浅析高层开间及跨度结构设计中常见问题

所属栏目:建筑设计论文 发布日期:2010-12-01 08:33 热度:

  摘要:随着经济的快速发展,高层建筑如雨后春笋。结构设计要求也越来越严格,本文对高层建筑结构设计中各种问题进行论述,加强建筑结构设计的合理性。
  关键词:高层建筑,结构设计,计算
  前言
  随着科学技术的发展,现代城市建筑功能的增多,需要开间或跨度改变使用功能等,在建筑方面有较大的灵活性,满足现代社会经济的需求。在跨度过大时,在不影响空间的使用和观感时,我们采用高标号混凝土和高强度预应力混凝土,解决问题。
  通过工程设计计算实践,对矩形柱网平面,采用小柱距方向设主梁,大跨度柱距方向设预应力次梁的结构体系,楼盖结构层高度可以做到跨度的1/25左右,与相应的6m~10m柱网的普通钢筋混凝土框架结构比较,可以做到跨度加大,楼盖结构层高度不增加,每平方米造价略为降低,每平方米钢筋用量减少10kg以上,混凝土平均厚度减少10cm左右的较好结果,以下就一些设计计算要点进行讨论。
  一、纵横刚度与主梁受扭问题
  大跨度方向设预应力次梁,开间方向设主梁,主梁是否施加预应力视需要而定。这一主次梁布置的方向改变了一般“横向框架”的设计习惯,但总觉得横向刚度有问题。其实很多情况下,即使采用了纵向主梁加强纵向刚度,但因建筑平面有完整横向剪力墙,而纵向剪力墙完整的较少,长度也小,因此,计算结果依然是纵向刚度小于横向刚度。所以只要能满足规范要求就不需要在这个问题上困扰。次梁跨度加大,将增加边主梁承受的扭矩,需要认真对待。而次梁若错开柱子设置时,其竖向力的传力途径并无多少改变。横向力的传力路径,可以不必像平面框架那样考虑,实际上是全部柱子受到整个楼盖的整体弯扭约束。对横向刚度最不利的情况就是整个楼盖平面仅作为全部柱子的横向铰接连杆来看待,折板结构体系就类似这种情况。
  二、次弯矩问题
  超静定结构张拉时,在次反力作用下产生的截面弯矩称为次弯矩,如图1所示。在静定构件中,验算跨中截面抗裂性时,计算混凝土应力只是把混凝土取为脱离体。而计算跨中强度时,是把混凝土和钢筋共同取为脱离体,计算弯矩就等于荷载弯矩。
  若左端铰支不变,右端为两跨连续梁的中间支座,就成为超静定结构。两跨连续梁配筋,张拉钢筋时梁的变形将受到约束,中间支座处有一个力要把拱起的梁拉回原来的位置。左端支座产生的次应力在跨度各截面上产生次弯矩。在进行跨中截面混凝土抗裂验算和截面强度计算时,所取的脱离体完全与前述静定构件相同,只是按连续梁计算的支反力和荷载弯矩值将有所不同,要注意的是,从图1可以看出计算截面上还有一个次弯矩作用,显然,这个弯矩会使跨中正弯矩增加而降低支座负弯矩。
  1.jpg
  A、静定结构张拉变形不受约束
  2.jpg
  B、跨中正截面应力计算
  3.jpg
  C、跨中强度计算
  4.jpg
  D、静定结构张拉变形受约束
  5.jpg
  E、次弯矩
  上述基本假定如果成立,问题就好解决了。但预应力钢筋混凝土结构材料是弹塑性材料,加载过程中混凝土还要开裂,梁的刚度在加载过程中不断变化。即使超静定梁出现理想塑性铰,预应力筋为吻合索的连续梁,在加载过程中次弯矩也不会消失。美国混凝土规范早期规定,使用阶段混凝土截面应力计算考虑次弯矩,截面强度计算不考虑次弯矩;后又规定截面强度也要考虑次弯矩。ACI318289进一步明确规定,用于计算预应力超静定结构截面强度的计算弯矩为预应力引起的支反力产生的弯矩及考虑塑性重分布后的荷载弯矩的代数和。通过一些试验和分析,我认为这最后的规定不一定更合理,因为加载过程中次反力将随塑性内力重分布的发展而变化,计算复杂且存在不少问题,若直接用弹性次反力,可能造成较大的误差。如果这样计算,应特别注意最后采用的计算负弯矩值不能减少太多。
  三、杆件轴向变形的影响问题
  施加预应力的杆件要产生轴向变形,其中的徐变收缩变形很难准确计算,差别可能很大,但一般考虑长期变形为短期变形的2倍,人们往往能够接受。种种条件有利时,长期变形值可以再少取一些。杆件轴向变形引起整个超静定结构的内力变化,要认真分析。当轴向变形很大时,一般是在施工时采取让杆件可以自由变形的措施。张拉后,等一段时间再做成整体连接,但这样处理比较麻烦。另外是估计杆件的轴向变形值,在截面设计时考虑进去。更多的情况是,轴向变形值较小时可以不必过多考虑。而确定张拉阶段是这一问题的关键,最不利的情况是单层框架状态时张拉。
  四、弯矩可调性
  在预应力后张拉超静定结构中,连续梁采取分段、悬挑、嵌入构件等处理方法,从力学的观点来看就是调整内力,使其能适应施工阶段和使用阶段的荷载,又能调整跨中和支座弯矩,便于连续配筋。在大跨度框架的顶层边节点,此处弯矩较大,配筋复杂,施工麻烦,还会造成整个结构的用钢量增加。目前,许多设计者把该节点设计成铰接点,取得一点好的效果。如果在边节点柱中设置一些竖向筋,且张拉形成整体的时间根据梁上需要受荷多少来决定,利用弯矩可调性来调整边节点和梁跨中的弯矩分配,会获得更好的效果。
  五、抗裂性问题
  根据比较和工作经验,本人认为对于C40混凝土,控制计算名义拉应力为3.0N/mm2~4.0N/mm2,按这样设计建成的预应力混凝土结构还没有发现可见裂缝。可以避免在设计中梁底使用荷载受拉区要配置较多的预应力筋,造成张拉时梁面抗裂不够也要配置预应力筋,同时也在梁底部增加,从而在使用预应力后,仍没有减少钢筋用量的情况。但注意,按这样的标准设计时,一定要利用预应力高强度钢筋与非预应力普通钢筋混合配筋。
  六、结束语
  在高层建筑结构设计,只要抓好设计计算要点,在各种建筑结构中应用好来,使我们的建筑空间更为灵活性,促成社会经济的发展,造设和谐社会。

文章标题:浅析高层开间及跨度结构设计中常见问题

转载请注明来自:http://www.sofabiao.com/fblw/ligong/jianzhusheji/5578.html

相关问题解答

SCI服务

搜论文知识网的海量职称论文范文仅供广大读者免费阅读使用! 冀ICP备15021333号-3