淺析高層開(kāi)間及跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常見(jiàn)問(wèn)題

　　關(guān)鍵詞:高層建筑,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),計(jì)算

　　前言

　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代城市建筑功能的增多，需要開(kāi)間或跨度改變使用功能等，在建筑方面有較大的靈活性，滿(mǎn)足現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)的需求。在跨度過(guò)大時(shí)，在不影響空間的使用和觀感時(shí)，我們采用高標(biāo)號(hào)混凝土和高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力混凝土，解決問(wèn)題。

　　通過(guò)工程設(shè)計(jì)計(jì)算實(shí)踐，對(duì)矩形柱網(wǎng)平面,采用小柱距方向設(shè)主梁,大跨度柱距方向設(shè)預(yù)應(yīng)力次梁的結(jié)構(gòu)體系,樓蓋結(jié)構(gòu)層高度可以做到跨度的1/25左右,與相應(yīng)的6m～10m柱網(wǎng)的普通鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)比較,可以做到跨度加大,樓蓋結(jié)構(gòu)層高度不增加,每平方米造價(jià)略為降低,每平方米鋼筋用量減少10kg以上,混凝土平均厚度減少10cm左右的較好結(jié)果,以下就一些設(shè)計(jì)計(jì)算要點(diǎn)進(jìn)行討論。

　　一、縱橫剛度與主梁受扭問(wèn)題

　　大跨度方向設(shè)預(yù)應(yīng)力次梁,開(kāi)間方向設(shè)主梁,主梁是否施加預(yù)應(yīng)力視需要而定。這一主次梁布置的方向改變了一般“橫向框架”的設(shè)計(jì)習(xí)慣,但總覺(jué)得橫向剛度有問(wèn)題。其實(shí)很多情況下,即使采用了縱向主梁加強(qiáng)縱向剛度,但因建筑平面有完整橫向剪力墻,而縱向剪力墻完整的較少,長(zhǎng)度也小,因此,計(jì)算結(jié)果依然是縱向剛度小于橫向剛度。所以只要能滿(mǎn)足規(guī)范要求就不需要在這個(gè)問(wèn)題上困擾。次梁跨度加大,將增加邊主梁承受的扭矩,需要認(rèn)真對(duì)待。而次梁若錯(cuò)開(kāi)柱子設(shè)置時(shí),其豎向力的傳力途徑并無(wú)多少改變。橫向力的傳力路徑,可以不必像平面框架那樣考慮,實(shí)際上是全部柱子受到整個(gè)樓蓋的整體彎扭約束。對(duì)橫向剛度最不利的情況就是整個(gè)樓蓋平面僅作為全部柱子的橫向鉸接連桿來(lái)看待,折板結(jié)構(gòu)體系就類(lèi)似這種情況。

　　二、次彎矩問(wèn)題

　　超靜定結(jié)構(gòu)張拉時(shí),在次反力作用下產(chǎn)生的截面彎矩稱(chēng)為次彎矩,如圖1所示。在靜定構(gòu)件中,驗(yàn)算跨中截面抗裂性時(shí),計(jì)算混凝土應(yīng)力只是把混凝土取為脫離體。而計(jì)算跨中強(qiáng)度時(shí),是把混凝土和鋼筋共同取為脫離體,計(jì)算彎矩就等于荷載彎矩。

　　若左端鉸支不變,右端為兩跨連續(xù)梁的中間支座,就成為超靜定結(jié)構(gòu)。兩跨連續(xù)梁配筋,張拉鋼筋時(shí)梁的變形將受到約束,中間支座處有一個(gè)力要把拱起的梁拉回原來(lái)的位置。左端支座產(chǎn)生的次應(yīng)力在跨度各截面上產(chǎn)生次彎矩。在進(jìn)行跨中截面混凝土抗裂驗(yàn)算和截面強(qiáng)度計(jì)算時(shí),所取的脫離體完全與前述靜定構(gòu)件相同,只是按連續(xù)梁計(jì)算的支反力和荷載彎矩值將有所不同,要注意的是,從圖1可以看出計(jì)算截面上還有一個(gè)次彎矩作用,顯然,這個(gè)彎矩會(huì)使跨中正彎矩增加而降低支座負(fù)彎矩。

　　A、靜定結(jié)構(gòu)張拉變形不受約束　

　　B、跨中正截面應(yīng)力計(jì)算

　　C、跨中強(qiáng)度計(jì)算

　　D、靜定結(jié)構(gòu)張拉變形受約束

　　E、次彎矩

　　上述基本假定如果成立,問(wèn)題就好解決了。但預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)材料是彈塑性材料,加載過(guò)程中混凝土還要開(kāi)裂,梁的剛度在加載過(guò)程中不斷變化。即使超靜定梁出現(xiàn)理想塑性鉸,預(yù)應(yīng)力筋為吻合索的連續(xù)梁,在加載過(guò)程中次彎矩也不會(huì)消失。美國(guó)混凝土規(guī)范早期規(guī)定,使用階段混凝土截面應(yīng)力計(jì)算考慮次彎矩,截面強(qiáng)度計(jì)算不考慮次彎矩;后又規(guī)定截面強(qiáng)度也要考慮次彎矩。ACI318289進(jìn)一步明確規(guī)定,用于計(jì)算預(yù)應(yīng)力超靜定結(jié)構(gòu)截面強(qiáng)度的計(jì)算彎矩為預(yù)應(yīng)力引起的支反力產(chǎn)生的彎矩及考慮塑性重分布后的荷載彎矩的代數(shù)和。通過(guò)一些試驗(yàn)和分析,我認(rèn)為這最后的規(guī)定不一定更合理,因?yàn)榧虞d過(guò)程中次反力將隨塑性?xún)?nèi)力重分布的發(fā)展而變化,計(jì)算復(fù)雜且存在不少問(wèn)題,若直接用彈性次反力,可能造成較大的誤差。如果這樣計(jì)算,應(yīng)特別注意最后采用的計(jì)算負(fù)彎矩值不能減少太多。

　　三、桿件軸向變形的影響問(wèn)題

　　施加預(yù)應(yīng)力的桿件要產(chǎn)生軸向變形,其中的徐變收縮變形很難準(zhǔn)確計(jì)算,差別可能很大,但一般考慮長(zhǎng)期變形為短期變形的2倍,人們往往能夠接受。種種條件有利時(shí),長(zhǎng)期變形值可以再少取一些。桿件軸向變形引起整個(gè)超靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化,要認(rèn)真分析。當(dāng)軸向變形很大時(shí),一般是在施工時(shí)采取讓桿件可以自由變形的措施。張拉后,等一段時(shí)間再做成整體連接,但這樣處理比較麻煩。另外是估計(jì)桿件的軸向變形值,在截面設(shè)計(jì)時(shí)考慮進(jìn)去。更多的情況是,軸向變形值較小時(shí)可以不必過(guò)多考慮。而確定張拉階段是這一問(wèn)題的關(guān)鍵,最不利的情況是單層框架狀態(tài)時(shí)張拉。

　　四、彎矩可調(diào)性

　　在預(yù)應(yīng)力后張拉超靜定結(jié)構(gòu)中,連續(xù)梁采取分段、懸挑、嵌入構(gòu)件等處理方法,從力學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看就是調(diào)整內(nèi)力,使其能適應(yīng)施工階段和使用階段的荷載,又能調(diào)整跨中和支座彎矩,便于連續(xù)配筋。在大跨度框架的頂層邊節(jié)點(diǎn),此處彎矩較大,配筋復(fù)雜,施工麻煩,還會(huì)造成整個(gè)結(jié)構(gòu)的用鋼量增加。目前,許多設(shè)計(jì)者把該節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)成鉸接點(diǎn),取得一點(diǎn)好的效果。如果在邊節(jié)點(diǎn)柱中設(shè)置一些豎向筋,且張拉形成整體的時(shí)間根據(jù)梁上需要受荷多少來(lái)決定,利用彎矩可調(diào)性來(lái)調(diào)整邊節(jié)點(diǎn)和梁跨中的彎矩分配,會(huì)獲得更好的效果。

　　五、抗裂性問(wèn)題

　　根據(jù)比較和工作經(jīng)驗(yàn),本人認(rèn)為對(duì)于C40混凝土,控制計(jì)算名義拉應(yīng)力為3.0N/mm2～4.0N/mm2,按這樣設(shè)計(jì)建成的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)可見(jiàn)裂縫�？梢员苊庠谠O(shè)計(jì)中梁底使用荷載受拉區(qū)要配置較多的預(yù)應(yīng)力筋,造成張拉時(shí)梁面抗裂不夠也要配置預(yù)應(yīng)力筋,同時(shí)也在梁底部增加,從而在使用預(yù)應(yīng)力后,仍沒(méi)有減少鋼筋用量的情況。但注意,按這樣的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)時(shí),一定要利用預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度鋼筋與非預(yù)應(yīng)力普通鋼筋混合配筋。

　　六、結(jié)束語(yǔ)

　　在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，只要抓好設(shè)計(jì)計(jì)算要點(diǎn)，在各種建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用好來(lái)，使我們的建筑空間更為靈活性，促成社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，造設(shè)和諧社會(huì)。