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1、不规则柱网预应力板柱结构的分析与设计设计方法研究结构工程师2001;(2)不规则柱网预应力板一柱结构的分析与设计陆秀丽耿耀明蒋志贤(同济大学,上海200092)提要本文结合实际工程,对柱网布置不规则的无粘结预应力混凝土板一柱鲒构的整体受力分析与设计,预应力混凝土转换板的有限元分析与设计方法做了较为深入的探讨,可为同类工程提供借鉴.关键词预应力混凝土,板柱姑拘TheAnalysisandDesignofPrestressedSlab-columnStructureinIrregularColumnLayoutLUI山GENGYacaninJIANGZhixian(1Univty,Shanghai
2、200092)Al:mtraetBasedOntheengineeringpractice,theglobalmechanicanalysisanddesignmethodtheprestressedslab-columnstructureineg1l1arcolumnlayoutarediscussed,andthefinitedementanalysismethodoftheprestressedconcretetransitionslabisstudiedinthispaperFheresultsmayprovidereferencesforsimilarengineeringproie
3、ctsKeywordsprestressedconete,slabcolunmstructure1前言目前,对于预应力平板一柱结构的内力和位移计算多采用等代框架法.理论分析表明,目前常用的等代框架法存在以下一些问题:(1)在水平荷载作用下,通常采用对板刚度的折减来考虑板一柱结构抗侧力差的特点,但由于影响板一柱结构侧移的因素很多,很难使等代框架粱的宽度取值合理.例如,英国规范(BSSll0)规定在水平荷载作用下,等代框架梁的宽度取整个区格宽度(柱轴线之间的距离)的1/2;我国升板规范(GBI1309O)规定取3/4区格宽度;而美国混凝土规范(ACI31892),不分水平和竖向荷载,等代框架粱的宽
4、度均取整个区格的宽度.(2)竖向载荷与水平荷载下的计算模式不统一.在竖向荷载作用下考虑了受扭构件的扭转效应对柱刚度的影响,而在水平荷载下没有考虑这一影响.(3)对柱网布置不规则的板一柱结构,无法形成合理的等代框架.尤其是对不规则柱阿上的转换板,难以得到合理的受力分析结果.鉴于上述情况,本文结合实际工程时柱网布置不规则的预应力平板一柱结构的StructuralEngineers2001;(2)?2?设计方法研究台理计算模式和方法进行了分析和探讨,以便为今后的同类工程提供借鉴.2工程概况上海网球俱乐部住宅楼为柱网布置不规则的五层无粘结预应力混凝土板一柱框剪结构,共13栋,总建筑面积约为57000m
5、2,一三层为标准层,层高3.0m为实现房间布置的灵活分隔,应业主要求,单元内不设梁,采用点柱支撑的2()O厚混凝土平板,为控制标准层板跨较大区域的挠度与裂缝宽度,在6-14/FL区块设置了部分无粘结预应力平板,其结构平面布置见图1.建筑物在四,五层处分别退台一次(局部,非对称),柱直接落在三层或四层顶板上,为承托上部结构,在转换部位设置,尢粘结预应力混凝土转换板,四层结构平面布置见图2.计人突出屋面的阁楼,结构总高度为18.543m3结构整体分析3.1设计参数上海地区抗震设防烈度为7度,类场地土,基本风压为0.55kN/m2.楼面活荷载为2.0kN/m2,面层重量为1.OkN/mz,隔墙重量2
6、.5kN/m2,混凝土强度等级为CAO,无粘结预应力筋均采用抗拉强度标准值fo=1860N/ram的高强度低松弛钢绞线,规格为15.24.图l3.2软件选择目前用于结构整体分析的软件主要可分为两种类型:一种采用薄壁杆件模型;另一种采用壳元墙元模型.薄壁杆件模型是以梁柱作为一般空间杆件单元,假定楼板平面内为无限刚性,楼板本身不参与结构整体分析工作,并以薄壁杆件模拟剪力墙.对于一般的框架,框剪,剪力墙等规则的结构,采用这种模型分析具?设计方法研究?结构工程师2001;(2)有足够的精度.我国的TAT软件就属于假定之一是楼板平面内为无限刚性.对于这种类型.任何一种模型都有自身适用范转换板结构,必须考
7、虑楼板的弹性变形能力围,本工程若采用这种模型进行计算,就不即整块楼板的平面内,外自身刚度,如以等一定合适.原因如下:代框架粱来模拟转换板,将引起较大的计算(1)由平板和柱组成的板一柱结构不误差.符合上述基本规定,其变通方法是采用等效(3)采用薄壁杆件模型在处理剪力墙框架粱来模拟平板,而等效框架粱的宽度取与粱搭接时,是用刚臂将粱端与剪力墙剪心值随意性很大.相连,其结果是强化剪力对粱端的嵌同作(2)薄壁杆件是一种杆系单元,其基本用,使粱端弯矩的计算值加大.oSATWE软件是基于薄板理论的有限元分析软件,其特点是在处理薄板构件板,墙时,自动划分有限单元,每个单元用薄壳元来模拟,使其既有平面内刚度,又
8、有平面外刚度.SAT软件在处理楼板时,可选用弹性板,弹性板有限元既有四节点等参壳元,也有三节点等参壳元,可划分任意形状的楼板,楼板参与整体刚度计算,与实际受力状态相一致.因而采用sA1wE软件圈2进行柱网布置不规则的预应力混凝土板一柱结构的整体分析比较合适.3.3分析结果采用SATWE软件对本工程进行r整体分析,其结果见表1,表2,表3.建筑物自振周期fs)表l振型12:345周期07322072530474602345()2l088hocI1.哥+崮鼍茸嗣目嗣嗣j习1昌1d马丑1d1lStructuralEngineers2001;(2)4-?设计方法研究-美等国的混凝土规范,对裂缝控制条件
9、作适当放松.即在短期荷载效应组合下:拉应力限制系数取1.0;长期荷载效应组合下:拉应力限制系数取0,54.2预应力转换板的限元分析与设计【31板柱结构体系是复杂的空间传力结构形式.有限元分析的精度主要取决于如何选择合适的单元形式和如何精确模拟实际结构,使离散后的有限元模型真实反映实际结构的受力性能本工程中的转换板高跨比在1/301/35之间,属典型的薄板单元,梁柱属典型的空间杆件单元.本文分析的结构模型由空间四边形薄板单元及空间杆件单元组成,虽板,柱,粱的单元类型不同,但薄板单元与空间杆件单元在节点相交处都有六个自由度(三个位移,三个转角),因而保证板一柱,板粱刚接节点处的位移连续.预应力对结
10、构的效应由等效荷载代替采用Algor有限元通用软件分析在弹性阶段转换板的受力性能,其有限元模型示意见图3.预应力混凝土转换板有限元分析与设计的基本步骤为:(1)采用SATWE软件进行结构的整体分析,计算出转换板上,下柱的内力(M,N,V)(2)取转换板厚为板跨的1/301/35.估算转换板截面尺寸.(3)截取转换板所在层,建立有限元分析模型.计算转换板在转换柱及本层荷载作用下的内力(4)根据转换板的内力值估算预应力筋的用量,见式(1):M/Wacty,1,(去4-ei?)式中M按荷载的短期效应组合或长期效应组合计算的弯矩值:在地震作用下的结构反应表2方嚣27687459I1282iI/1228
11、3771/8362736.1453171211/920l4071/775分析表明:(1)本工程的基本周期为0.73s,同类似的框架,框剪结构相比,基本周期值略有偏大,表明板一柱结构的抗侧刚度相对偏柔.由于结构的基本周期和场地的特征周期相近,结构所受的地震作用力较大.(2)尽管具有足够承载能力,但考虑到这类结构的侧向刚度确实较差,需在建筑物核心部位,利用电梯井与楼梯间,设立抗侧移剪力墙,使结构的侧向位移能满足装修要求较高的住宅变形控制要求.如采用纯框架结构,宜将设计抗震等级较普通建筑结构提高一级.(3)结构在地震和风荷载作用下的顶点位移及层间位移均满足规范的要求.这意味着本工程结构布置和构件截面
12、设计基本上是合适的.4预应力转换板的分析与设计4.1裂缝控制条件我国现行的混凝土结构设计规范(GBJ1089)及无粘结预应力混凝土结构技术规程(JGJ/2930)对裂缝的控制条件偏严,造成预应力构件的用钢量偏大.考虑到本预应力转换板位于室内,抗腐蚀条件较好,根据已往的工程设计经验,并参考欧设计方法研究?5结构工程师2001;(2)预应力筋的有效应力值,对预应力板可取O.85倍张拉控制应力:.一一混凝土的拉应力限制系数.(5)确定预应力筋的线形,计算有效应力值及预应力的等效荷载值.(6)计算转换板在外荷载及等效荷载作用下的内力标准值,进行预应力混凝土转换板的正常使用极限状态的验算.(7)用综合内
13、力法【4计算转换板的普通钢筋配筋量.(8)进行预应力混凝土转换板的抗冲切验算.按照上述步骤,对车工程的预应力温凝土转换板进行了分析与设计,预应力筋的配筋详见图2.5结论(1)本文采用SATWE软件对板柱结构进行整体分析,可有效地避免等效框架法的缺陷,使分析结果更为合理.(2)板一柱结构的抗侧承载力和抗侧刚度较差,建议此类结构应设立有效的抗侧力构件,或将设计抗震等级较普通建筑结构提高一级.(3)预应力转换板是复杂的空间传力结构形式,应在结构整体分析的基础上,采用有限元方法对转换板进行细致分析,才能真实地反映实际结构的受力性能.图3(4)本工程从竣工起,至今已有两年时间,使用状况良好.参考文献1郑文忠等后张预应力混凝土平板一柱结构设计与工程实侧黑龙江科学技术出版杜19992吴家流等预应力板柱结构在高层建筑中的应用世纪之交的预应力新技术专利文献出版社19983胨国栋等.无粘结预应力混凝土平板的结构性能.厦门大学,38(6)4熊学玉等.现代预应力混凝土结构正截面极限强度分析结构工程师.20o0(1)