预应力混凝土转换层结构的选择与设计思考

　　摘要:总结了预应力混凝土梁式转换层抗裂能力强,挠度小,耐久性好;预应力桁架式转换层可避免内力集中于一根梁上造成强梁弱柱,从而提高结构的抗震性能;预应力厚板式转换层抗裂、抗冲击能力强等优点。介绍了预应力配置原则并列举了相应的工程实例,供设计者参考。
　　关键词:转换层结构设计；应力混凝土;桁架式转换层;厚板式转换层;预应力配置
　　目前高层建筑中,沿房屋高度由于功能要求的变化或结构布置上的变化在结构转换的楼层设置水平转换构件,即转换层结构(TransferFloorStructure)。由于转换层结构都为跨度较大且要承受其上楼层的很大荷载,所以最适宜采用预应力混凝土结构。
　　1预应力混凝土梁式转换层（初中英语教育学论文）
　　1.1预应力混凝土梁式转换层的形式
　　预应力混凝土梁式转换层按梁截面形式可分为矩形和箱形;按梁的组成材料可分为预应力混凝土梁和预应力钢骨混凝土梁;按梁的轴线形式可分为直梁和曲梁。按结构支承方式可分为梁托墙或梁托柱两种形式。对于承受荷载特别大、受力复杂、应力集中、又有抗震要求的转换梁,一般采用预应力箱式或预应力钢骨混凝土梁。板材可按设计和焊接技术要求,合理选出板厚。转换层支承方式的不同内力计算也不同。梁托柱形式的转换梁内力计算可直接采用杆系有限元方法,截面设计与一般框架梁相同;梁托墙形式的转换梁需进行局部应力分析。
　　1.2转换梁施加预应力的优点
　　转换梁施加预应力具有如下优点:
　　(1)提高转换梁的抗裂能力,减小挠度对转换梁施加预应力,最突出的优点就是抗裂、限裂,并可减少截面尺寸,减小挠度。对预应力钢骨混凝土转换梁还可避免非结构裂缝的出现,这是由于钢板表面光滑,与混凝土之间的粘结力不足,发生在钢骨拉压部分的混凝土横向裂缝宽度一般比钢筋混凝土梁表面裂缝大,施加预应力可有效地控制横向裂缝。
　　(2)增加耐久性
　　由于预应力使转换梁抗裂或限裂,从而可保护钢筋免遭锈蚀,增加长期使用的耐久性。特别在钢骨混凝土梁中,施加预应力可有效地限制裂缝的出现或控制裂缝的开展,使混凝土保护钢骨免受环境的侵蚀,提高钢骨混凝土梁的耐久性。
　　(3)预应力的合理布置可改善转换梁的受力性能施加预应力产生的轴向压力可提高转换梁的受剪承载力。对于曲梁,预应力对抗弯、抗剪和抗扭均有利,预应力的合理布置可使转换梁变为接近于轴压构件,提高承载力,另外可抵抗转换梁内的部分甚至全部扭矩。预应力钢筋取代相当数量的非预应力筋,避免非预应力钢筋过多造成混凝土浇筑不密实。对钢骨混凝土转换梁可避免非预应力钢筋过多造成混凝土浇筑不密实,从而使混凝土与钢骨之间粘结力下降。如图1所示预应力钢骨混凝土转换梁,预应力筋的不同束形布置可达到不同的效果,直线束可防止和抑制混凝土开裂,增加钢骨和混凝土的连接效果(部分抵消接触面上的剪切力),曲线束可平衡部分上部荷载,提高抗剪承载力。施工阶段采用分阶段张拉技术可减少梁在施工阶段与使用阶段之间受力状态的差异。
　　图1预应力钢骨混凝土转换梁
　　1.3预应力混凝土转换梁的设计
　　预应力混凝土转换梁的设计步骤可归纳为:
　　(1)选择截面形式和截面尺寸。
　　转换梁的截面尺寸常常由抗剪承载力控制,施加曲线预应力筋能够提高其抗剪承载力,但截面尺寸减小的幅度要比普通框架梁要小。对曲线转换梁,由于存在扭矩,所以截面尺寸要由剪力和扭矩来控制。为了节约钢材,设计预应力筋时应尽量使构件不需专门的抗扭预应力筋。当圆心角较小时,截面宽度与曲率半径之比b/r也会较小,可不必专门配置抗扭预应力筋;并且,因其所需截面宽度相对较小,可采用矩形截面;反之,当圆心角较大时,b/r也增大,这时为了增大预应力钢筋内外侧力臂,在满足截面抗剪要求的情况下,采用箱形截面可以节约材料,降低自重,且能保证一定的抗扭效果。转换梁截面高度h,抗震设计时不应小于跨度的1/6,非抗震设计时不应小于跨度的1/8。实际应用中,直线转换梁高为跨度的1/4～1/6,施加预应力后梁高约可降低20%。故当曲线梁的圆心角不太大时,预应力曲线转换梁的梁高可取为跨度的1/5～1/7。转换梁截面宽度b不应小于400mm。
　　(2)预应力钢筋数量的估算及其形状的确定。预应力钢筋数量的估算可利用荷载平衡法来设
　　计,即选择需要被预应力钢筋产生的等效荷载“平衡”掉的荷载。一般地说,当活荷载较小时,平衡荷载宜选“全部恒载,不加活荷载”;当活荷载较大时,宜选“全部恒载+部分活载”,而不能选择全部活载,否则将产生一个承久性的向上反拱。根据荷载特点选定预应力束的线形,如均布荷载选抛物线,根据需要被平衡掉的荷载求预应力大小和预应力筋的数量。荷载平衡法最适于确定预应力筋线形和预应力大小。
　　(3)计算预应力损失,校正初始假定值,得到预应力钢筋的有效预应力。如初始假定值与计算值偏差较大,应改变预应力值或截面重算。
　　(4)计算等效荷载,利用计算机程序计算各截面次内力。
　　(5)验算各控制截面的极限承载力,确定非预应力钢筋的数量。
　　(6)使用阶段抗裂、变形验算。在多层框架结构中的预应力转换梁抗裂验算应考虑现浇楼板参与受力、结构自重的逐层施加、预应力张拉施工方案等因素的影响,进行多次建模,以保证计算结果能反映实际受力状态。
　　2预应力混凝土桁架转换层
　　采用预应力混凝土桁架转换层可充分利用转换层的建筑空间,同时也使结构设计更为合理。它可以避免将较大的内力集中于一根大梁上,造成“强梁弱柱”的后果,对提高结构的抗震性能有利。但转换桁架的下弦杆的轴向拉力较大,采用普通钢筋混凝土不能满足转换层结构的抗裂要求,所以在桁架下弦杆施加预应力,形成预应力混凝土桁架。
　　某大厦原设计是一幢以办公为主的综合性写字楼,结构采用框架2剪力墙(筒体)体系,两端为现浇钢筋混凝土筒体,中间为柱网12.6m×8.5m的框架,施工至第2层后,根据市场需要,将标准层改为酒店式公寓,因建筑功能改变,在六层以上纵向采用3.7～3.8m小柱网,横向柱网不变,故需在六层设置结构转换层。本工程的特点是:[!--empirenews.page--]
　　(1)两端钢筋混凝土筒体在转换层上下保持不变,双筒弯曲及剪切刚度均很大,沿竖向均匀延续,是整个结构承担水平力和倾覆力矩的主要受力构件,故转换层的主要作用是承担并传递竖向荷载,宜选择传力可靠而刚度较小的转换方案,以避免转换层部位较大的刚度突变。
　　(2)本工程转换层处横向柱网保持不变,仅纵向柱网由12.6m转换为3.7～3.8m小柱网,结构宜在受力明确、直接的转换梁或转换桁架方案中选择。
　　(3)本工程转换层以下为12.6m柱距,跨度较大,若采用转换梁,梁高度很大,需占据较大的空间,与上、下层楼板相连后,不仅使转换层无法利用,而且刚度很大,使两端筒受力更为复杂。而采用转换桁架,可以有效地利用转换层设置宾馆大堂、浴室、洗衣机房等功能用房,有效利用空间。
　　(4)本工程为高位转换,从抗震设计考虑,采用合理的转换桁架不仅能满足强度、刚度需要,避免脆性破坏,而且有限刚度的转换桁架不致引起转换层端部构件弯矩过大,柱剪力过大,避免转换层端部构件及与双筒连接处过大的应力集中、应力突变。
　　所以本工程设计采用了有限刚度的预应力混凝土转换桁架(图2)。
　　图2预应力混凝土转换桁架
　　
　　选定转换桁架方案后,将其作为整体结构中的一个重要组成部分,采用中国建筑科学研究院TBSA、SATWE等三维空间整体结构计算程序,选用符合实际受力变形状态的正确计算模型,进行整体分析计算,再用SAP、ANSYS等有限元分析程序对转换结构进行局部补充计算。在计算时应考虑如下几个问题:
　　(1)转换桁架上、下弦杆均与楼面、腹杆等构件现浇成整体,计算分析时,必须计及转换楼板的水平刚度。
　　(2)在实际工程中,结构刚度是逐层形成的,自重是逐层施加的,且自重的施加先于本层刚度的形成,而填充墙、面层等装修荷载又后于刚度形成,即整体刚度是逐层形成的,而荷载的施加是复杂的,在结构计算中必须充分考虑这些因素,选择符合实际情况的整体三维施工模拟计算。
　　(3)转换桁架局部补充计算时,取转换结构及以上二层结构进入局部计算模型,同时考虑各层楼盖平面内刚度,并根据转换桁架与筒体相连端部的实际条件,选择合理的计算模型。对竖向荷载作用,偏于安全的将转换桁架的上部各层荷载均作用于局部模型上,不考虑上部各层刚度的影响;对水平力作用,将整体计算结果进行分离,将各节点水平力作用于桁架上,求出各构件内力。
　　3预应力混凝土厚板转换层
　　在转换层厚板中施加预应力具有下列优点:
　　(1)施加预应力增大了板的抗裂性、抗冲切能力,根据有关文献的分析结果,采用预应力技术后,板厚可降低10%～15%。
　　(2)施加预应力可减少暗梁的钢筋密度,方便施工,能保证混凝土的密实性;同时施加预应力可抵抗大体积混凝土收缩产生的拉应力和浇捣混凝土时由于水化热引起的裂缝,提高耐久性。
　　(3)在局部高应力区域(如转换板中开洞的凹角、柱端和剪力墙过渡区域等),使用预应力可以较好地解决应力集中引起的开裂问题。
　　4结论
　　本文总结了预应力混凝土转换层结构的种类,优点、预应力筋的配置和工程实例,这对预应力混凝土转换层结构的设计具有重要的指导意义。
　　参考文献
　　1.冯健,樊德润,姜月林.江苏省公安交通指挥中心预应力混凝土曲梁转换层结构设计[J].工业建筑,2001,31
　　2.连宏玉,白石,黄永春,等.圆弧形预应力转换层的施工技术[J].工业建筑,2001,(4):.
　　3.赵伟,金如元.水产大厦预应力混凝土转换桁架设计[J].建筑科学,2002,18(3):10212

《预应力混凝土转换层结构的选择与设计思考》

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