不規(guī)則柱網(wǎng)預(yù)應(yīng)力板—柱結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。不規(guī)則柱網(wǎng)預(yù)應(yīng)力板柱結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)不規(guī)則柱網(wǎng)預(yù)應(yīng)力板柱結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)不規(guī)則柱網(wǎng)預(yù)應(yīng)力板柱結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)方法研究結(jié)構(gòu)工程師2001;(2)不規(guī)則柱網(wǎng)預(yù)應(yīng)力板一柱結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)陸秀麗耿耀明蔣志賢(同濟(jì)大學(xué),上海200092)提要本文結(jié)合實(shí)際工程,對(duì)柱網(wǎng)布置不規(guī)則的無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土板一柱鮚構(gòu)的整體受力分析與設(shè)計(jì),預(yù)應(yīng)力混凝土轉(zhuǎn)換板的有限元分析與設(shè)計(jì)方法做了較為深入的探討,可為同類工程提供借鑒.關(guān)鍵詞預(yù)應(yīng)力混凝土,板柱姑拘TheAnalysisandDesignofPrestressedSlab-

2、columnStructureinIrregularColumnLayoutLUI山GENGYacaninJIANGZhixian(1Univty,Shanghai200092)Al:mtraetBasedOntheengineeringpractice,theglobalmechanicanalysisanddesignmethodtheprestressedslab-columnstructureineg1l1arcolumnlayoutarediscussed,andthefinitedementanalysismethodoftheprestressedconcretetransiti

3、onslabisstudiedinthispaperFheresultsmayprovidereferencesforsimilarengineeringproiectsKeywordsprestressedconete,slabcolunmstructure1前言目前,對(duì)于預(yù)應(yīng)力平板一柱結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移計(jì)算多采用等代框架法.理論分析表明,目前常用的等代框架法存在以下一些問題:(1)在水平荷載作用下,通常采用對(duì)板剛度的折減來考慮板一柱結(jié)構(gòu)抗側(cè)力差的特點(diǎn),但由于影響板一柱結(jié)構(gòu)側(cè)移的因素很多,很難使等代框架粱的寬度取值合理.例如,英國(guó)規(guī)范(BSSll0)規(guī)定在水平荷載作用下,等代框架梁的寬度取整個(gè)

4、區(qū)格寬度(柱軸線之間的距離)的1/2;我國(guó)升板規(guī)范(GBI1309O)規(guī)定取3/4區(qū)格寬度;而美國(guó)混凝土規(guī)范(ACI31892),不分水平和豎向荷載,等代框架粱的寬度均取整個(gè)區(qū)格的寬度.(2)豎向載荷與水平荷載下的計(jì)算模式不統(tǒng)一.在豎向荷載作用下考慮了受扭構(gòu)件的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)對(duì)柱剛度的影響,而在水平荷載下沒有考慮這一影響.(3)對(duì)柱網(wǎng)布置不規(guī)則的板一柱結(jié)構(gòu),無法形成合理的等代框架.尤其是對(duì)不規(guī)則柱阿上的轉(zhuǎn)換板,難以得到合理的受力分析結(jié)果.鑒于上述情況,本文結(jié)合實(shí)際工程時(shí)柱網(wǎng)布置不規(guī)則的預(yù)應(yīng)力平板一柱結(jié)構(gòu)的StructuralEngineers2001;(2)?2?設(shè)計(jì)方法研究臺(tái)理計(jì)算模式和方法進(jìn)行了

5、分析和探討,以便為今后的同類工程提供借鑒.2工程概況上海網(wǎng)球俱樂部住宅樓為柱網(wǎng)布置不規(guī)則的五層無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土板一柱框剪結(jié)構(gòu),共13棟,總建筑面積約為57000m2,一三層為標(biāo)準(zhǔn)層,層高3.0m為實(shí)現(xiàn)房間布置的靈活分隔,應(yīng)業(yè)主要求,單元內(nèi)不設(shè)梁,采用點(diǎn)柱支撐的2()O厚混凝土平板,為控制標(biāo)準(zhǔn)層板跨較大區(qū)域的撓度與裂縫寬度,在6-14/FL區(qū)塊設(shè)置了部分無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力平板,其結(jié)構(gòu)平面布置見圖1.建筑物在四,五層處分別退臺(tái)一次(局部,非對(duì)稱),柱直接落在三層或四層頂板上,為承托上部結(jié)構(gòu),在轉(zhuǎn)換部位設(shè)置,尢粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土轉(zhuǎn)換板,四層結(jié)構(gòu)平面布置見圖2.計(jì)人突出屋面的閣樓,結(jié)構(gòu)總高度為18.543m

6、3結(jié)構(gòu)整體分析3.1設(shè)計(jì)參數(shù)上海地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度,類場(chǎng)地土,基本風(fēng)壓為0.55kN/m2.樓面活荷載為2.0kN/m2,面層重量為1.OkN/mz,隔墻重量2.5kN/m2,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為CAO,無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋均采用抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fo=1860N/ram的高強(qiáng)度低松弛鋼絞線,規(guī)格為15.24.圖l3.2軟件選擇目前用于結(jié)構(gòu)整體分析的軟件主要可分為兩種類型:一種采用薄壁桿件模型;另一種采用殼元墻元模型.薄壁桿件模型是以梁柱作為一般空間桿件單元,假定樓板平面內(nèi)為無限剛性,樓板本身不參與結(jié)構(gòu)整體分析工作,并以薄壁桿件模擬剪力墻.對(duì)于一般的框架,框剪,剪力墻等規(guī)則的結(jié)構(gòu),采用這種模型分析具?設(shè)

7、計(jì)方法研究?結(jié)構(gòu)工程師2001;(2)有足夠的精度.我國(guó)的TAT軟件就屬于假定之一是樓板平面內(nèi)為無限剛性.對(duì)于這種類型.任何一種模型都有自身適用范轉(zhuǎn)換板結(jié)構(gòu),必須考慮樓板的彈性變形能力圍,本工程若采用這種模型進(jìn)行計(jì)算,就不即整塊樓板的平面內(nèi),外自身剛度,如以等一定合適.原因如下:代框架粱來模擬轉(zhuǎn)換板,將引起較大的計(jì)算(1)由平板和柱組成的板一柱結(jié)構(gòu)不誤差.符合上述基本規(guī)定,其變通方法是采用等效(3)采用薄壁桿件模型在處理剪力墻框架粱來模擬平板,而等效框架粱的寬度取與粱搭接時(shí),是用剛臂將粱端與剪力墻剪心值隨意性很大.相連,其結(jié)果是強(qiáng)化剪力對(duì)粱端的嵌同作(2)薄壁桿件是一種桿系單元,其基本用,使粱

8、端彎矩的計(jì)算值加大.oSATWE軟件是基于薄板理論的有限元分析軟件,其特點(diǎn)是在處理薄板構(gòu)件板,墻時(shí),自動(dòng)劃分有限單元,每個(gè)單元用薄殼元來模擬,使其既有平面內(nèi)剛度,又有平面外剛度.SAT軟件在處理樓板時(shí),可選用彈性板,彈性板有限元既有四節(jié)點(diǎn)等參殼元,也有三節(jié)點(diǎn)等參殼元,可劃分任意形狀的樓板,樓板參與整體剛度計(jì)算,與實(shí)際受力狀態(tài)相一致.因而采用sA1wE軟件圈2進(jìn)行柱網(wǎng)布置不規(guī)則的預(yù)應(yīng)力混凝土板一柱結(jié)構(gòu)的整體分析比較合適.3.3分析結(jié)果采用SATWE軟件對(duì)本工程進(jìn)行r整體分析,其結(jié)果見表1,表2,表3.建筑物自振周期fs)表l振型12:345周期07322072530474602345()2l08

9、8hocI1.哥+崮鼉?nèi)姿媚克盟胘習(xí)1昌1d馬丑1d1lStructuralEngineers2001;(2)4-?設(shè)計(jì)方法研究-美等國(guó)的混凝土規(guī)范,對(duì)裂縫控制條件作適當(dāng)放松.即在短期荷載效應(yīng)組合下:拉應(yīng)力限制系數(shù)取1.0;長(zhǎng)期荷載效應(yīng)組合下:拉應(yīng)力限制系數(shù)取0,54.2預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換板的限元分析與設(shè)計(jì)【31板柱結(jié)構(gòu)體系是復(fù)雜的空間傳力結(jié)構(gòu)形式.有限元分析的精度主要取決于如何選擇合適的單元形式和如何精確模擬實(shí)際結(jié)構(gòu),使離散后的有限元模型真實(shí)反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的受力性能本工程中的轉(zhuǎn)換板高跨比在1/301/35之間,屬典型的薄板單元,梁柱屬典型的空間桿件單元.本文分析的結(jié)構(gòu)模型由空間四邊形薄板單元及空間桿件

10、單元組成,雖板,柱,粱的單元類型不同,但薄板單元與空間桿件單元在節(jié)點(diǎn)相交處都有六個(gè)自由度(三個(gè)位移,三個(gè)轉(zhuǎn)角),因而保證板一柱,板粱剛接節(jié)點(diǎn)處的位移連續(xù).預(yù)應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的效應(yīng)由等效荷載代替采用Algor有限元通用軟件分析在彈性階段轉(zhuǎn)換板的受力性能,其有限元模型示意見圖3.預(yù)應(yīng)力混凝土轉(zhuǎn)換板有限元分析與設(shè)計(jì)的基本步驟為:(1)采用SATWE軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)的整體分析,計(jì)算出轉(zhuǎn)換板上,下柱的內(nèi)力(M,N,V)(2)取轉(zhuǎn)換板厚為板跨的1/301/35.估算轉(zhuǎn)換板截面尺寸.(3)截取轉(zhuǎn)換板所在層,建立有限元分析模型.計(jì)算轉(zhuǎn)換板在轉(zhuǎn)換柱及本層荷載作用下的內(nèi)力(4)根據(jù)轉(zhuǎn)換板的內(nèi)力值估算預(yù)應(yīng)力筋的用量,見式(1

11、):M/Wacty,1,(去4-ei?)式中M按荷載的短期效應(yīng)組合或長(zhǎng)期效應(yīng)組合計(jì)算的彎矩值:在地震作用下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)表2方囂27687459I1282iI/12283771/8362736.1453171211/920l4071/775分析表明:(1)本工程的基本周期為0.73s,同類似的框架,框剪結(jié)構(gòu)相比,基本周期值略有偏大,表明板一柱結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度相對(duì)偏柔.由于結(jié)構(gòu)的基本周期和場(chǎng)地的特征周期相近,結(jié)構(gòu)所受的地震作用力較大.(2)盡管具有足夠承載能力,但考慮到這類結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度確實(shí)較差,需在建筑物核心部位,利用電梯井與樓梯間,設(shè)立抗側(cè)移剪力墻,使結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移能滿足裝修要求較高的住宅變形控制

12、要求.如采用純框架結(jié)構(gòu),宜將設(shè)計(jì)抗震等級(jí)較普通建筑結(jié)構(gòu)提高一級(jí).(3)結(jié)構(gòu)在地震和風(fēng)荷載作用下的頂點(diǎn)位移及層間位移均滿足規(guī)范的要求.這意味著本工程結(jié)構(gòu)布置和構(gòu)件截面設(shè)計(jì)基本上是合適的.4預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換板的分析與設(shè)計(jì)4.1裂縫控制條件我國(guó)現(xiàn)行的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GBJ1089)及無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(JGJ/2930)對(duì)裂縫的控制條件偏嚴(yán),造成預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的用鋼量偏大.考慮到本預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換板位于室內(nèi),抗腐蝕條件較好,根據(jù)已往的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),并參考?xì)W設(shè)計(jì)方法研究?5結(jié)構(gòu)工程師2001;(2)預(yù)應(yīng)力筋的有效應(yīng)力值,對(duì)預(yù)應(yīng)力板可取O.85倍張拉控制應(yīng)力:.一一混凝土的拉應(yīng)力限制系數(shù).(5)確定預(yù)應(yīng)

13、力筋的線形,計(jì)算有效應(yīng)力值及預(yù)應(yīng)力的等效荷載值.(6)計(jì)算轉(zhuǎn)換板在外荷載及等效荷載作用下的內(nèi)力標(biāo)準(zhǔn)值,進(jìn)行預(yù)應(yīng)力混凝土轉(zhuǎn)換板的正常使用極限狀態(tài)的驗(yàn)算.(7)用綜合內(nèi)力法【4計(jì)算轉(zhuǎn)換板的普通鋼筋配筋量.(8)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力混凝土轉(zhuǎn)換板的抗沖切驗(yàn)算.按照上述步驟,對(duì)車工程的預(yù)應(yīng)力溫凝土轉(zhuǎn)換板進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì),預(yù)應(yīng)力筋的配筋詳見圖2.5結(jié)論(1)本文采用SATWE軟件對(duì)板柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析,可有效地避免等效框架法的缺陷,使分析結(jié)果更為合理.(2)板一柱結(jié)構(gòu)的抗側(cè)承載力和抗側(cè)剛度較差,建議此類結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)立有效的抗側(cè)力構(gòu)件,或?qū)⒃O(shè)計(jì)抗震等級(jí)較普通建筑結(jié)構(gòu)提高一級(jí).(3)預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換板是復(fù)雜的空間傳力結(jié)構(gòu)形式,應(yīng)在結(jié)構(gòu)整體分析的基礎(chǔ)上,采用有限元方法對(duì)轉(zhuǎn)換板進(jìn)行細(xì)致分析,