某学校网球中心单跨有粘结预应力框架的结构设计

陈志刚,李骏嵘,焦　俭

(浙江省建筑设计研究院,浙江 杭州 310006)



某学校网球中心单跨有粘结预应力框架的结构设计

陈志刚,李骏嵘,焦俭

(浙江省建筑设计研究院,浙江 杭州 310006)

介绍了某学校网球中心单跨40.8 m有粘结预应力框架的结构设计、施工技术要求、加强的构造措施,以及在设计中容易忽视的问题。本设计可供有同类设计项目的同行参考。

单跨大跨度；有粘结预应力框架；结构设计

1　工程概况

该项目为新建工程,位于杭州市余杭区临平镇红丰立交南侧,东临毓秀家园住宅小区,南临临平桂花城,西、北两侧紧临新建余杭区社区学院,位于社区学院东南角,占地面积11 832 m2,总建筑面积26 429 m2,由教学楼、网球中心、地下室组成。教学楼总建筑面积13 673 m2,包含普通教室、实验室、阶梯教室、办公室及报告厅等,主楼15层,裙房4层,其中1层和3层层高5.1 m,2层和4层高4.2 m,其余各层层高均为3.6 m。网球中心位于地块东侧,地上建筑面积5 556 m2,建筑主体层数1层,局部3层, 总高度21.7 m,为多层建筑。主要包含网球场、接待室、休息室等功能,室内网球场部分设四片网球场,层高15.7 m,辅助用房部分层高3.9 m；屋顶为四片露天网球场,女儿墙高6 m。地下室面积为7 200 m2,主要功能为设备用房,汽车库及非机动车库。本工程在主楼及纯地下室设甲类人防工程,战时人员掩蔽等级为核六、常六级；防化等级为丙级。见图1。

图1　某学校鸟瞰图

2　结构设计

2.1有关技术资料及设计参数

1)基本风压:50年一遇的风压值为0.45 kN/m2。地面粗糙度为B类[1]。

2)基本雪压:50年一遇的雪压值为0.45 kN/m2[1]。

3)抗震设防:本工程抗震设防烈度6度,设计基本地震加速度值为0.05 g,设计地震分组为第一组[2]。本工程抗震设防类别为丙类[3],场地土类别为Ⅲ类。

4)建筑结构设计使用年限为50年,结构安全等级为二级,地基基础设计等级为乙级[4]。

2.2单体设计

教学楼及纯地下室单体设计略。

网球馆结构高度21.7 m,±0.00 m标高相当于黄海高程7.3 m,下设1层地下室(与大地下室连通),底板面标高-2.9 m,1层柱网间距为7.2(6.6) m×9.2 m,屋面柱网间距为40.8 m×9.6 m。采用框架结构体系,框架抗震等级三级(大跨度框架结构),地下室抗震等级三级[2]。屋面大梁采用后张法有粘结预应力,支撑大梁的框架柱子采用有粘结预应力,四周边梁采用后张法无粘结预应力,基础采用直径600 mm的钻孔灌注桩。

2.3网球中心屋顶大跨度预应力框架设计

网球中心除了1层为四片网球场以外,屋面上还有四片网球场,柱网间距为40.8 m×9.2 m。基于建筑对屋面网球场基层及使用功能的要求,除结构构件自身的重量外,还需考虑4.0 kN/m2的恒载和3.5 kN/m2的活荷载。经多个方案的比较,由于预应力混凝土抗裂性好,刚度大,大大减少了裂缝的出现,加强了结构的耐久性,对大跨度结构有着明显的优越性；另外，大跨度梁采用现浇混凝土结构,减少后期维护费用,使用功能更加方便灵活，因此决定采用预应力钢筋混凝土屋面。由于屋面为单跨建筑,层高又是15.700 m,屋面预应力大梁两端无法伸入相邻跨内,致使梁端的框架柱配筋超大,抗裂也无法满足规范要求,故设计考虑在框架柱内设置竖向的预应力筋。

2.3.1结构计算

采用中国建筑科学研究院提供的PKPM程序对结构进行建模,采用PREC程序布置预应力钢筋设计并进行计算。

2.3.2预应力大梁的设计

预应力大梁的跨度轴线距离为40.800 m,截面尺寸为600 mm×2 500 mm,梁高与梁宽的比值为4.17,跨高比为1/16.32,满足《预应力混凝土结构技术规程(DB 33/1067—2010)》表5.6.1-2的要求。经过反复试算,确定一个合理的梁断面。本工程的预应力大梁共有7根,见图2。预应力钢筋采用高强度低松弛钢绞线(fptk=1 860 N/mm2),共布置4×7ΦS15.2,曲线方式布置,两端张拉,深化设计见图3。

2.3.3预应力柱子的设计

框架柱截面尺寸为1 200 mm×2 000 mm,预应力钢筋采用高强度低松弛钢线(fptk=1 860 N/mm2),共布置3×9ΦS15.2,曲线方式布置,一端锚在基础的承台底部,在柱顶一端张拉,深化设计见图4。由于框架柱的柱顶尚有600 mm×600 mm的柱子,故柱顶原本可以在一条直线上的中间一根预应力钢筋需避开上面的柱子断面。

2.3.4施工技术要求

1)施加预应力时,不宜低于设计混凝土强度等级的75%[5]。待张拉后,混凝土强度达到设计强度时方可拆除底模和底模支撑。

2) 预应力筋铺设时应设置铁马凳,并用铁丝与预应力筋扎紧,保持预应力筋控制点的高度,以及保持曲线的平滑与垂直度。

3) 在浇筑混凝土时,严禁踏压预应力筋及触按锚具,应保证预应力筋的束型和锚具的位置准确。

4) 后张预应力筋的成孔采用预埋镀锌金属螺旋管,镀锌金属螺旋管应符合《预应力混凝土用金属螺旋管(JG/T 3013—94)》产品标准的规定。

5) 本工程锚具及夹具均采用Ⅰ类锚具。张拉端锚具采用QM型群锚体系的QM型张拉端锚具(或OVM型群锚体系的OVM型张拉端锚具)及相同品质的张拉端锚具；固定端锚具采用QM型群锚体系的QMJ型挤压式锚具(或OVM型群锚体系的OVMP型挤压式锚具)及相同品质的挤压式锚具。所用的锚具及夹具均应符合《预应力筋用锚具、夹具和连接器应用技术规程(JGJ 85—2010)》的规定。

6)屋面梁和框架柱的预应力钢筋张拉顺序：先张拉框架柱的预应力筋,后张拉屋面大梁的预应力筋。屋面梁张拉时按照左右、上下对称的原则进行。每榀预应力梁均采用超张拉方法,张拉时控制应力σcon=0.75fptk,张拉程序 0—15%σcon—103%σcon—卸荷,张拉过程以应力控制为主,伸长值为辅,实行双控,且应控制张拉速度,使钢绞线在锚固前尽可能地克服摩擦力以减少预应力损失值。

7) 后张有粘结预应力筋张拉后孔道灌浆材料采用42.5 MPa普通硅酸盐水泥,内掺15%UEA-H高效混凝土微膨胀剂,水灰比0.4～0.5。灌浆方法为一端灌浆,一端排气,孔道密实后封闭灌浆孔。在锚具及其他适当位置留灌浆孔或排气孔。

2.3.5设计构造措施

1)由于预应力框架梁轴向刚度较大, 施加的预应力也较大,而与梁相连的楼板刚度相对较小,故为增加预应力混凝土梁平面外的刚度,在垂直预应力梁方向布置300×700 mm的次梁,次梁间距按3.3、3.6 m(图2),板厚采用130 mm,梁跨中截面特征计算考虑翼缘的作用,按照T型截面计算,梁支座截面按照矩形截面计算。

图2　标高15.700 m结构平面图

2)基于预应力梁弹性压缩变形,梁柱节点产生一定的水平变形,纵向的框架梁存在着不可忽视的附加内力,故在适当增加纵向框架梁侧水平筋的同时,在纵向的框架梁上设置上下各两束ΦS15.2后张法无粘结预应力钢筋,并形成四周封闭,加强建筑物的整体性。见图5。

3)梁端截面的底部和顶部非预应力钢筋的比值,除满足计算要求以外,尚应满足规范的构造要求,以保证地震作用下梁端塑性铰的受压区域混凝土具有足够的延性,同时考虑到预应力大梁在张拉的过程中有一个反拱作用,梁跨中截面上部受压区在配置非预应力钢筋时需要适当放大配筋。

4)裂缝控制，根据《混凝土结构设计规范(GB 50010—2010)》表3.4.5,本工程裂缝控制等级为三级,环境类别为二a类,裂缝宽度的限值为0.20 mm;预应力混凝土构件在荷载标准组合并考虑长期作用影响的效应计算,其最大的裂缝宽度的限值为0.1 mm[6]。

2.3.6在设计过程中容易忽视的问题

1)根据《建筑抗震设计规范(GB 50011—2010)》6.1.2条文说明,大跨度框架是指框架跨度大于等于18 m时,其抗震等级需要按照大跨度框架取值[2]。

2)在日常设计过程中,保护层的厚度都是在结构总说明上根据不同的环境类别以表格的形式加以说明,在有预应力的项目中,容易忽略预应力结构构件的保护层与非预应力结构构件保护层的区别。根据《预应力混凝土结构技术规程(DB 33/1067—2010)》表5.1.20-1～3混凝土保护层的最小厚度与《混凝土结构设计规范(GB 50010—2010)》表8.2.1中的要求要高,其中当预应力梁、板结构有防火要求时,混凝土保护层最小厚度应根据耐火极限的要求确定[5]。

3)根据《预应力混凝土结构技术规程(DB33/1067—2010)》表5.5.6预应力混凝土柱轴压比限值与《高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ 3—2010)》表6.4.2柱轴压比限值,预应力混凝土框架结构柱的轴压比限值要比非预应力柱子的轴压比限值低0.5[5],对于高层建筑低层转换的柱子需要特别注意,对于多层建筑来说,一般情况下柱子的轴压比基本上都能满足要求。

4)大跨度大梁,在楼面荷载确定的情况下,梁自身的重量在计算过程中对预应力筋和非预应力筋的配置影响较大,故选择一个合理的梁宽和梁高比较重要。

5)本工程层高15.7 m,在40.8 m×73.6 m范围内是一个大空间,故在一层构件设计过程中底层的楼板上需要考虑上层施工需要的密集脚手架的荷载,需要在底层结构平面中明确楼板允许的活荷载,以免在支撑上层模板时给下层的结构构件带来不利的影响。

3　结　语

1)对于大跨度预应力大梁,确定合理的断面,减少自重,对配置预应力筋与非预应力钢筋的影响不容忽视。

2)考虑到预应力大梁在张拉的过程中的反拱作用,故适当放大梁跨中截面上部受压区的非预应力钢筋的配筋。

3)明确预应力梁与普通混凝土梁保护层厚度的区别。

4)大空间结构需考虑上层的支模架对下层结构的不利影响。

5)适当增加纵向框架梁侧水平抗扭筋,在条件许可的情况下,建议设置无粘结预应力构造筋,增加建筑物的整体性。

[1]中国建筑科学研究院. GB 50009—2012 建筑结构荷载规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2012.

[2]中国建筑科学研究院.GB 50011—2010 建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2010.

[3]中国建筑科学研究院. GB 50223—2008建筑工程抗震设防分类标准[S].北京：中国建筑工业出版社,2008.

[4]中国建筑科学研究院. GB 50007—2011建筑地基基础设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2011.

[5]浙江大学建筑工程学院, 浙江大学建筑设计研究院. DB 33/1067—2010 预应力混凝土结构技术规程[S].杭州：浙江工商大学出版社,2010.

[6]中国建筑科学研究院. GB 50010—2010混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2010.

Structure Design of the Single Span Frame with Bonding Prestress for the Tennis Center in a School

CHENZhigang,LIJunrong,JIAOjian

2016-06-27

陈志刚 (1965—)，男，浙江乐清人,高级工程师，从事结构设计工作。

TU378.4

B

1008-3707(2016)09-0011-06