大跨度雙壁屋蓋結構的優化設計與分析

1大跨度雙向鋼筋混凝土屋蓋結構一家展廳的設計是鋼筋混凝土的結構。結構安全等級為二級,設計使用年限50年?？拐鹪O防烈度:8度,設計基本地震加速度值:0.20g,抗震設防類別:丙類,場地類別:Ⅱ類?？蚣芙Y構抗震等級二級(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)。該結構屋蓋外沿尺寸約為81.2m×92.0m,共分為3個標高:10.200m、11.550m和12.600m。其中12.600m標高屋蓋結構平面尺寸為56.0m×56.0m,連續三跨分別為16.0m、24.0m、16.0m。原設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,結構布置平面圖見圖1。2原結構設計方案的合理性2.1梁橋接力場性能分析比較原設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混凝土梁的設計分析原設計圖中框架主梁跨高比24000/1500=16,井字次梁2400/1000=24。根據結構平面圖、荷載條件及相關設計經驗,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。根據相關分析及工程經驗,此跨高比適宜采用預應力混凝土結構。3預應力技術及支護效果根據相關工程經驗,大跨度屋蓋采用后張有粘結預應力技術的優點如下:1)預應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,改善混凝土結構耐久性。2)預應力技術可有效控制屋面超長結構的混凝土收縮及溫度應力。3)井字次梁截面寬度由400mm減至300mm,結構自重略有減小。預應力梁平面布置如圖2所示。4預應力張拉階段的影響分析針對本工程的特點,預應力屋蓋結構設計除了使用階段滿足自身的承載力、撓度及抗裂要求外,尚需重點關注次內力對周邊結構的影響以及預應力張拉施工階段的反拱驗算。4.1預應力屋蓋抗側剛度和次彎矩分析超靜定預應力結構的次內力不可避免,不僅涉及預應力結構本身,還會影響預應力結構周邊的非預應力結構。次內力主要包括次彎矩、次剪力和次軸力,參與其他荷載效應組合。預應力結構本身的次內力,多數設計人員均能予以考慮,但與預應力結構相關范圍內的非預應力結構的次內力,卻容易被忽視。次內力由結構的多余約束引起,約束剛度大,則次內力明顯。預應力屋蓋結構多余約束的強弱,由結構的抗側剛度體現。根據結構抗震計算,該框架結構在8度(0.2g)的多遇地震作用下的層間位移角較大約為1/520,可知結構的抗側剛度較小,即預應力作用下的次內力較小。分析預應力屋蓋的周邊結構的布置情況。預應力屋蓋周邊的屋蓋均為錯層關系(錯層高度2.4m~7.2m);錯層屋蓋與預應力屋蓋周邊存在平面大洞口;周邊屋蓋結構的框架柱截面小,層高大,即周邊結構抗側剛度小。由此可知,非預應力結構對預應力屋蓋結構的抗側約束較小,即預應力作用下的次內力較小。1)預應力結構的次內力結構的部分計算分析結果見圖3(因屋蓋結構雙向對稱,相關內力基本對稱,限于篇幅僅列出1/4結構的結果)。由計算結果可知,結構的次彎矩/次軸力相對于外荷載的內力均較小,約為外荷載內力的3%~10%。分析次彎矩對于梁抗彎承載力的影響,當次彎矩與外荷載的彎矩一致時為不利,相反時有利。根據次彎矩結果,其分布規律不明顯,這與該結構的預應力度較大有關。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)非預應力結構的次內力圖4(a)和(b)分別為10.200m和11.550m標高處錯層屋蓋的混凝土最大主拉應力,約為0.1MPa~1.0MPa,拉應力水平較低,主要分布于預應力結構的張拉邊界,在框架梁柱節點處出現應力集中。計算結果表明,非預應力結構因預應力筋張拉產生的次彎矩和次軸力均較小,其對梁的承載力影響較小,但應注意次軸力(拉力)對混凝土結構抗裂的不利影響?？v向框架柱的次內力見圖5所示。4.2預應力張拉施工階段預應力筋張拉施工時,混凝土強度不應低于設計的混凝土立方體抗壓強度標準值的75%,施工階段的混凝土抗裂性略差。預應力張拉施工階段的關鍵問題在于,施工階段結構荷載水平低(僅為結構自重),預應力筋若一次全部張拉完成后,結構可能出現反向的豎向變形(反拱),導致結構的受力狀態與設計階段的受力狀態相反,因此,應依據張拉施工階段的混凝土強度、荷載水平及預應力筋的張拉條件(分批/分級)進行混凝土的抗裂驗算。本結構的預應力張拉施工階段條件為:混凝土強度為設計強度C40的75%,即C30;荷載僅結構自重;預應力筋全部一次張拉。按上述條件,采用SAP2000建立的結構整體空間有限元模型計算,預應力筋張拉完成后屋面結構的豎向反向變形及樓板應力見圖6。屋面板的最大反拱值約為3.0mm,屋面板以壓應力為主,最大拉應力約為1.0MPa,結果表明,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見表1。由表可知,采用預應力技術后梁的正常使用狀態性能有效提高,滿足規范的要求。5結構的平面應力分析該結構未設置后澆帶,原設計采用摻入微膨脹劑并設置加強帶的方法解決超長問題。加強帶的平面布置位于結構平面中央,兩向各一道。加強帶限制膨脹率應不小于0.025%,其他位置限制膨脹率應不小于0.015%,其中屋面板限制膨脹率應不小于0.02%。膨脹加強帶的施工應符合《補償收縮混凝土應用技術規程》(JGJ/T178—2009)的相關要求。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,但溫度作用效應的影響需進一步分析。分析結構的平面布置情況,盡管結構整體平面超長,但平面大洞口及錯層等有利于減小溫度效應,結構的抗側約束剛度小(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℃,溫差僅作用于結構頂的錯層屋蓋。結果如圖7所示?？芍禍刈饔孟挛菝姘宓睦瓚λ捷^低,僅10.200m標高的最長結構平面的個別梁柱節點處的拉應力較集中(<1.5MPa),局部或邊緣的壓應力系由不均勻收縮或收縮產生的彎矩導致。6拉拔力的影響分析通過引入雙向預應力,對某規劃展覽館大跨度屋蓋結構進行優化設計。采用空間有限元軟件建立結構的整體有限元模型,計算分析了該結構的次內力以及預應力施工階段的反拱,同時對超長結構預應力的效果進行計算分析。結果表明:1)結構的次彎矩/次軸力相對于外荷載的內力均較小,約為外荷載內力的3%~10%。2)非預應力結構因預應力筋張拉產生的次彎矩和次軸力均較小,其對梁的承載力影