大跨度混凝土框架梁優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、混泥土畢業(yè)論文 大跨度混凝土框架梁優(yōu)化設(shè)計(jì)在工程設(shè)計(jì)中，通過進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，往往能取得更 為良好的工程效果和經(jīng)濟(jì)效益，本文擬以某大學(xué)教學(xué)綜 合樓優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。 1 工程概況 本工程為 6 層建筑的教學(xué)綜合樓，平面尺寸 45.0m45.7m（圖 1）其中 ab 及 cd 軸間為 6 層教 室，辦公室。bc 軸為單層大禮堂,跨度為 25m，屋面為 室外庭園。2 結(jié)構(gòu)方案及預(yù)應(yīng)力體系選擇 2.1 結(jié)構(gòu)方案選擇 根據(jù)建筑功能要求，首層需為大空間布置，二層樓 面軸上框架主梁跨度為 8m+25m+8m（兩端各懸挑 2.0m），二層樓面為室外庭園，活荷載較大，為 6.0kn/m2。 由于跨度大、承擔(dān)荷載重

2、，已超出普通鋼筋混凝土經(jīng)濟(jì) 范圍，大跨度方向的框架主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，小開間方向?yàn)槠胀ㄤ摻罨炷链瘟?、普通鋼筋混凝土?（圖 1）。 預(yù)應(yīng)力框架主梁的經(jīng)濟(jì)跨度為 1235m，梁跨高比 1520。在該跨度范圍內(nèi)采用預(yù)應(yīng)力混凝土，可解決大 跨度梁的抗裂、撓度問題，擴(kuò)大柱網(wǎng)，形成大空間，提高 建筑物的使用功能?？紤]到便于施工和減輕施工難度， 建議采用現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土。 2.2 預(yù)應(yīng)力體系選擇 由于本工程為大跨度（25m）重荷載的梁式承重結(jié) 構(gòu)，故采用有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土。至于有粘結(jié)梁中的預(yù) 應(yīng)力孔道與梁、柱普通鋼筋的相互矛盾，可以通過精心 設(shè)計(jì)、合理施工來解決。有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力施工較無粘結(jié)多 了孔道

3、留設(shè)、孔道灌漿兩個(gè)工序，對(duì)有經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)施工 單位來說并不困難。 3大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土梁的設(shè)計(jì)優(yōu)化處理 3.1 結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析時(shí), 對(duì)活荷載在不同階段的取 值做了處理 采用文獻(xiàn)1中 bf 程序進(jìn)行預(yù)應(yīng)力框架的設(shè)計(jì)，預(yù) 應(yīng)力框架主梁跨度：2m+8m+25m+8m+2m（兩端跨懸挑），截 面 尺 寸 ：ykl1-p 400mm 1000mm，ykli-b 450mm 1000mm（內(nèi)支座處加腋高度 300mm），ykl1-2 450mm 1300mm（支座處加腋高度 300mm）。 在荷載取值時(shí)，作了如下處理：考慮二層屋面活載 （6.0kn/m2）中相當(dāng)部分為覆土荷載，是長(zhǎng)期作業(yè)在結(jié)構(gòu) 上的，為安全起

4、見，在抗裂性能驗(yàn)算時(shí)，將活載中的 4.0kn/m2 作為恒載考慮，在承載力極限計(jì)算時(shí)，全部活 載作為活載考慮。這樣處理符合工程實(shí)際情況，對(duì)長(zhǎng)期 荷載組合時(shí)的抗裂性能控制較嚴(yán)。 由恒載、活載作用下的彎矩圖可知，關(guān)鍵截面在 25.0m 跨梁的支座處，8.0m 跨中支座截面內(nèi)力也比較 大，這兩個(gè)截面做了加腋。在建筑允許時(shí)，關(guān)鍵截面是經(jīng)濟(jì)的手法。 3.2 針對(duì)各截面所處環(huán)境的不同, 拉應(yīng)力控制系 數(shù)有所區(qū)別 在規(guī)范允許范圍內(nèi)，本工程設(shè)計(jì)中，我們參考國(guó)內(nèi) 一些權(quán)威的研究結(jié)果（文獻(xiàn)3、4），結(jié)合本工程的特點(diǎn)， 設(shè)計(jì)了一組抗裂控制指標(biāo)。 根據(jù)文獻(xiàn)3的研究結(jié)果，中等侵蝕性環(huán)境預(yù)應(yīng)力框 架梁的裂縫控制及抗裂驗(yàn)算

5、公式可按下式： 短期組合：sc-pcactsftk，acts 取 2.0。 長(zhǎng)期組合：lc-pcactlftk，actl 取 0。 根據(jù)本工程的具體情況，對(duì)抗裂控制作了特別考 慮：本工程 2m+8m+25m+8m+2m（兩端各懸挑 2.0m）的框架 主梁的關(guān)鍵截面在 25m 跨梁的支座處，其上邊緣的抗裂 性能是整榀梁預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，而且該處露天，其抗 裂要求較高；而其余截面的內(nèi)力均較小，且處于室內(nèi)，抗 裂要求可適當(dāng)放松。即按荷載短期效應(yīng)組合進(jìn)行計(jì)算 時(shí)，梁截面受拉邊緣混凝土產(chǎn)生的拉應(yīng)力不超過 actsftk，在 25.0m 跨（露天）支座處 acts 取不大于 0.6， 其余截面（室內(nèi)）取不

6、大于 1.4；按荷載長(zhǎng)期效應(yīng)組合進(jìn) 行計(jì)算時(shí)，梁截面受拉邊緣處混凝土產(chǎn)生的拉應(yīng)力不超 過 actlftk，在 25.0m 跨（露天）支座處 actl 取不大于 0.25，其余截面（室內(nèi)）取不大于 0.8。按上述原則結(jié)合 預(yù)應(yīng)力筋的合理布置進(jìn)行設(shè)計(jì)既保證安全又節(jié)省造價(jià)。 3.3 預(yù)應(yīng)力筋的布置 預(yù)應(yīng)力筋采用高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，強(qiáng)度等級(jí)為 1860mpa，規(guī)格為 j15.24 的預(yù)應(yīng)力筋，價(jià)格性能比最 佳。張拉端錨具采用二夾片式錨具，固定端采用壓花錨。 混凝土強(qiáng)度等級(jí) c40。 當(dāng)預(yù)應(yīng)力梁為多跨且跨度不等時(shí)，預(yù)應(yīng)力筋數(shù)量由 最大跨度的關(guān)鍵截面控制。預(yù)應(yīng)力筋合理布置的原則 是：關(guān)鍵截面預(yù)應(yīng)力筋數(shù)量多

7、，其余截面預(yù)應(yīng)力筋數(shù)量 少，總體上用最少的預(yù)應(yīng)力筋，滿足各截面的使用及強(qiáng) 度要求，同時(shí)其布置方式在施工時(shí)是可行的。本工程兩 邊跨為短跨，中間跨為長(zhǎng)跨，一般有以下幾種預(yù)應(yīng)力筋 布置方式：所有預(yù)應(yīng)力筋均通長(zhǎng)布置（圖 2-a）。這種 布置方式構(gòu)造處理較簡(jiǎn)單，但不經(jīng)濟(jì)。布置一組通長(zhǎng) 預(yù)應(yīng)力筋，滿足各小跨度截面的要求，大跨度梁處再增 加一組短預(yù)應(yīng)力筋（圖 2-b）。這種布置方式較為經(jīng)濟(jì)， 但如大跨度梁不是邊跨時(shí)（如本工程），則增加的短預(yù)應(yīng) 力筋往往要在結(jié)構(gòu)內(nèi)（如梁面開槽）張拉，施工難度大。 布置兩組預(yù)應(yīng)力筋，在大跨度范圍內(nèi)形成交叉（圖2-c）。這種布置方式較為經(jīng)濟(jì)，同時(shí)張拉端設(shè)在梁端，施 工也很方便。本

8、工程采用該布置方式。 梁中布置了 4-5j15.24，其中 2-5j15.24 布置 在 ykl1-p、1、2 跨內(nèi)，伸入 ykl1-3 內(nèi) 2.4m 錨固（如圖 2-c 所 示）， 在 ykl1-p 懸 臂 梁 端 張 拉 ， 另 一 組 2-5j15.24 對(duì)稱布置。這樣一來，使 25.0m 跨及 8.0m 跨中支座處預(yù)應(yīng)力筋數(shù)量為 4-5j15.24 其余截面減 少一半。與 4-5j15.24 通長(zhǎng)布置相比，預(yù)應(yīng)力筋長(zhǎng)度 由 45.0m 減少到 37.5m，減少約 17%，錨具減少 50%（固 定端為壓花錨，基本不耗材料）。 預(yù)應(yīng)力筋產(chǎn)生的綜合彎矩 mr、次彎矩 m2 由程序計(jì) 算，此處

9、不列出。 3.4 使用性能 使用階段各關(guān)鍵截面混凝土應(yīng)力情況見表 1。由表 中可見，各截面混凝土拉應(yīng)力均為超過設(shè)計(jì)限值，滿足 要求。預(yù)應(yīng)力梁中的普通鋼筋按構(gòu)造配筋。3.5 構(gòu)造處理 有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力施工的關(guān)鍵問題是如何處理好波紋 管與梁、柱普通鋼筋的互相位置，稍不注意可能造成大 量的返工甚至無法施工。我們的方法是在圖紙上即定出 各種鋼筋、孔道的位置即相互關(guān)系，將問題解決在圖紙 階段，然后向施工單位詳細(xì)交底，按圖施工。 3.5.1 柱筋定位 繪制梁柱節(jié)點(diǎn)大樣圖（圖 3），使柱筋的間距與穿柱 波紋管的間距一致，對(duì)妨礙波紋管位置的柱主筋及其他 鋼筋作相應(yīng)調(diào)整。實(shí)際施工時(shí)柱筋按圖綁扎，留出波紋 管孔道通過

10、的位置。3.5.2 張拉端梁鋼筋做法 在張拉端預(yù)應(yīng)力筋由兩孔并排布置變?yōu)樯舷虏贾?（受梁寬限制），在水平方向上孔道有變位（圖 4），在懸 挑段穿過箍筋的中間兩肢，因此將中間兩肢設(shè)計(jì)成獨(dú)立 的，在孔道就位后再綁扎（圖 5），避免了箍筋按常規(guī)做 法引起的波紋管無法按圖通過的困難。4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析 4.1 與普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比本工程在初步設(shè)計(jì)階段，曾與采用普通鋼筋混凝土 方案進(jìn)行過比較。采用普通方案時(shí)。為滿足強(qiáng)度極限要 求，25.0m 跨梁梁寬截面尺寸為 450mm2300mm，支座處 加腋尺寸 lh 為 2760mm930mm，梁中主要配筋如下： 下部通長(zhǎng)筋 2628（四排），上部架立筋 62

11、5，支座加 筋 1428+728。需說明的是，普通鋼筋混凝土梁無法 避免開裂，而且普通鋼筋太多，難以施工。 預(yù)應(yīng)力混凝土與普通鋼筋混凝土相比，梁截面高度 可減少 1.0m。混凝土量可減少約 44.4%，普通鋼筋用量 可減少約 65%，8 榀框架梁鋼筋、混凝土部分造價(jià)可減少 約 10%?？紤]到模板、支撐大量減少，造價(jià)還有節(jié)省。另 外，梁自重減輕 44.4%，梁中施加預(yù)應(yīng)力筋后對(duì)柱產(chǎn)生 有利影響，柱筋配筋有所減少。 不僅如此，同時(shí)還具有以下優(yōu)點(diǎn)：預(yù)應(yīng)力方案降 低梁截面高度。室內(nèi)凈高增加 1.0m，結(jié)構(gòu)輕巧，改善室 內(nèi)觀感，使用功能提高；模板、支撐大量減少，普通鋼 筋大量減少，梁普鋼筋由 2628（四排）變?yōu)?825（二 排），施工難度大大減輕；提高了梁的使用性能，在使 用期間預(yù)應(yīng)力梁不開裂。如采用普通鋼筋混凝土梁，將 難以避免開裂，結(jié)構(gòu)將帶裂縫工作。 4.2 預(yù)應(yīng)力方案優(yōu)化設(shè)計(jì)的效益 如梁支座處