萬操

摘 要：介紹了某大跨度體育館從前期方案比選到后期施工圖設(shè)計(jì)的全過程，詳細(xì)闡述了大跨度樓面部分的方案選擇及后張法有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力梁的設(shè)計(jì)過程，簡要介紹了屋面鋼桁架設(shè)計(jì)中的變通之處。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注重前期方案比選，靈活變通，高質(zhì)高效地完成設(shè)計(jì)任務(wù)。

關(guān)鍵詞：大跨度;預(yù)應(yīng)力;鋼桁架

一、項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目為某校體育館，共2層，地下一層為游泳池，層高6.3米，泳池底至正負(fù)零高度8.8m，地上一層為籃球館，層高10m，外圍半層處設(shè)室外走廊;平面尺寸40.5m×45m，柱距5.4m、7.5m、31.5m，形成大跨度結(jié)構(gòu)?？拐鹪O(shè)防烈度8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.2g，場地位置曾經(jīng)為魚塘，有淤泥淤積，為III類場地。

二、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案初選

（一）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1、結(jié)構(gòu)體系選擇，本工程跨度大，層高較高，短方向僅兩跨，若采取純框架結(jié)構(gòu)可能造成結(jié)構(gòu)位移超限、框架柱過大等問題，需設(shè)置剪力墻形成框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系以承擔(dān)水平荷載作用。

2、地上一層層高較高為10m，宜結(jié)合室外走廊及建筑立面幕墻、窗的布置，設(shè)置一道層間梁。

3、二層樓面跨度31.5米，且為籃球場，需考慮人群跳動和有規(guī)律運(yùn)動可能引起的樓蓋振動問題，設(shè)計(jì)需進(jìn)行樓蓋豎向自振頻率控制和振動加速度峰值控制。

4、屋面跨度31.5m，均為單跨，可采用梯形鋼桁架。

（二）首層大跨度結(jié)構(gòu)方案比選

1、普通井字梁方案

一般大跨度樓面的常見結(jié)構(gòu)形式為井字梁。本工程籃球場長短跨之比較大為1.43，使得長跨方向井字梁承擔(dān)彎矩與其自重附加彎矩基本持平，甚至可能對短跨起“反作用”。通過建立簡略計(jì)算模型，對普通井字梁布置、單項(xiàng)密肋梁布置進(jìn)行對比試算，如圖1所示，通過計(jì)算可得，按井字梁布置的短跨跨中彎矩約為9230kN·m，按照單向密肋梁布置時，跨中彎矩約為7180kN·m，井字梁布置時的彎矩反而較大。由此可知井字梁結(jié)構(gòu)形式的缺點(diǎn)為截面笨重，自重過大，裂縫撓度難以控制。

2、斜交井字梁方案

正交井字梁方案因跨度過大，造成彎矩、變形較大，方案不合理，為減小大梁跨度，考慮斜交井字梁方案。按照3.0～4.5m布置斜交井字梁，如圖2所示，能一定程度上使得井字梁受力更為均勻，對梁設(shè)計(jì)彎矩能有效減小，通過計(jì)算得到其正彎矩約6000kN·m，負(fù)彎矩約為4500kN·m，遠(yuǎn)小于正交井字梁布置方式。但斜交井字梁方案設(shè)計(jì)及施工較為復(fù)雜，且梁存在受扭問題

3、鋼結(jié)構(gòu)方案

一般當(dāng)樓屋面的荷載較輕時，大多采用鋼結(jié)構(gòu)方案。本工程中樓面荷載大，且處于游泳館上方，環(huán)境潮濕，不利于采用鋼結(jié)構(gòu)。

4、鋼骨鋼筋混凝土（SRC）方案

因SRC方案施工工藝繁瑣、施工周期較長，且對柱子要求高，而本工程建設(shè)周期短，故不宜采用此方案。

5、預(yù)應(yīng)力方案

因本項(xiàng)目跨度較大，且樓板下層為游泳池，易引發(fā)鋼筋銹蝕，故對混凝土結(jié)構(gòu)裂縫有更嚴(yán)格，需采取預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，更好的控制裂縫和撓度。

由前所述，并結(jié)合工程實(shí)際及試算結(jié)果，首層大跨度部分初步選擇預(yù)應(yīng)力密肋梁方案，梁高可初步取1700mm～1800mm。其首層結(jié)構(gòu)平面布置圖如圖3所示。

三、首層預(yù)應(yīng)力梁設(shè)計(jì)

首層預(yù)應(yīng)力梁的設(shè)計(jì)是本工程的重點(diǎn)，采取手工估算加軟件驗(yàn)算的組合設(shè)計(jì)方法，確保結(jié)構(gòu)安全性。

（一）預(yù)應(yīng)力混凝土類型比選

預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)是指結(jié)構(gòu)在承受外荷載以前，預(yù)先采用人為的方法，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成一種應(yīng)力狀態(tài)，使結(jié)構(gòu)在使用階段產(chǎn)生拉應(yīng)力的區(qū)域先受到壓應(yīng)力，這項(xiàng)壓應(yīng)力將與使用階段荷載產(chǎn)生的拉應(yīng)力抵銷一部分或全部，從而推遲裂縫的出現(xiàn)，限制裂縫的展開，提高結(jié)構(gòu)的剛度。按照混凝土澆筑成型和預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉的先后順序分為先張法和后張法。

先張法就是張拉鋼筋先于混凝土構(gòu)件澆筑成型的方法。先張法構(gòu)件中，預(yù)應(yīng)力是靠鋼筋和混凝土之間的黏結(jié)力傳遞。其施工工序?yàn)橄葘㈩A(yù)應(yīng)力鋼筋用夾具固定于臺座或鋼模上并施加預(yù)應(yīng)力，然后支模、幫扎非預(yù)應(yīng)力鋼筋、澆注混凝土，待混凝土達(dá)到預(yù)定強(qiáng)度后，切斷或放松鋼筋，使混凝土產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力。

后張法就是在構(gòu)件澆筑成型后再張拉鋼筋的施工方法。后張法構(gòu)件中，預(yù)應(yīng)力主要靠鋼筋端部的錨具來傳遞。后張法的施工工序?yàn)橄葷仓炷翗?gòu)件，并在構(gòu)件中預(yù)留孔道;待混凝土達(dá)到預(yù)定強(qiáng)度后，用千斤頂張拉鋼筋，用錨具將張拉端預(yù)應(yīng)力鋼筋錨固;最后用壓力泵將高強(qiáng)水泥漿灌入預(yù)留孔道，使預(yù)應(yīng)力鋼筋與孔道壁產(chǎn)生粘結(jié)力。

先張法適用于在工廠大批制作中小型構(gòu)件，后張法適用于在施工現(xiàn)場制作大型構(gòu)件。

按照粘結(jié)方式分類，可分為有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土和無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土。有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土中，預(yù)應(yīng)力筋與周圍的混凝土粘結(jié)、握裹在一起。無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土是將預(yù)應(yīng)力鋼筋的外表面涂以瀝青、油脂或其他潤滑防銹材料，以減小摩擦力并防銹蝕，并用塑料套管或紙帶、塑料帶包裹，使之與周圍混凝土隔離，在張拉時預(yù)應(yīng)力鋼筋可以縱向發(fā)生相對滑移。無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力施工較為方便，但與有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力相比安全度較低。

本工程預(yù)應(yīng)力梁為結(jié)構(gòu)重要構(gòu)件，且跨度、荷載較大，故選用后張法有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土，張拉方式采用兩端張拉，張拉端

錨具采用夾片式錨具。預(yù)應(yīng)力筋曲線為四段二次拋物線，反彎點(diǎn)位置為0.1L（跨度）。

（二）材料

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的材料相關(guān)規(guī)定，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土強(qiáng)度等級不宜低于C40，故采用C40混凝土，鋼筋等級三級鋼，預(yù)應(yīng)力筋采用低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，直徑15.2，fptk=1860MPa。

（三）梁截面特征

已預(yù)應(yīng)力次梁為例，梁截面500x1800mm，現(xiàn)澆樓板厚120mm，跨中截面特征計(jì)算考慮翼緣作用，按T型截面計(jì)算，翼緣寬度[bf=b+12h'f]=1940mm。截面面積1072800mm2，形心位置x=1035mm（距離梁底邊）。截面慣性矩[I=3455×108mm2]。

（四）預(yù)應(yīng)力筋估算

預(yù)應(yīng)力張拉控制應(yīng)力采用[σcon=0.7fptk=0.7×1860=1302N/mm2]，總預(yù)應(yīng)力損失按23%估計(jì)，則有效預(yù)應(yīng)力為[σpe=1002.5N/mm2]。

本構(gòu)件按裂縫控制等級二級進(jìn)行驗(yàn)算： 在荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合下[σck-σpc≤ftk=2.39N/mm2]，在荷載效應(yīng)的準(zhǔn)永久組合下[σcq-σpc≤0]。

由于預(yù)應(yīng)力筋面積未確定，考慮次彎矩對跨中截面產(chǎn)生的不利影響，計(jì)算[σck]、[σcq]時，跨中最大彎矩值乘以放大系數(shù)1.15。按照[σck-σpc≤ftk]計(jì)算得出[1]：

[Ap=σck-ftk（1A+epw）=5624mm2]

實(shí)配2排6束[7?s15.2（Ap=5838mm2）]。

（五）軟件驗(yàn)證及深化計(jì)算

將手算預(yù)估預(yù)應(yīng)力筋輸入計(jì)算模型，通過軟件詳細(xì)詳細(xì)計(jì)算預(yù)應(yīng)力筋損失、由于施加預(yù)應(yīng)力引起的次彎矩及綜合彎矩，并進(jìn)行撓度、裂縫及錨具區(qū)混凝土局部承壓驗(yàn)算等。

通過計(jì)算，本工程預(yù)應(yīng)力次梁跨中實(shí)配普通鋼筋下鐵1828，預(yù)應(yīng)力筋6-[7?s15.2];主梁因兩端固結(jié)，對梁中撓度及裂縫有利，跨中實(shí)配下鐵1828，預(yù)應(yīng)力筋4-[6?s15.2]，具體如圖4所示。

四、屋頂鋼桁架設(shè)計(jì)

本工程屋頂采用梯形鋼桁架，共5榀，間距7.5m。建筑屋面設(shè)計(jì)為種植屋面，屋面荷載較大，且體育館兩側(cè)緊鄰教學(xué)樓，鋼桁架屋面過高將影響教室采光，為保證籃球館的正常使用，鋼桁架底部高度受限，故為減小整體屋頂結(jié)構(gòu)高度，鋼桁架上弦桿采用工字型截面，桁架上弦位置布置工字型截面次梁，與鋼桁架上弦桿頂部平齊。具體設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 鋼桁架詳圖

五、結(jié)語

通過實(shí)際工程案例，更加明晰了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)及時跟進(jìn)前期建筑方案設(shè)計(jì)階段，重視結(jié)構(gòu)方案比選。初期結(jié)構(gòu)方案的正確選擇將會大大減少施工圖設(shè)計(jì)階段的反復(fù)試算及與其他專業(yè)協(xié)調(diào)的工作量，顯著提高工作效率。同時，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)不斷學(xué)習(xí)，敢于承擔(dān)未曾接觸過的項(xiàng)目類型，并充分利用基本的力學(xué)、結(jié)構(gòu)原理，靈活變通的完成設(shè)計(jì)任務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]周永明， 褚 航. 32 m跨預(yù)應(yīng)力混凝土梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及測試分析[J]. 建筑技術(shù) 第39卷第12期 2008年12月， 950-953