大跨度雙壁屋蓋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計與分析

大跨度雙壁屋蓋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計與分析

1大跨度雙向鋼筋混凝土屋蓋結(jié)構(gòu)一家展廳的設(shè)計是鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)安全等級為二級,設(shè)計使用年限50年?？拐鹪O(shè)防烈度:8度,設(shè)計基本地震加速度值:0.20g,抗震設(shè)防類別:丙類,場地類別:Ⅱ類?？蚣芙Y(jié)構(gòu)抗震等級二級(其中24.0m跨度框架抗震等級為一級)。層蓋恒載4.5kN/m2(不含樓板自重),活荷載0.5kN/m2(不上人屋面)。該結(jié)構(gòu)屋蓋外沿尺寸約為81.2m×92.0m,共分為3個標(biāo)高:10.200m、11.550m和12.600m。其中12.600m標(biāo)高屋蓋結(jié)構(gòu)平面尺寸為56.0m×56.0m,連續(xù)三跨分別為16.0m、24.0m、16.0m。原設(shè)計方案采用大跨度雙向鋼筋混凝土屋蓋,混凝土強度等級為C30,框架主梁截面為800mm×1500mm、邊框主梁600mm×1500mm,井字次梁截面為400mm×1000mm。井字梁間距4.0m,雙向樓板跨度4.0m,樓板厚度120mm,結(jié)構(gòu)布置平面圖見圖1。2原結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的合理性2.1梁橋接力場性能分析比較原設(shè)計施工圖中梁的配筋情況,梁在承載力滿足要求的情況下,其箍筋配筋量合理,但梁的縱筋配筋量約有15%~20%的富余。2.2梁撓度和裂縫寬度計算PKPM-SATWE計算的普通鋼筋混凝土梁的長期撓度及裂縫寬度計算結(jié)果如下:1)撓度計算:24.0m跨度的框架主梁撓度接近限值[1/300],其撓跨比約為1/340;個別24.0m跨度的井字次梁撓度不滿足要求,其撓跨比約為1/170。2)裂縫寬度計算:多數(shù)裂縫寬度偏大;部分梁的支座或跨中處的裂縫寬度不滿足限值要求。2.3混凝土梁的設(shè)計分析原設(shè)計圖中框架主梁跨高比24000/1500=16,井字次梁2400/1000=24。根據(jù)結(jié)構(gòu)平面圖、荷載條件及相關(guān)設(shè)計經(jīng)驗,可知梁的跨高比較大,采用普通鋼筋混凝土梁存在縱筋配筋量、撓度及裂縫寬度較大的問題。若為滿足規(guī)范正常使用階段梁的性能,僅靠增大梁的縱筋配筋量不易滿足梁的撓度及裂縫寬度限值要求。根據(jù)相關(guān)分析及工程經(jīng)驗,此跨高比適宜采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。3預(yù)應(yīng)力技術(shù)及支護效果根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗,大跨度屋蓋采用后張有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)的優(yōu)點如下:1)預(yù)應(yīng)力可有效控制梁在正常使用階段的變形及裂縫寬度,顯著提高屋蓋的正常使用階段性能,改善混凝土結(jié)構(gòu)耐久性。2)預(yù)應(yīng)力技術(shù)可有效控制屋面超長結(jié)構(gòu)的混凝土收縮及溫度應(yīng)力。3)井字次梁截面寬度由400mm減至300mm,結(jié)構(gòu)自重略有減小。預(yù)應(yīng)力梁平面布置如圖2所示。4預(yù)應(yīng)力張拉階段的影響分析針對本工程的特點,預(yù)應(yīng)力屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計除了使用階段滿足自身的承載力、撓度及抗裂要求外,尚需重點關(guān)注次內(nèi)力對周邊結(jié)構(gòu)的影響以及預(yù)應(yīng)力張拉施工階段的反拱驗算。4.1預(yù)應(yīng)力屋蓋抗側(cè)剛度和次彎矩分析超靜定預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的次內(nèi)力不可避免,不僅涉及預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)本身,還會影響預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)周邊的非預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。次內(nèi)力主要包括次彎矩、次剪力和次軸力,參與其他荷載效應(yīng)組合。預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)本身的次內(nèi)力,多數(shù)設(shè)計人員均能予以考慮,但與預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)相關(guān)范圍內(nèi)的非預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的次內(nèi)力,卻容易被忽視。次內(nèi)力由結(jié)構(gòu)的多余約束引起,約束剛度大,則次內(nèi)力明顯。預(yù)應(yīng)力屋蓋結(jié)構(gòu)多余約束的強弱,由結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度體現(xiàn)。根據(jù)結(jié)構(gòu)抗震計算,該框架結(jié)構(gòu)在8度(0.2g)的多遇地震作用下的層間位移角較大約為1/520,可知結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度較小,即預(yù)應(yīng)力作用下的次內(nèi)力較小。分析預(yù)應(yīng)力屋蓋的周邊結(jié)構(gòu)的布置情況。預(yù)應(yīng)力屋蓋周邊的屋蓋均為錯層關(guān)系(錯層高度2.4m~7.2m);錯層屋蓋與預(yù)應(yīng)力屋蓋周邊存在平面大洞口;周邊屋蓋結(jié)構(gòu)的框架柱截面小,層高大,即周邊結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度小。由此可知,非預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)對預(yù)應(yīng)力屋蓋結(jié)構(gòu)的抗側(cè)約束較小,即預(yù)應(yīng)力作用下的次內(nèi)力較小。1)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的次內(nèi)力結(jié)構(gòu)的部分計算分析結(jié)果見圖3(因屋蓋結(jié)構(gòu)雙向?qū)ΨQ,相關(guān)內(nèi)力基本對稱,限于篇幅僅列出1/4結(jié)構(gòu)的結(jié)果)。由計算結(jié)果可知,結(jié)構(gòu)的次彎矩/次軸力相對于外荷載的內(nèi)力均較小,約為外荷載內(nèi)力的3%~10%。分析次彎矩對于梁抗彎承載力的影響,當(dāng)次彎矩與外荷載的彎矩一致時為不利,相反時有利。根據(jù)次彎矩結(jié)果,其分布規(guī)律不明顯,這與該結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力度較大有關(guān)。次軸力(較小)對梁抗彎承載力的影響可忽略,但對于梁的抗裂驗算則不可忽略。2)非預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的次內(nèi)力圖4(a)和(b)分別為10.200m和11.550m標(biāo)高處錯層屋蓋的混凝土最大主拉應(yīng)力,約為0.1MPa~1.0MPa,拉應(yīng)力水平較低,主要分布于預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的張拉邊界,在框架梁柱節(jié)點處出現(xiàn)應(yīng)力集中。計算結(jié)果表明,非預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)因預(yù)應(yīng)力筋張拉產(chǎn)生的次彎矩和次軸力均較小,其對梁的承載力影響較小,但應(yīng)注意次軸力(拉力)對混凝土結(jié)構(gòu)抗裂的不利影響?？v向框架柱的次內(nèi)力見圖5所示。4.2預(yù)應(yīng)力張拉施工階段預(yù)應(yīng)力筋張拉施工時,混凝土強度不應(yīng)低于設(shè)計的混凝土立方體抗壓強度標(biāo)準值的75%,施工階段的混凝土抗裂性略差。預(yù)應(yīng)力張拉施工階段的關(guān)鍵問題在于,施工階段結(jié)構(gòu)荷載水平低(僅為結(jié)構(gòu)自重),預(yù)應(yīng)力筋若一次全部張拉完成后,結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)反向的豎向變形(反拱),導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)與設(shè)計階段的受力狀態(tài)相反,因此,應(yīng)依據(jù)張拉施工階段的混凝土強度、荷載水平及預(yù)應(yīng)力筋的張拉條件(分批/分級)進行混凝土的抗裂驗算。本結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力張拉施工階段條件為:混凝土強度為設(shè)計強度C40的75%,即C30;荷載僅結(jié)構(gòu)自重;預(yù)應(yīng)力筋全部一次張拉。按上述條件,采用SAP2000建立的結(jié)構(gòu)整體空間有限元模型計算,預(yù)應(yīng)力筋張拉完成后屋面結(jié)構(gòu)的豎向反向變形及樓板應(yīng)力見圖6。屋面板的最大反拱值約為3.0mm,屋面板以壓應(yīng)力為主,最大拉應(yīng)力約為1.0MPa,結(jié)果表明,張拉完成后,屋蓋的反拱變形小,屋面板的抗裂滿足要求。4.3干預(yù)梁的開口和裂縫的寬度的比較中間跨24.0m梁的正常使用階段指標(biāo)見表1。由表可知,采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)后梁的正常使用狀態(tài)性能有效提高,滿足規(guī)范的要求。5結(jié)構(gòu)的平面應(yīng)力分析該結(jié)構(gòu)未設(shè)置后澆帶,原設(shè)計采用摻入微膨脹劑并設(shè)置加強帶的方法解決超長問題。加強帶的平面布置位于結(jié)構(gòu)平面中央,兩向各一道。加強帶限制膨脹率應(yīng)不小于0.025%,其他位置限制膨脹率應(yīng)不小于0.015%,其中屋面板限制膨脹率應(yīng)不小于0.02%。膨脹加強帶的施工應(yīng)符合《補償收縮混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T178—2009)的相關(guān)要求。采用補償收縮混凝土的膨脹率基本解決了混凝土的收縮問題,但溫度作用效應(yīng)的影響需進一步分析。分析結(jié)構(gòu)的平面布置情況,盡管結(jié)構(gòu)整體平面超長,但平面大洞口及錯層等有利于減小溫度效應(yīng),結(jié)構(gòu)的抗側(cè)約束剛度小(層間位移角約1/520),有利于在溫度作用下的自由變形。為精確掌握溫度作用的影響,采用SAP2000軟件,采用彈性板分析降溫作用下的樓板拉應(yīng)力水平。因采用補償收縮混凝土,故不考慮混凝土的收縮影響,僅考慮溫差影響,取合龍溫度與月平均最低溫度差值15℃,溫差僅作用于結(jié)構(gòu)頂?shù)腻e層屋蓋。結(jié)果如圖7所示。可知降溫作用下屋面板的拉應(yīng)力水平較低,僅10.200m標(biāo)高的最長結(jié)構(gòu)平面的個別梁柱節(jié)點處的拉應(yīng)力較集中(<1.5MPa),局部或邊緣的壓應(yīng)力系由不均勻收縮或收縮產(chǎn)生的彎矩導(dǎo)致。6拉拔力的影響分析通過引入雙向預(yù)應(yīng)力,對某規(guī)劃展覽館大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。采用空間有限元軟件建立結(jié)構(gòu)的整體有限元模型,計算分析了該結(jié)構(gòu)的次內(nèi)力以及預(yù)應(yīng)力施工階段的反拱,同時對超長結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力的效果進行計算分析。結(jié)果表明:1)結(jié)構(gòu)的次彎矩/次軸力相對于外荷載的內(nèi)力均較小,約為外荷載內(nèi)力的3%~10%。2)非預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)因預(yù)應(yīng)力筋張拉產(chǎn)生的次彎矩和次軸力均較小,其對梁的承載力影