某高层建筑工程中楼板结构预应力设计研究

摘要：随着高层建筑在我国迅速发展,建筑高度不断增加,建筑类型与功能愈来愈复杂,结构体系更加多样化.某大酒店工程跨度大,层高低,为保证房屋的净空高度,采用预应力楼板。详细介绍了预应力设计依据和计算方法,并且通过构造配筋解决混凝土板的拉应力。

关键词：高层公共建筑;楼板;预应力；结构设计

1工程概况

某大酒店兼商务写字楼及商场的大型高层公共建筑项目占地17733.4 2m2,酒店建筑结构形式为内筒、外框结构。主楼地上23层,地下1层,建筑总高89.4m。裙楼为酒店附属用房,地下1层,地面以上3层,总高16.4m。

2初设阶段

本工程裙房部分采用9. 6m×9. 6m大柱网,其中部分为扇形平面。若采用普通混凝土结构,跨度为9. 6m的框架梁断面高度需900mm左右,3~23层层高为3. 3m的无隔墙大空间,房间净空很低,效果很差, 3层大会议室更无法使用,常规钢筋混凝土结构难以达到满意效果,建筑方案不能实施。预应力结构由于能有效地降低结构构件截面高度,增加室内净空,起到在净空不变的情况下降低层高的作用。经多方案比选论证,最后决定采用高效预应力混凝土结构。

3预应力结构选择

目前普遍采用的预应力结构有无梁楼盖和有梁楼盖两种。无梁楼盖有其顶棚平整、降低层高、易于布设管道等优点。因此,决定采用无梁楼盖。提高建筑净高,方便施工,同时便于设备通风管道、吊棚的布置。

4预应力筋布置特点

工程采用部分预应力混凝土, 9. 6m跨的无梁平板按柱上板带和跨中板带配筋。

1)非预应力筋为增强抗震性能,在柱上板带800mm宽度范围内设有通长暗梁,其余部分设带直钩的上层负筋及等间距、通长的下层非预应力筋,非预应力筋在柱上板带分布为65%,跨中板带分布为35%。

2)预应力筋柱上板带分布为67%,跨中板带分布为33%。扇形平面各曲线预应力筋以保持同一平衡荷载和相同预加力为原则配筋,这使得跨度较大的曲线筋对应过大的矢高。为降低矢高从而加密间距,即采用调整预应力筋间距(根数n)及矢高的方法适应变跨平面曲线布筋的需要。预应力筋平面如图1所示。

图1预应力筋平面布置示意

5设计依据

根据部分预应力混凝土结构设计原理,采用荷载平衡法,无粘结预应力筋采用抛物线形y=4e/L2(L-x)x。布置于受拉区,以此来平衡楼板的自重和版面恒载,减小构件的实际挠度。由于混凝土存在一定的压应力,可增加构件的抗裂度,以减小受弯构件的厚度,减轻自重和节约混凝土、钢材。

工程设计是依照无粘结预应力混凝土结构有关设计规范进行。混凝土强度等级C40,控制应力σcon=0.75fptk=1 178N/mm2,钢丝束(钢绞线)抗拉强度极限标准值fptk=1 570N/mm2，抗拉强度设计值fpy=1070N/mm2。预应力筋张拉,当跨度≥3跨时,采用两端张拉;而小于3跨时,采用一端张拉,这样便于施工,也减少预应力损失。

6计算方法

6.1结构设计

1)板计算荷载楼面采用花岗岩面层,恒载标准值为7kN/m2,活载标准值25kN/m2。外挑檐板挑出1m,板厚200mm,恒载标准值65kN/m2,活载标准值15kN/m2(有利荷载组合时不考虑此项荷载)。活载准永久值系数取0. 5。其余相连非预应力板厚度为120mm,恒载标准值5kN/m2,活载标准值15kN/m2。

2)使用状态下位移及内力计算采用中国建筑科学研究院结构所的后张预应力混凝土结构配筋计算程序UP进行预应力板的有限元分析。

6.2计算原理

6.2.1内力

因高层部分系框架-剪力墙结构,低层裙房依附于高层,故其水平侧移可不考虑,只进行垂直荷载的受力分析。按等代框架法,每榀框架由一系列等效柱或支座和板梁条带构成,板梁条带宽以柱中心线两侧板格中心线为界线。在竖向荷载作用下,把多层等代框架划分为单层框架,按弯矩分配法计算得整个板带内的弯矩,按比例分配于柱上板带和跨中板带。同时考虑到二个方向总弯矩彼此互相垂直,故在二个方向均以全板带宽的负荷面计算,不存在荷载在二个方向进行分配的问题。

6．2．2配筋计算

1)确定板厚根据经验值,取9600/40=240mm。

2)根据受力情况及支承条件,确定预应力筋的类型为抛物线形,确定矢高e。

3)计算第1批预应力损失σⅠ。。

4)按第1批预应力损失δⅠ,计算第2批预应力损失σⅡ。

5)计算有效应力σpe=σcon―(σⅠ+σⅡ)。

6)求出各跨的预加力Npe,以取其中偏大的Npe作为整个连续结构的预加力Npe,调整各跨的矢高e,使Npe与被平衡荷载qb相一致。

7)计算未被平衡的荷载qnb(净荷载)引起的不平衡弯矩Mnb。

8)根据目前国内设计规范,无粘结预应力混凝土结构一般按二级抗裂度控制。预应力度偏高,有时反向应力较高,往往不利于早期裂缝控制,也不利于抗震耗能。如果为了降低预应力度而增加普通钢筋,则总用钢量增大,总体上看不经济,表明大多情况下楼盖结构按二级抗裂度设计偏严。适当放宽混凝土受拉允许应力,拉应力限制系数由0. 6放宽为0. 8~1. 0,αctl由0.25放宽为0. 4~0. 5。控制截面抗裂应力不超过规范值。σ=Npe/A±Mnb/W,同时保证截面的抗剪及抗冲切能力。

9)承载力验算考虑了由于预应力产生的次弯矩影响,计算弯矩取值时在支座取全部荷载下的总弯矩减次弯矩,在跨中取总弯矩加次弯矩。

10)验算挠度。

11)修正图示理论束形(此步对板来说可免去,因次弯矩影响小)。

12)其他附加验算曲线筋处的局压及抗剪。

6.3钢筋配置(见表1)

表1钢筋实配

注:①AP为预应力筋面积;AS为非预应力筋面积;②悬臂长2. 4m,配筋均按相应柱上跨中板带面配置

7构造处理

1)曲线预应力筋如图1所示,曲线筋在弧线处预应力筋的跨度是变化的,以板带中心长度代表跨度,以各板带跨具有同一平衡荷载及相同预应力为准则,结合相邻跨直线分布筋的连续性,用调整矢高e和间距的方法来考虑布筋。

2)辐射筋预应力筋固定端,因沿轴X1、Y1最小间距>70mm,故取83mm;在轴X1、Y1处间距310mm,辐射筋放在曲线筋上,在辐射筋及板带尽端设有抗劈裂筋,如图1所示,以防由于预应力筋密集,拉应力集中而产生劈裂。

3)通过楼板有限元分析,对于不设梁的楼盖,不论在竖向荷载还是在水平荷载下,楼板在和柱连接的部分都会出现应力峰值,因此在设计中除预应力钢筋外,对普通钢筋在柱轴线上集中布置,并形成暗梁。采用这种布置方法有以下几个优点:①便于端部预应力筋的单根锚固张拉,减小张拉端穴模对柱节点区的不利影响;②可用普通钢筋有效地控制应力高峰处的裂缝;③水平地震作用下的弯矩可主要由延性较好的普通钢筋承担。

4)后浇带在沿轴X1、Y1非预应力板与预应力板相交接处设置预应力张拉端,张拉后用强度等级高一级的混凝土浇筑封闭。

8结语

1)扇形平面曲线预应力筋沿曲线的剖面配筋是抛物线形,因而扇形平面内的曲线配筋是空间曲线,严格地说处于空间受力。

2)扇形平面区段上的曲线是变长的,如图1所示,可分为以柱上板带和跨中板带为单元,计算宽度取板带中心线长为计算跨度设计配筋。依着板承受同一平衡荷载和相同预加力(控制应力)的原则,利用预应力筋矢高e和间距(根数/m)成正比,通过调整e和间距来达到较合理的配筋设计。

3)扇形平面区段上曲线筋对混凝土所产生的剪力,一般情况下强度有保证,当然与预加力Npe、混凝土强度等级fc、曲率半径r、钢筋直径d有关,可根据具体工程按公式验算。

4)曲线筋在混凝土板中产生的拉应力用构造配筋解决。

注：文章内的图表、公式请到PDF格式下查看