本站原创【摘 要】随着建筑规模的不断发展,大型建筑愈来愈多,形式越来越多样化、结构设计越做越复杂,建筑结构设计也越来越成为工程师设计的难点之所在.本文结合某工程实际,阐述了设计技术具体措施,最后介绍了在设计中的注意事项.
【关 键 词】建筑结构；结构设计；设计特点
1某工程案例概况
某体育中心体育场建筑面积为32353m2,看台35062座,下部结构采用现浇钢筋混凝土框架结构,抗震设防烈度为7度,设计地震分组为一组,框架结构抗震等级为二级.体育场看台顶篷造型像一朵含苞待放的白玉兰,如图1所示.看台顶棚采用沿径向布置的相贯节点平面桁架结构、沿环向布置的三角形空间管桁架以及水平支撑系统共同组成的钢结构体系,体育场典型结构剖面.
考虑结构抗震要求、建筑功能要求和结构屋盖支撑整体性,体育场下部钢筋混凝土主体结构设置两条防震缝,将结构分成三个结构单元.图2为标高101950m的结构平面布置图,中部结构单元外侧长度大于260m,两侧较小单元外侧长度大于140m,都大大超过了混凝土规范规定的55m内可以不设伸缩缝的要求.对于这种超长结构,在混凝土收缩或温度作用下,楼板及体育场看台板很有可能开裂并形成有害的贯通裂缝,影响建筑的外观和功能要求,并对建筑防水和结构的耐久性不利,甚至可能影响建筑的正常使用.
2结构应力分析
在进行超长混凝土结构设计时,对楼板施加预压应力来抵抗混凝土收缩和温度下降所产生的拉应力,控制结构在正常使用条件下楼板不出现有害的贯通裂缝,是一种方便可行的技术措施.设计时需要知道楼板中产生的拉应力的大小,才能确定施加预应力的大小和预应力钢筋的多少.
2.1混凝土收缩应力
影响混凝土收缩应力的因素有水泥品种、骨料级配、水灰比、养护条件等.混凝土的收缩量及速率随时间变化,结硬初期发展较快,混凝土浇筑后10～30d内可完成全部收缩量的15%～25%,3个月一般完成60%～80%,以后增长缓慢,在1年后可完成最终收缩量的95%左右.混凝土的收缩是相当分散的,其最终收缩Es约为（2～5）×10-4,工程取4×10-4.
工程设置了多条后浇带,各后浇带之间相隔最长约65m,框架结构柱距7～9m,约束混凝土收缩变形的作用较小,后浇带浇筑之前,竖向构件对超长混凝土收缩的约束作用很大一部分属于自由收缩,不产生拉应力,结构可视为一种接近于自由变形的构件.后浇带在两侧混凝土浇筑完成3个月后浇筑,这时可以认为混凝土收缩已经完成了60%的最终收缩量,即E1等于60%Es等于2.4×10-4,而剩下的E2等于40%Es等于1.6×10-4才会在结构中产生拉应力.混凝土的徐变特性有利于结构的内力重分布,使混凝土应力产生松弛,从而减小混凝土收缩变形产生的拉应力.徐变最终应变值约为初始瞬时应变的1～4倍.这种变形相当于混凝土弹性变形模量的折减,从而引起混凝土内应力下降.设混凝土的弹性应变为Ee,取混凝土收缩徐变Esh等于2.5Ee,由于徐变而引起的应力折减系数为：W等于1/（1+2.5）等于0.2857.
弹性模量Ec等于3.25×104N/mm2（0混凝土）,混凝土中由应变E2产生的拉应力：Rt1等于WE2Ec等于1.486N/mm2.
2.2温度下降引起的混凝土温度应力
后浇带浇筑之前,温度下降会使混凝土向结构中心区域收缩.后浇带间结构单元中心两侧混凝土框架最多为3跨,竖向构件对楼板约束较小,可以近似认为是自由变形.混凝土中温度拉应力大小取决于温差.
混凝土是热的不良导体,在传热过程中具有滞后性,取后浇带浇筑时的月平均气温作为施工要求,能满足工程计算精度.则混凝土中产生的拉应力但是6.5N/mm2,混凝土具有徐变的特性,应力要松驰.当作用时间为1,3,10d时,应力松弛系数分别为0.611,0.570,0.462.气温变化是一个缓慢的过程,温差要达到20e时,需要的时间一般远大于10d,取温度应力松弛系数为0.5.则温度下降引起的混凝土的拉应力：Rt2等于6.5×0.5等于3.25N/mm2
考虑混凝土收缩产生的拉应力,混凝土中的拉应力为：Rck等于Rt1+Rt2等于1.486+3.25等于4.736N/mm2
0混凝土ftk等于2.39N/mm2,由混凝土规范,当控制裂缝等级为二级时,Rck-Rpc≤ftk,Rpc即为需在混凝土中施加的预压应力：Rpc≥Rck-ftk等于4.736-2.39等于2.346N/mm2
3模型分析
3.1后浇带浇筑之前的计算模型分析
各单元混凝土浇筑后3个月才进行无粘结预应力筋的张拉,各后浇带之间的结构单元为3～7跨不等,因此竖向构件对各单元的约束不一样,导致在同样预应力作用下,在混凝土板中建立的有效预压应力不一样.
计算模型有如下检测设：1）楼板上下层柱子远端检测定为固定端；2）楼板上、下层柱子远端的支座为楼板或基础,几乎无水平方向的位移；3）支座无转角（对基础合适,对楼板相应增大了约束楼板刚度,对施加预应力的楼板偏于安全）；4）顶层楼板上层柱刚度为零.
3.2后浇带浇筑之后计算模型分析
当后浇带之间各结构单元张拉完预应力筋后,就可浇筑各条后浇带.待后浇带混凝土达到张拉强度且气温达到设计温度时,就可张拉后浇带中预应力筋,这样才能使整个楼板中存在有效的预压应力.
4楼板无粘结预应力设计
楼板采用0混凝土,fptk等于1860N/mm2高强低松弛无粘结预应力钢绞线预应力筋,公称直径15.2mm,AP等于139mm2,张拉控制应力Rcon等于0.75fptk等于0.75×1860等于1395N/mm2.由于预应力钢绞线长短不一,通过试算,预应力损失为0.2Rcon,钢绞线有效预应力Rpe等于0.8Rcon等于0.8×1395等于1116N/mm2
5结束语
该体育场下部主体为超长混凝土框架结构,在设计中采用在结构中施加预应力来抵抗混凝土收缩和温度下降所产生的拉应力,控制结构在正常使用条件下楼板不出现有害的贯通裂缝,是一种方便可行的技术措施.