無斜腹桿預應力現(xiàn)澆混凝土桁架設計與施工

無斜腹桿預應力現(xiàn)澆混凝土桁架設計與施工

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用，適用范圍非常廣泛，尤其是在大的和中等的結構體系中。桁架的主要受力特點是上弦受壓,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應力鋼筋來抵抗拉力。本次工程設計成功的采用了無斜腹桿預應力現(xiàn)澆混凝土桁架,本文詳細介紹了無斜腹桿預應力桁架的設計與施工,并且分析了桁架的受力特點。2主要建筑結構特點蘇州新區(qū)第二水廠脫水機房是廠區(qū)的主要建筑物。該建筑物地上一層,建筑物總長度為65.73m,分為脫水機工作間和泥棚兩部分,兩部分之間設伸縮縫一道?？偨ㄖ娣e約為1425m2。脫水機工作間部分建筑高度為14.46m,主要建筑柱網尺寸為20.0m×6.0m。泥棚部分建筑高度為7.87m,該部分柱網尺寸較小。脫水機房平面布置如圖1所示。本工程的設計適用年限為50年,建筑結構的安全等級為二級,抗震設防烈度為6度,設計基本地震加速度值為0.05g。設計地震分組為第一組,抗震設防類別為乙類,建筑場地類別為Ⅱ類。結構下部采用柱下獨立基礎,上部采用框架結構體系。3桁架型式設計脫水機房橫向柱網跨度為20m,跨度較大,但非標準尺寸,無法選用折線形標準屋架,而常規(guī)混凝土結構又很難滿足要求,因此8根屋面大梁的設計成為該建筑物設計的關鍵。由于南方多雨的氣候和建設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。考慮到工程進度和施工方便,整個建筑物均需采用現(xiàn)澆方式進行施工。因此,經過多方案比較結構專業(yè)結合坡屋面造型將屋面大梁做成現(xiàn)澆預應力桁架。桁架型式擬采用以下兩種方案。方案一為設置斜腹桿方案(如圖2),經試算,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,普通混凝土結構無法滿足,需要施加預應力解決,考慮到本桁架擬采用現(xiàn)澆方式,再加上下弦需要施加預應力,過多的預應力筋的設置會導致現(xiàn)場施工復雜,不好實施。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,屋架為重要構件,構件不宜留豎向施工縫,宜一次澆筑成形,屋架構件太多也勢必造成施工時澆搗混凝土困難,難以實現(xiàn)。故基本排除采用此方案。方案二為僅設置豎桿方案(如圖3),類似于梁抬柱的結構型式,但充分利用了桁架上弦受壓,下弦受拉的受力特點。該方案結構布置簡潔,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,僅需在下弦施加預應力即可,施工方便。綜上所述,屋架結構選型采用無斜腹桿預應力桁架。4框架結構設計4.1單預應力桁架結構分析桁架簡圖如圖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翉姸鹊燃墳镃40.結構整體計算采用SATWE軟件進行,再采用通用三維有限元軟件SAP對單榀預應力桁架進行內力分析。根據《混凝土結構設計規(guī)范》(GB50010-2002)相關規(guī)定,桁架下弦大梁裂縫控制等級為一級,桁架其余部分(上弦及立柱)裂縫控制等級為二級。4.2上弦壓力最大壓力在恒活載作用下,下弦為偏心受拉構件,拉力較大,最大拉力發(fā)生在XX2(恒載和活載組合設計值N=-1186.77kN),XX1和XX2拉力相差不大;上弦為偏心受壓構件,壓力較大,最大壓力發(fā)生在SX1(恒載和活載組合設計值N=1279.06kN),SX1和SX2壓力相差不大;豎桿SG1為偏心受拉構件(恒載和活載組合設計值N=-67.66kN),豎桿SG2為軸心受壓構件(恒載和活載組合設計值N=43.96kN),豎桿內力均很小。4.3預應力筋的布置豎桿內力較小,普通混凝土結構能夠滿足要求,主要拉力出現(xiàn)在下弦,且為偏拉構件,內力值較大,因此在下弦拋物線布置預應力筋,預應力筋采用1860鋼鉸線,經計算需要2束7-ΦS15.2鋼絞線。采用后張拉有粘結預應力工藝,兩端張拉,張拉控制應力取為σCON=1860×0.70=1302MPa.預應力鋼筋布置如圖4所示。4.4下弦壓力和彎矩計算按上述所配置預應力鋼筋的作用以等效荷載的形式加載到桁架上,經有限元計算,得到桁架的綜合彎矩圖。此時下弦為偏心受壓構件,壓力較大,最大壓力發(fā)生在XX2(標準值N=2059.7kN),XX1和XX2壓力相差不大;上弦為偏心受拉構件,拉力不大,最大拉力發(fā)生在SX2(標準值N=-133.6kN),SX1和SX2壓力相差不大;豎桿SG1為偏心受壓構件標準值值N=34.60kN),豎桿SG2為軸心受壓構件(標準值N=23.7kN),豎桿內力均很小。預應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、豎桿和下弦的非預應力鋼筋由恒載、活載、風荷載、地震作用和次彎矩產生的內力組合值計算得到。4.5張拉結構合理后的結構使用和極限狀態(tài)的驗證計算4.5.1組合結構的抗裂性能對于有預應力筋通過桁架下弦大梁,裂縫控制等級為一級,按荷載效應標準組合計算時,構件受拉邊緣混凝土不應產生拉應力,經驗算,對于桁架下弦大梁支座處,邊緣混凝土為壓應力σCt=1.945MPa,跨中截面邊緣混凝土為壓應力σCt=0.260MPa,均滿足使用階段抗裂要求。4.5.2內在限制狀態(tài)下的內力分析等效荷載作用在結構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果施工張拉過程中對桁架下弦撓度變化進行了測試。共選取了三個測點,測點布置見圖5。測試過程中共分為12個工況,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;測試結果見圖6～圖8。測試結果和有限元計算結果基本一致,說明了模型結構在外荷載及預應力筋作用下具有良好的受力性能。4.7屋頂混凝土強度等級4.7.1根據《混凝土結構設計規(guī)范》(GB50010-2002)預應力混凝土結構預應力鋼筋采用鋼絞線時,混凝土強度等級不宜低于C40,故桁架混凝土強度等級設計為C40。但一般來說,樓面板的混凝土強度等級不宜過高,且該建筑物長度較大,溫度應力較大,屋面板對防水有較高要求,混凝土強度太高,水化熱大,容易產生裂縫,因此設計將桁架和屋面板的采用不同強度等級,屋面板混凝土強度等級為C30。4.7.2在上弦和豎桿,下弦和豎桿相交處加設腋角以加強節(jié)點。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,同時在桁架與桁架之間的下弦與豎桿交點處設置縱向通長梁一道(相當于下弦系桿),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度等級的混凝土,為便于施工,施工時在屋面板板底留設施工縫。具體施工順序如下:一次性澆筑完成桁架下弦豎桿上弦,混凝土強度達到設計強度的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)護混凝土強度達到設計強度的100%之后,進行張拉。張拉采用超張拉,張拉工序為:應力從0到0.1倍張拉控制應力測量一次伸長值,再勻速拉至1.03倍張拉控制應力,進行錨固。6預應力桁架設計大