無斜腹桿預(yù)應(yīng)力現(xiàn)澆混凝土桁架設(shè)計(jì)與施工

無斜腹桿預(yù)應(yīng)力現(xiàn)澆混凝土桁架設(shè)計(jì)與施工

1鋼筋混凝土桁架該框架在現(xiàn)代建筑中得到了廣泛的應(yīng)用，適用范圍非常廣泛，尤其是在大的和中等的結(jié)構(gòu)體系中。桁架的主要受力特點(diǎn)是上弦受壓,下弦受拉。桁架從古代發(fā)展到現(xiàn)代從材料上可分為木桁架,鋼筋混凝土桁架和鋼桁架。木材和鋼材的受壓受拉性能均良好,而鋼筋混凝土受壓性能良好,受拉性能較差,因此往往在鋼筋混凝土桁架下弦配置預(yù)應(yīng)力鋼筋來抵抗拉力。本次工程設(shè)計(jì)成功的采用了無斜腹桿預(yù)應(yīng)力現(xiàn)澆混凝土桁架,本文詳細(xì)介紹了無斜腹桿預(yù)應(yīng)力桁架的設(shè)計(jì)與施工,并且分析了桁架的受力特點(diǎn)。2主要建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)蘇州新區(qū)第二水廠脫水機(jī)房是廠區(qū)的主要建筑物。該建筑物地上一層,建筑物總長度為65.73m,分為脫水機(jī)工作間和泥棚兩部分,兩部分之間設(shè)伸縮縫一道?？偨ㄖ娣e約為1425m2。脫水機(jī)工作間部分建筑高度為14.46m,主要建筑柱網(wǎng)尺寸為20.0m×6.0m。泥棚部分建筑高度為7.87m,該部分柱網(wǎng)尺寸較小。脫水機(jī)房平面布置如圖1所示。本工程的設(shè)計(jì)適用年限為50年,建筑結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)為二級(jí),抗震設(shè)防烈度為6度,設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g。設(shè)計(jì)地震分組為第一組,抗震設(shè)防類別為乙類,建筑場地類別為Ⅱ類。結(jié)構(gòu)下部采用柱下獨(dú)立基礎(chǔ),上部采用框架結(jié)構(gòu)體系。3桁架型式設(shè)計(jì)脫水機(jī)房橫向柱網(wǎng)跨度為20m,跨度較大,但非標(biāo)準(zhǔn)尺寸,無法選用折線形標(biāo)準(zhǔn)屋架,而常規(guī)混凝土結(jié)構(gòu)又很難滿足要求,因此8根屋面大梁的設(shè)計(jì)成為該建筑物設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。由于南方多雨的氣候和建設(shè)單位對建筑造型的要求,建筑專業(yè)將屋面做成雙坡度坡屋面?？紤]到工程進(jìn)度和施工方便,整個(gè)建筑物均需采用現(xiàn)澆方式進(jìn)行施工。因此,經(jīng)過多方案比較結(jié)構(gòu)專業(yè)結(jié)合坡屋面造型將屋面大梁做成現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力桁架。桁架型式擬采用以下兩種方案。方案一為設(shè)置斜腹桿方案(如圖2),經(jīng)試算,在豎向荷載作用下,斜腹桿中XG1、XG3出現(xiàn)拉力,在水平荷載作用下,斜腹桿中XG2出現(xiàn)拉力,且部分桿件拉力較大,普通混凝土結(jié)構(gòu)無法滿足,需要施加預(yù)應(yīng)力解決,考慮到本桁架擬采用現(xiàn)澆方式,再加上下弦需要施加預(yù)應(yīng)力,過多的預(yù)應(yīng)力筋的設(shè)置會(huì)導(dǎo)致現(xiàn)場施工復(fù)雜,不好實(shí)施。受屋面建筑型式的限制,斜腹桿間隙和桿件交角均較小,尤其是SX1、XX1、XG1之間,施工支模困難,且斜腹桿本身支模較難,屋架為重要構(gòu)件,構(gòu)件不宜留豎向施工縫,宜一次澆筑成形,屋架構(gòu)件太多也勢必造成施工時(shí)澆搗混凝土困難,難以實(shí)現(xiàn)。故基本排除采用此方案。方案二為僅設(shè)置豎桿方案(如圖3),類似于梁抬柱的結(jié)構(gòu)型式,但充分利用了桁架上弦受壓,下弦受拉的受力特點(diǎn)。該方案結(jié)構(gòu)布置簡潔,腹桿較少,便于施工。在豎向和水平荷載作用下,豎桿出現(xiàn)的拉力很小,普通混凝土能滿足要求,僅需在下弦施加預(yù)應(yīng)力即可,施工方便。綜上所述,屋架結(jié)構(gòu)選型采用無斜腹桿預(yù)應(yīng)力桁架。4框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.1單預(yù)應(yīng)力桁架結(jié)構(gòu)分析桁架簡圖如圖3所示。桁架上弦(SX1、SX2)截面為300mm×600mm,豎桿(SG1、SG2)截面為300mm×300mm,下弦(XX1、XX2)截面為350mm×1200mm?；炷翉?qiáng)度等級(jí)為C40.結(jié)構(gòu)整體計(jì)算采用SATWE軟件進(jìn)行,再采用通用三維有限元軟件SAP對單榀預(yù)應(yīng)力桁架進(jìn)行內(nèi)力分析。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2002)相關(guān)規(guī)定,桁架下弦大梁裂縫控制等級(jí)為一級(jí),桁架其余部分(上弦及立柱)裂縫控制等級(jí)為二級(jí)。4.2上弦壓力最大壓力在恒活載作用下,下弦為偏心受拉構(gòu)件,拉力較大,最大拉力發(fā)生在XX2(恒載和活載組合設(shè)計(jì)值N=-1186.77kN),XX1和XX2拉力相差不大;上弦為偏心受壓構(gòu)件,壓力較大,最大壓力發(fā)生在SX1(恒載和活載組合設(shè)計(jì)值N=1279.06kN),SX1和SX2壓力相差不大;豎桿SG1為偏心受拉構(gòu)件(恒載和活載組合設(shè)計(jì)值N=-67.66kN),豎桿SG2為軸心受壓構(gòu)件(恒載和活載組合設(shè)計(jì)值N=43.96kN),豎桿內(nèi)力均很小。4.3預(yù)應(yīng)力筋的布置豎桿內(nèi)力較小,普通混凝土結(jié)構(gòu)能夠滿足要求,主要拉力出現(xiàn)在下弦,且為偏拉構(gòu)件,內(nèi)力值較大,因此在下弦拋物線布置預(yù)應(yīng)力筋,預(yù)應(yīng)力筋采用1860鋼鉸線,經(jīng)計(jì)算需要2束7-ΦS15.2鋼絞線。采用后張拉有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力工藝,兩端張拉,張拉控制應(yīng)力取為σCON=1860×0.70=1302MPa.預(yù)應(yīng)力鋼筋布置如圖4所示。4.4下弦壓力和彎矩計(jì)算按上述所配置預(yù)應(yīng)力鋼筋的作用以等效荷載的形式加載到桁架上,經(jīng)有限元計(jì)算,得到桁架的綜合彎矩圖。此時(shí)下弦為偏心受壓構(gòu)件,壓力較大,最大壓力發(fā)生在XX2(標(biāo)準(zhǔn)值N=2059.7kN),XX1和XX2壓力相差不大;上弦為偏心受拉構(gòu)件,拉力不大,最大拉力發(fā)生在SX2(標(biāo)準(zhǔn)值N=-133.6kN),SX1和SX2壓力相差不大;豎桿SG1為偏心受壓構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)值值N=34.60kN),豎桿SG2為軸心受壓構(gòu)件(標(biāo)準(zhǔn)值N=23.7kN),豎桿內(nèi)力均很小。預(yù)應(yīng)力鋼筋僅配置在桁架下弦,故僅桁架下弦有主彎矩,桁架上弦和豎桿無主彎矩,桁架上弦和豎桿的綜合彎矩即為次彎矩。由綜合彎矩等于主彎矩加次彎距,可求得下弦的次彎矩。桁架上弦、豎桿和下弦的非預(yù)應(yīng)力鋼筋由恒載、活載、風(fēng)荷載、地震作用和次彎矩產(chǎn)生的內(nèi)力組合值計(jì)算得到。4.5張拉結(jié)構(gòu)合理后的結(jié)構(gòu)使用和極限狀態(tài)的驗(yàn)證計(jì)算4.5.1組合結(jié)構(gòu)的抗裂性能對于有預(yù)應(yīng)力筋通過桁架下弦大梁,裂縫控制等級(jí)為一級(jí),按荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合計(jì)算時(shí),構(gòu)件受拉邊緣混凝土不應(yīng)產(chǎn)生拉應(yīng)力,經(jīng)驗(yàn)算,對于桁架下弦大梁支座處,邊緣混凝土為壓應(yīng)力σCt=1.945MPa,跨中截面邊緣混凝土為壓應(yīng)力σCt=0.260MPa,均滿足使用階段抗裂要求。4.5.2內(nèi)在限制狀態(tài)下的內(nèi)力分析等效荷載作用在結(jié)構(gòu)上后所有桿件軸拉力、彎矩和剪力均不是很大,常規(guī)配筋即可滿足。4.6拉第一束性能測試結(jié)果施工張拉過程中對桁架下弦撓度變化進(jìn)行了測試。共選取了三個(gè)測點(diǎn),測點(diǎn)布置見圖5。測試過程中共分為12個(gè)工況,分別為:工況1:張拉第一束0～10%σCON;工況2:張拉第一束20%σCON;工況3:張拉第一束40%σCON;工況4:張拉第一束50%σCON;工況5:張拉第一束60%σCON;工況6:張拉第一束70%σCON;工況7:張拉第一束80%σCON;工況8:張拉第一束90%σCON;工況9:張拉第一束100%σCON;工況10:張拉第二束20%σCON;工況11:張拉第二束60%σCON;工況12:張拉第二束100%σCON;測試結(jié)果見圖6～圖8。測試結(jié)果和有限元計(jì)算結(jié)果基本一致,說明了模型結(jié)構(gòu)在外荷載及預(yù)應(yīng)力筋作用下具有良好的受力性能。4.7屋頂混凝土強(qiáng)度等級(jí)4.7.1根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2002)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力鋼筋采用鋼絞線時(shí),混凝土強(qiáng)度等級(jí)不宜低于C40,故桁架混凝土強(qiáng)度等級(jí)設(shè)計(jì)為C40。但一般來說,樓面板的混凝土強(qiáng)度等級(jí)不宜過高,且該建筑物長度較大,溫度應(yīng)力較大,屋面板對防水有較高要求,混凝土強(qiáng)度太高,水化熱大,容易產(chǎn)生裂縫,因此設(shè)計(jì)將桁架和屋面板的采用不同強(qiáng)度等級(jí),屋面板混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。4.7.2在上弦和豎桿,下弦和豎桿相交處加設(shè)腋角以加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)。4.7.3桁架與桁架上弦之間有屋面次梁連接,且和屋面現(xiàn)澆連接,整體性良好,同時(shí)在桁架與桁架之間的下弦與豎桿交點(diǎn)處設(shè)置縱向通長梁一道(相當(dāng)于下弦系桿),充分保證了桁架平面外的壓曲穩(wěn)定,減少了其平面外長細(xì)比,提高了屋蓋的縱向空間剛度與整體穩(wěn)定。5屋頂混凝土澆筑由于桁架和屋面板采用了不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土,為便于施工,施工時(shí)在屋面板板底留設(shè)施工縫。具體施工順序如下:一次性澆筑完成桁架下弦豎桿上弦,混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75%后澆筑屋面板混凝土,新老混凝土交界面,需先鑿毛,洗凈,潤濕,涂界面劑后澆筑新混凝土。養(yǎng)護(hù)混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的100%之后,進(jìn)行張拉。張拉采用超張拉,張拉工序?yàn)?應(yīng)力從0到0.1倍張拉控制應(yīng)力測量一次伸長值,再勻速拉至1.03倍張拉控制應(yīng)力,進(jìn)行錨固。6預(yù)應(yīng)力桁架設(shè)計(jì)大