内,并且竖向构件的约束相对较弱,水平构件不容易热胀冷缩,温度变化引起的混凝土拉应力相对较小,所以没有配置温度预应力筋。在附楼中,温度预应力筋同时沿两个方向布置。设计温度预应力筋时,需要给水平构件提供轴向压力,而不需要偏心弯矩,所以预应力筋布置选择在与梁、板折算截面的中性轴重合的位置,即中性轴位置距板底大约60 mm。施工时,由下往上第一排预应力筋与下层板底筋同方向(即与上层板底筋垂直),第二排预应力筋再放在第一排上面。这样板底筋与预应力筋从下往上共排成四排,基本满足预应力筋合力点位于截面的中性轴,避免给梁、柱节点施加不确定的偏心弯矩。
2.3 筋的铺设方案
2.3.1主楼梁板、墙中预应力筋的布置在主楼1层~2层、14层~15层,梁、板中都配预应力筋。①梁中的预应力筋布置,合力点在梁的中性轴处。由于主楼柱网标准开间为7 2 m×8 4 m,所有大跨度的板都为内置金属波纹管的空心板。为了保证各框架梁受力的均匀,在任何两个相邻开间内,波纹管的布置方向总是一纵一横。当波纹管方向与预应力筋方向一致时作好处理;当波纹管方向与预应力垂直时,若不截断波纹管预应力筋将无法通过。
2.3.2附楼预应力筋的布置由于板中双向配置预应力筋,为了方便施工,所有的预应力筋都布置在板中,为了减小预应力筋对其他工序的影响,同时为了方便今后楼板的开洞改造,预应力筋采取2束并成一道相对集中的方法布置。
3预应力筋张拉时的效果比较与计算分析主楼所有的预应力筋都在后浇带处截断,在后浇带内分别张拉后浇带两边主体板块中的预应力筋,同时穿越后浇带布置短的预应力搭接筋并将两边连接起来;当后浇混凝土达到规定的龄期和强度,在板面、梁侧或者墙侧张拉预应力搭接筋。附楼中,预应力筋穿越后浇带时,采用将预应力筋直通过去,浇筑完后浇带后一起张拉预应力筋。
3.1两种张拉方式效果比较主楼、附楼采用了两种不同的张拉方式,通过模型分析及该工程实践表明:(1)采用第一种办法可减小预应力筋的应力磨擦损失,但张拉预应力搭接筋将使已经张拉的主体板中有效压应力减小。
3.2预应力筋的张拉时间相关工程经验表明,混凝土张拉时间越晚,混凝土自身的收缩变形完成得越充分。结合总体施工进度的要求,该工程后浇带两侧主体板中的预应力筋在收缩变形完成一半时(约两个月时间)进行张拉,穿越后浇带的缝合预应力筋在后浇带中混凝土达到100%强度(通过同条件混凝土试块报告控制)后进行了张拉。张拉过程中,在张拉的顺序以及张拉时间的控制上,施工方严格按照规范和操作规程进行施工,温度预应力筋有效地克服了超长结构温度应力。该工程经过两个冬夏的温差变化,结构板面没有出现不良裂缝,其施工效果是比较理想的。
4 施工时应注意的问题
(1)在预应力筋的铺放过程中,施工方应严格控制预应力筋的铺放位置。预应力筋铺放时应各自保持平行走向,严禁互相扭绞;同一方向偏差均应控制在30 mm之内。在铺放之前应事先作好在模板上的放样,可有效避免施工中的误放、少放。
(2)对于预应力筋的锚固端,放置时不得突出柱外皮,避免人为地切割破坏,同时也不利于室内装修。
(3)施工过程中,应参考相关规范,并对操作人员详细交底;普通钢筋绑扎时,切忌猛放、猛插,应防止将预应力筋的外皮刺破;安装梁侧模板对拉螺栓及布置板筋时,不得冲击预应力筋;普通钢筋或水电管线和预应力筋在位置上发生冲突时,应优先考虑预应力筋的铺设;焊接施工时,严禁将预应力筋作搭接线,在预应力筋附近必须采取保护措施进行焊接。
(4)普通钢筋铺放时要注意保证框架梁柱节点处预应力筋的顺利通过,避免钢筋压迫预应力筋,同时保证承压板的准确安装。绑扎梁的钢筋应在梁模板的上方进行,梁内拉筋应待预应力筋铺设完后再绑扎,以便预应力筋穿筋定位。梁內预应力筋穿完和定好位后,方可将梁筋沉入梁模板内,待梁筋就位好后才可绑扎板底筋。应待预应力筋和水电管线铺设完成后,才可绑扎板面筋。
5结束语
超长建筑结构中的设计要点是预应力技术在该工程中的运用,有效地增加了建筑物板面抵抗拉应力的能力,避免了超长结构必须留设伸缩缝的问题,减轻结构自重,减少工程造价,较好地保证了业主对建筑物功能的要求,达到了各方预期的效果。通过工程实践加深了设计人员对预应力技术的理解,更好地掌握了超长结构加预应力结构设计与施工的特点,为预应力技术在今后工程中的应用积累了宝贵的经验。
参考文献
[1]封大斌弈贵臣后张法预应力施工手册[M]北京.中国建筑工业出版社 1999
[2]中国建筑科学研究院无粘结代写论文预应力混凝土结构技术规程北京.中国计划出版社 1994
[3]现代预应力混凝土楼盖结构;徐金声,薛立红北京;中国建筑工业出版社, 1998