探索大開間大跨度多高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計問題

1、<p>　　探索大開間大跨度多高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計問題</p><p>　　摘要：隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)越來越多樣化，本文通過大量的工程設(shè)計計算和典型分析,就高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中縱橫剛度與主梁受扭問題、次彎矩問題、桿件軸向變形的影響問題、彎矩可調(diào)性及抗裂性問題作了論述,從而使大開間大跨度多高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計更加合理。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：大開間大跨度；高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)

2、計 </p><p>　　中圖分類號：TU97文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： </p><p><b>　　引言 </b></p><p>　　隨著人們生活質(zhì)量的顯著提高，對建筑的要求也越來越高，城市建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)該不斷創(chuàng)新。城市建筑“彈性空間”的提出是希望建筑平面能有較大的開間和跨度,以滿足現(xiàn)代建筑多功能變化的靈活要求。但4 m左右的開間,6

3、m左右的跨度,這種傳統(tǒng)的磚木結(jié)構(gòu),是長期以來的一種習(xí)慣。若把開間和跨度加大一點,利用普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)比較經(jīng)濟(jì)。而當(dāng)結(jié)構(gòu)的構(gòu)件跨度在10 m左右時,采用普通的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)就可能會使構(gòu)件高度達(dá)到1 m,如此將會影響空間的使用和觀感。因此,開間跨度要大,樓蓋結(jié)構(gòu)層高度卻不增加,這是一個明顯的矛盾。而采用高標(biāo)號混凝土和高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力混凝土就比較容易解決這一矛盾。 </p><p>　　通過大量的工程設(shè)計計算和典型分析,

4、本人認(rèn)為,對矩形柱網(wǎng)平面,采用小柱距方向設(shè)主梁,大跨度柱距方向設(shè)預(yù)應(yīng)力次梁的結(jié)構(gòu)體系,樓蓋結(jié)構(gòu)層高度可以做到跨度的1/25左右,與相應(yīng)的6 m~10 m柱網(wǎng)的普通鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)比較,可以做到跨度加大,樓蓋結(jié)構(gòu)層高度不增加,每平方米造價略為降低,每平方米鋼筋用量減少10 kg以上,混凝土平均厚度減少10 cm左右的較好結(jié)果,以下就一些設(shè)計計算要點進(jìn)行討論。 </p><p>　　1 縱橫剛度與主梁受扭問題 &l

5、t;/p><p>　　大跨度方向設(shè)預(yù)應(yīng)力次梁,開間方向設(shè)主梁,主梁是否施加預(yù)應(yīng)力視需要而定。這一主次梁布置的方向改變了一般橫向框架的設(shè)計習(xí)慣,但總覺得橫向剛度有問題。其實很多情況下,即使采用了縱向主梁加強(qiáng)縱向剛度,但因建筑平面有完整橫向剪力墻,而縱向剪力墻完整的較少,長度也小,因此,計算結(jié)果依然是縱向剛度小于橫向剛度。所以只要能滿足規(guī)范要求就不需要在這個問題上困擾。次梁跨度加大,將增加邊主梁承受的扭矩,需要認(rèn)真對待。

6、而次梁若錯開柱子設(shè)置時,其豎向力的傳力途徑并無多少改變。橫向力的傳力路徑,可以不必像平面框架那樣考慮,實際上是全部柱子受到整個樓蓋的整體彎扭約束。對橫向剛度最不利的情況就是整個樓蓋平面僅作為全部柱子的橫向鉸接連桿來看待,折板結(jié)構(gòu)體系就類似這種情況。 </p><p><b>　　2 次彎矩問題 </b></p><p>　　超靜定結(jié)構(gòu)張拉時,在次反力作用下產(chǎn)生的截面彎

7、矩稱為次彎矩,如圖1所示。在靜定構(gòu)件中,驗算跨中截面抗裂性時,計算混凝土應(yīng)力只是把混凝土取為脫離體。而計算跨中強(qiáng)度時,是把混凝土和鋼筋共同取為脫離體,計算彎矩就等于荷載彎矩。 </p><p>　　若左端鉸支不變,右端為兩跨連續(xù)梁的中間支座,就成為超靜定結(jié)構(gòu)。兩跨連續(xù)梁配筋,張拉鋼筋時梁的變形將受到約束,中間支座處有一個力要把拱起的梁拉回原來的位置。左端支座產(chǎn)生的次應(yīng)力在跨度各截面上產(chǎn)生次彎矩。在進(jìn)行跨中截面混凝

8、土抗裂驗算和截面強(qiáng)度計算時,所取的脫離體完全與前述靜定構(gòu)件相同,只是按連續(xù)梁計算的支反力和荷載彎矩值將有所不同,要注意的是,計算截面上還有一個次彎矩作用,顯然,這個彎矩會使跨中正彎矩增加而降低支座負(fù)彎矩。 </p><p>　　上述基本假定如果成立,問題就好解決了。但預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)材料是彈塑性材料,加載過程中混凝土還要開裂,梁的剛度在加載過程中不斷變化。即使超靜定梁出現(xiàn)理想塑性鉸,預(yù)應(yīng)力筋為吻合索的連續(xù)梁,

9、在加載過程中次彎矩也不會消失。美國混凝土規(guī)范早期規(guī)定,使用階段混凝土截面應(yīng)力計算考慮次彎矩,截面強(qiáng)度計算不考慮次彎矩;后又規(guī)定截面強(qiáng)度也要考慮次彎矩。ACI 318-89進(jìn)一步明確規(guī)定,用于計算預(yù)應(yīng)力超靜定結(jié)構(gòu)截面強(qiáng)度的計算彎矩為預(yù)應(yīng)力引起的支反力產(chǎn)生的彎矩及考慮塑性重分布后的荷載彎矩的代數(shù)和。通過一些試驗和分析,我認(rèn)為這最后的規(guī)定不一定更合理,因為加載過程中次反力將隨塑性內(nèi)力重分布的發(fā)展而變化,計算復(fù)雜且存在不少問題,若直接用彈性次反

10、力,可能造成較大的誤差。如果這樣計算,應(yīng)特別注意最后采用的計算負(fù)彎矩值不能減少太多。 </p><p>　　3 桿件軸向變形的影響問題 </p><p>　　施加預(yù)應(yīng)力的桿件要產(chǎn)生軸向變形,其中的徐變收縮變形很難準(zhǔn)確計算,差別可能很大,但一般考慮長期變形為短期變形的2倍,人們往往能夠接受。種種條件有利時,長期變形值可以再少取一些。桿件軸向變形引起整個超靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化,要認(rèn)真分析。當(dāng)軸向

11、變形很大時,一般是在施工時采取讓桿件可以自由變形的措施。張拉后,等一段時間再做成整體連接,但這樣處理比較麻煩。另外是估計桿件的軸向變形值,在截面設(shè)計時考慮進(jìn)去。更多的情況是,軸向變形值較小時可以不必過多考慮。而確定張拉階段是這一問題的關(guān)鍵,最不利的情況是單層框架狀態(tài)時張拉。 </p><p><b>　　4 彎矩可調(diào)性 </b></p><p>　　在預(yù)應(yīng)力后張拉超靜

12、定結(jié)構(gòu)中,連續(xù)梁采取分段、懸挑、嵌入構(gòu)件等處理方法,從力學(xué)的觀點來看就是調(diào)整內(nèi)力,使其能適應(yīng)施工階段和使用階段的荷載,又能調(diào)整跨中和支座彎矩,便于連續(xù)配筋。在大跨度框架的頂層邊節(jié)點,此處彎矩較大,配筋復(fù)雜,施工麻煩,還會造成整個結(jié)構(gòu)的用鋼量增加。目前,許多設(shè)計者把該節(jié)點設(shè)計成鉸接點,取得一點好的效果。如果在邊節(jié)點柱中設(shè)置一些豎向筋,且張拉形成整體的時間根據(jù)梁上需要受荷多少來決定,利用彎矩可調(diào)性來調(diào)整邊節(jié)點和梁跨中的彎矩分配,會獲得更好的

13、效果。 </p><p>　　5高層在設(shè)計的時候要關(guān)注的內(nèi)容 </p><p>　　5.1 橫向受力性是決定性的要素。一方面，因為樓房自重和樓面使用荷載在豎構(gòu)件中所引起的軸力和彎矩的數(shù)值，此數(shù)值和樓高互為正比例的關(guān)系；而水平荷載對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傾覆力矩，以及由此在豎構(gòu)件中引起的軸力，是與樓房高度的兩次方成正比；除此之外，對于特定的樓房，一般情況下豎向載力是固定的數(shù)值，然而水平方向的是有很大變化

14、的。 </p><p>　　5.2 關(guān)于軸向的形變現(xiàn)象。在高層中，由于豎向的載力較大，此時會引起柱的變形問題。這就會影響到連續(xù)梁。同時還能影響到預(yù)制部件材料的長度問題，此時我們要根據(jù)變形計算數(shù)據(jù)，以此來調(diào)整長度。同時還能影響到構(gòu)件的剪應(yīng)力以及側(cè)移現(xiàn)象。這時得到的數(shù)據(jù)結(jié)果往往不會很準(zhǔn)確，存在很大的誤差等。 </p><p>　　5.3 側(cè)移成為控制指標(biāo)。在低層的樓房中，結(jié)構(gòu)的側(cè)移問題并不是很

15、重要的，但是在高層中是一個很重要的因素。樓房高度不斷增高，這時就導(dǎo)致水平方向的側(cè)移增大，此時我們要有效地將側(cè)移控制到一定的范圍之內(nèi)。 </p><p>　　5.4 延性指標(biāo)。低層樓房不如高層的柔，因此在地震時不易變形，但是高層的就特別容易。為了確保結(jié)構(gòu)變形后還能有很好的作用，放置倒塌現(xiàn)象，此時我們要采用合適的方法來確保延性合理。 </p><p><b>　　6 結(jié)語 </

16、b></p><p>　　根據(jù)比較和工作經(jīng)驗,本人認(rèn)為對于C40混凝土,控制計算名義拉應(yīng)力為3.0 N/mm2~4.0 N/mm2,按這樣設(shè)計建成的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)還沒有發(fā)現(xiàn)可見裂縫?？梢员苊庠谠O(shè)計中梁底使用荷載受拉區(qū)要配置較多的預(yù)應(yīng)力筋,造成張拉時梁面抗裂不夠也要配置預(yù)應(yīng)力筋,同時也在梁底部增加,從而在使用預(yù)應(yīng)力后,仍沒有減少鋼筋用量的情況。但注意,按這樣的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計時,一定要利用預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度鋼筋與非預(yù)應(yīng)力

17、普通鋼筋混合配筋。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn): </b></p><p>　　[1] GBJ 10-89,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S]. </p><p>　　[2] ACI 318-89,Building Code Requirement for Reinforced[S]. </p><p>　　[3] 陰

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