成鐵工程文化活動(dòng)樓預(yù)應(yīng)力技術(shù)的設(shè)計(jì)研究

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1 工程概況
本工程位于成都市西北橋成都鐵路局工程總公司辦公樓的側(cè)面。主體建筑A區(qū)平面尺寸分別：30．8m×25．2m，柱網(wǎng)開(kāi)間為7m，跨度分別為5．1、9．3、7．2m 。建筑總高度地上23．7m，地上7層，1、2層為客房，3、4層為辦公用房，5層為健身、棋牌活動(dòng)用房，6層為檔案室，7層為大會(huì)議室，地下室用于停放自行車(chē)。
A區(qū)主體結(jié)構(gòu)型式為縱向框架、橫向板柱結(jié)構(gòu)，后張高效預(yù)應(yīng)力混凝土樓屋蓋，預(yù)應(yīng)力筋采用無(wú)粘結(jié)筋。L～7層樓面設(shè)預(yù)應(yīng)力縱向框架扁梁，每跨跨度為7m，斷面尺寸為1200mm×400mm、800mm×400mm、600mm×400mm三種，樓面板為無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力板，厚度為230mm，板跨度分別為5．1、9．3、7．2m，屋面為無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力正交網(wǎng)格梁，柱網(wǎng)為21．6m×2lm，梁斷面為300mm×1100mm，網(wǎng)格尺寸為2．33m×2．40mm，屋面板為普通鋼筋混凝土板，板厚為80mm。
3 結(jié)構(gòu)方案的研究
3．1 初設(shè)階段
由于建設(shè)方要求建筑總高度不超過(guò)24m及樓層總數(shù)不少于7層，若采用普通混凝土結(jié)構(gòu)，跨度為9．3m的框架梁斷面高度需900mm左右，3至6層層高為3．3m的無(wú)隔墻大間空僅為3．3－0．9＝2．4m，房間凈空很低，效果很差，7層大會(huì)議室更無(wú)法使用，建筑方案不能實(shí)施。預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)由于能有效地降低結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面高度，增加室內(nèi)凈空，起到在凈空不變的情況下降低層高的作用。經(jīng)多方案比選論證，最后決定采用高效預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。
3．2 施設(shè)階段
3．2．1 預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的選擇
目前普遍采用的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)有無(wú)梁樓蓋和有梁樓蓋兩種。無(wú)梁樓蓋有其頂棚平整、降低層高、易于布設(shè)管道等優(yōu)點(diǎn)，但由于該工程跨度分別為5．1m、9．3m、7．2m，跨度變化較大，樓板與框架柱節(jié)點(diǎn)處的較大彎矩使得樓板的抗沖切較難滿(mǎn)足。若為了滿(mǎn)足樓板的抗沖切要求，需在柱頂加板托，這樣在柱頂局部范圍出現(xiàn)一個(gè)“墩子”，影響不準(zhǔn)備設(shè)吊頂?shù)目头棵烙^。因此，決定采用有梁樓蓋。
3．2．2 樓蓋預(yù)應(yīng)力框架梁的設(shè)置
由于客房管道井的影響，不能在橫向設(shè)預(yù)應(yīng)力框架扁梁，因此該工程僅縱向設(shè)預(yù)應(yīng)力框架扁梁，跨度為7m，5．1m、9．3m、7．2m跨度的板將荷載直接傳給縱向預(yù)應(yīng)力框架扁梁，橫向的風(fēng)、地震等水平荷載在樓板內(nèi)引起的內(nèi)力，主要由配置在柱上預(yù)應(yīng)力板帶內(nèi)的普通鋼筋承受。
3．2．3 該結(jié)構(gòu)方案優(yōu)點(diǎn)
① 由于采用了預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，降低了結(jié)構(gòu)的斷面高度，在保證室內(nèi)凈空的條件下，有效地降低樓層高度，同樣總建筑高度下比采用普通混凝土結(jié)構(gòu)多修了一層(采用普通混凝土結(jié)構(gòu)由于凈空原因只能修六層)，為建設(shè)方多爭(zhēng)取了一層的建筑面積，取得了很好的效益。
②荷載傳力路線為：樓板一縱向預(yù)應(yīng)力框架梁一框架柱一基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)受力明確，無(wú)多余的傳力過(guò)程。
③由于僅縱向設(shè)預(yù)應(yīng)力框架梁，給暖通、給排水、電力管道(線)布置提供了有利條件，減少了暖通、給排水、電力專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)難度。
4 框架結(jié)構(gòu)計(jì)算
4．1 基本參數(shù)
①抗震設(shè)防7度，抗震等級(jí)三級(jí)
②場(chǎng)地土類(lèi)別：二類(lèi)場(chǎng)地土
③混凝土：Ｃ40
④樓、屋面活荷載標(biāo)準(zhǔn)值(kN／㎡)
健身、棋牌活動(dòng)室：2， 檔案室： 3
不上人屋面：0．7， 上人屋面：1．5
客房、辦公室、大會(huì)議室：2
⑤梁、板裂縫控制等級(jí)為二級(jí)
⑥結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算方法：采用PKPM程序進(jìn)行計(jì)算
4．2 框架梁參數(shù)
梁設(shè)計(jì)以D軸六層框架為例，梁內(nèi)布置14根d＝15mm無(wú)粘預(yù)應(yīng)力鋼絞線(?ptk＝1570N／m㎡)，支座及跨中均布置8Ф22普通鋼筋。無(wú)粘結(jié)筋張拉控制應(yīng)力бcon＝0．7×1570＝1100N／m㎡，扣除全部損失后預(yù)應(yīng)力筋的有效應(yīng)力бpe＝814N／m㎡。扁梁截面1200×400，翼緣板寬取2300，截面積A＝0．733㎡，慣性矩T＝0．00871m4，形心位置 y1＝0．17lm，y2＝0．229m 。
4．3 結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析結(jié)果
荷載作用下彎矩包絡(luò)圖(見(jiàn)圖1)，預(yù)應(yīng)力等效荷載綜合彎矩圖(見(jiàn)圖2)。
4．4 框架梁正截面抗裂度驗(yàn)算
4．4．1 混凝土受拉區(qū)容許拉應(yīng)力
荷載短期效應(yīng)組合0．6γ? tk ＝2580kN／㎡，荷載長(zhǎng)期效應(yīng)組合0．25γ? tk＝1070kN／㎡
4．4．2 支座截面抗裂度
Npe＝1584kN，預(yù)應(yīng)力綜合彎矩Mp＝272kN—m
荷載短期效應(yīng)組合彎矩Ms＝497．5kN－m，σsc＝(Ms—Mp)y1／I—Npe／A＝2266＜2580kN／㎡
荷載長(zhǎng)期效應(yīng)組合彎矩M1＝439．8kN—m，σ1c＝(M1一Mp)y1／Ｉ—Npe／A＝l133kN／㎡(相對(duì)誤差為(1133—1070)／1070＝5．9％，可)
4．4．3 跨中截面抗裂度
Npe＝1584kN，Mp＝179．6kN—m，Ms＝265．3kN—m，σsc＝92＜2580kN／㎡M1＝234．4kN—m，σ1c＝—718kN／㎡(受壓)
4．5 框架梁正截面強(qiáng)度驗(yàn)算
4．5．1無(wú)粘筋應(yīng)力設(shè)計(jì)值
hp＝400—60＝340mm
配筋指標(biāo)βo＝(Ap6pe十A s?y)／(?cmbh p)
＝0．288＜0．45
應(yīng)力設(shè)計(jì)值6p＝[σpe十(500—770βo)]／1．2
＝910N／m㎡
4．5．2 支座截面強(qiáng)度驗(yàn)算
次彎矩Mc＝96．2kN—m，設(shè)計(jì)彎矩M'＝M—Mc＝544．8kN—m，χ＝(A pбp十A s?y—A s?y)／(b?㎝)＝69mm，承載力Mu＝85l＞M'＝544．8kN—m，開(kāi)裂彎矩 Mcr＝Mp十(Npe／A十γ?tk)W＝600KN—m＜mu＝85lkN—m(可)
4．5．3 跨中裁面強(qiáng)度驗(yàn)算
Mc＝—88kN—m，M'＝411。5kN—m，χ＝4lmm，Mu＝851＞M'＝411．5，Mcr＝425＜Mu＝85l(可)
5樓面板設(shè)計(jì)
樓板設(shè)計(jì)以五層樓面為例，板厚h＝230mm，預(yù)應(yīng)力筋采用7Ф?5平行鋼絲束(?ptk＝1570N／m㎡)，間距為260mm，6con＝0．7×1570＝1100N／m㎡，扣除全部損失后有效應(yīng)力6pe＝901N／m㎡。普通鋼筋(二級(jí)鋼)板底通長(zhǎng)Ф12＠200板面支座負(fù)筋Ф12＠150。
5．1 計(jì)算簡(jiǎn)圖及預(yù)應(yīng)力筋布置(見(jiàn)圖3)
(a)板豎向荷載計(jì)算簡(jiǎn)圖，kPa；(b)板恒載彎矩圖，kN·m； ?扳活載彎矩包絡(luò)圖，kN·m；(d)板預(yù)應(yīng)力筋布置；(e)綜合彎矩圖，kN·m；(f)板活載彎矩包絡(luò)固，kN·m
板截面參數(shù)：A＝0．805m2，Ｉ＝0．00355m4
5．2 板內(nèi)力分析結(jié)果(見(jiàn)圖3)
為方便內(nèi)力組合及配筋計(jì)算，在對(duì)樓面恒活載內(nèi)力分析時(shí)，板計(jì)算寬度取3．5m，與地震荷載內(nèi)力分析時(shí)等寬度。'

5．3 板正截面抗裂度驗(yàn)算
5．3．1 混凝土受拉區(qū)容許應(yīng)力同梁
5．3．2 截面抗裂度
Ap＝1871mm2，Npe＝1686kN，M活＝54．1kN—m'預(yù)應(yīng)力綜合彎矩與恒載彎矩相互抵消，則
бsc＝My／I－Npe／A＝—342kN／㎡(受壓)，б1c＝0．4My／Ｉ—Npe／A＝—1393kN／㎡(受壓)
5．4 正截面強(qiáng)度驗(yàn)算(無(wú)地震組臺(tái))
5．4．1 無(wú)粘結(jié)筋應(yīng)力設(shè)計(jì)值(見(jiàn)表1)
平均6p＝(бpl十бp2十бp3十бp4)／5＝958N／mm2
5．4．2 支座截面強(qiáng)度驗(yàn)算
Mc＝35．9kN—m，M'＝254．9kN—m，χ＝35mm
Mn＝484＞M'＝254．9，Mcr＝376＜Mu＝484(可)
5．4．3 跨中截面強(qiáng)度驗(yàn)算(見(jiàn)表2)
5．5 正截面強(qiáng)度驗(yàn)算(有地震組合)
5．5．1 邊支座
χ＝12．4mm，Mu＝125＞M'＝71。8kN—mб
5．5．2 中支座
M'＝236Kn－m<無(wú)地震組合的Ｍ'＝254．9）
承載力驗(yàn)算不起控制作用。
6 結(jié)語(yǔ)
6．1 預(yù)應(yīng)力度與抗裂度
根據(jù)目前的國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)規(guī)范，無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)一般按二級(jí)抗裂度控制。預(yù)應(yīng)力度偏高，有時(shí)反向應(yīng)力較高往往不利于早期裂縫控制，也不利于抗震耗能。如果為了降低預(yù)應(yīng)力度而增加普通鋼筋，則總用鋼量增大，總體上看不經(jīng)濟(jì)，表明大多情況下樓蓋結(jié)構(gòu)按二級(jí)抗裂度設(shè)計(jì)偏嚴(yán)。建議適當(dāng)放寬混凝土受拉允許應(yīng)力，例如：拉應(yīng)力限制系數(shù)бcts由0．6放寬為0．8～1．0，αctl由0．25放寬為0．4～0．5。這方面還有待進(jìn)一步研究。
6．2 實(shí)踐與展望
本工程于1998年上半年完成設(shè)計(jì)，1999年底竣工。實(shí)踐證明這種結(jié)構(gòu)具有節(jié)約鋼材、減輕自重、改善建筑使用功能和結(jié)構(gòu)受力性能、增大室內(nèi)空間、提高容積率、綜合經(jīng)濟(jì)效果好等優(yōu)點(diǎn)，值得大力推廣?？梢韵嘈?，21世紀(jì)的預(yù)應(yīng)力技術(shù)將更加普及和全面發(fā)展!