体育馆悬挑预应力大梁的设计与施工

体育馆悬挑预应力大梁的设计与施工南京龙江体育馆为多功能体育馆，其入口处的悬挑大梁KJ1承受的荷载很大。为保证结构的耐久性及刚度，使用过程中不向短挑梁转移荷载，KJ1的外伸长梁采用了部分预应力混凝土大梁。经比较分析，从受力的合理性角度及减轻自重方面考虑该大梁的截面为变截面，悬挑梁根部截面尺寸为700mm×2000mm，端部截面尺寸为700mm×900mm。由于KJ1框架梁的○A、○C段的正弯矩较小，预应力筋在该段主要沿梁顶面部置，在○C触处锚固。该悬挑大梁的混凝土等级为C40。预应力筋采用1860级低松弛钢绞线，张拉端用QM15-6型锚具，固定端用挤压锚，预留孔道用金属波纹管成型。第1章结构设计原则该大梁处在室内低侵蚀环境，考虑到该悬挑结构以承受恒载为主，预应力筋按下列原则配置：在恒载下截面不退压；在使用荷载下裂缝宽度小于0.1mm；在常遇地震作用下裂缝宽度小于0.2mm。第2章预应力筋布置该悬挑大梁的危险截面为根部截面，弯矩是主要内力。为使该截面的抵抗弯矩最大，预应力筋尽可能靠顶布置。根据上述原则大梁共采用48根Φj15预应力筋，分成8束，每束6根。预应力筋在悬臂根部截面排成2排，位置如图4-10-1所示。在悬臂末端区域，由于弯矩较小，预应力筋分别距悬臂端1.5m及1.0m处锚固下排中间及上排中间2束预应力筋，在悬臂端部锚固4束。因KJ14大梁支承在悬挑梁的端部，悬臂端的4束预应力筋应紧贴梁外侧锚固在混凝土内(保护层厚80mm)。大梁预应力筋走向如图4-10-1(a)所示。为保证局部承压的安全，除将梁在柱外加宽到800mm外，还将中间2束空间扭转成上下束，如图4-10-l(b)所示。第3章结构性能分析第1节预应力损失该大梁预应力筋张拉控制应力取σcon=0.75×1860=l395N/mm2，在悬挑梁根部各项预应力损失如下：σL1=60N/mm2，σL2=21N/mm2；σL4=35N/mm2，σL5=5lN/mm2，总损失σL=167N/mm2。预应力筋中有效预应力为：σpe=1228N/mm2。总预压应力为8252kN。第2节活载弯矩值活载包括楼座荷载及屋盖雪载等荷载，在悬臂根部引起的弯矩为1806kN·m。第3节长期及短期荷载下抗裂度验算最大弯矩截面受拉区最外纤维抗裂度验算结果如下：长期荷载与预应力共同作用下的混凝土应力为－0.65N/mm2，短期荷载与预应力共同作用下的应力为3.18N/mm2，因此在长期荷载及短期荷载组合下满足抗裂要求，均满足该工程的设计原则。验算截面取边柱边截面。第4节抗弯及抗剪承载力计算所需抵抗的设计弯矩为13781kN·m，预应力筋抵抗弯矩为12054kN·m，按承载力要求应补充的非预应力筋为As=3094mm2。非预应力筋按构造要求配置0.3%A=0.003×700×2200=4620mm2。最后配置10Φ25非预应力筋。因剪力不大，抗剪承载力易满足。第5节悬臂大梁的位移悬臂大梁梁端位移对该工程来说是一个严格控制的指标。因梁端位移过大将引起与之相联构件的内力调整，一些构件将出现过大裂缝。采用预应力混凝土，该大梁在外载及预应力共同作用下不开裂。故截面刚度取为B=EI。由于大梁为变截面大梁，大梁的变形计算应采用广义等效荷载计算。根据计算分析，在荷载作用下梁端位移为26.647mm↓，而预应力作用下梁端位移为19.324mm↑，最终位移为7.37mm↓。位移小于悬臂长度的1/l000。第6节锚固区的设计固定端因在大梁内分散锚固，局部承压的安全容易保证。采用挤压锚加垫板及螺旋筋的形式。6根预应力筋共用l块锚板和1根螺旋筋。因垫板四周范围较大，局部承压比较富余。张拉端采用铸铁喇叭管，原有配套的螺旋筋，但因锚具比较集中，改为网片，由图4-10-1(b)可见外边锚具中心离梁边缘为150mm。为加强梁端局部承压的承载力，在梁端将外框箍筋直径加大，间距加密，并用拉结筋拉牢，如图4-10-1(c)所示，使梁端形成一个整体的锚固块。张拉完成后观察表明，张拉端及固定端均未出现任何形式的裂缝。这里必须提及的是锚固区的设计首先是错具在梁端的合理分布，而不是加间接钢筋。第7节腰筋的直径与间距腰筋对混凝土收缩裂缝的控制及大梁抗扭起有利作用。若梁尺寸较大，混凝土等级较高，其腰筋直径及向距与钢筋混凝土规范的规定应有所区别。KJ1框架大梁设计中腰筋的直径为Ф20，间距为200mm，观测表明效果较好。第4章预应力施工龙江体育馆KJ1框架悬挑大梁预应力筋主要沿梁顶布置，近似为直线配筋，孔道摩擦损失小。由于悬臂端无法张拉，只能采取一端张拉。该大梁的非预应力筋配筋多，梁的尺寸大，故采用预应力筋先穿入波纹管中的方案。由于预应力筋在张拉端及锚固端都需要中间扭束，故大梁的箍筋股距必须方便预应力筋扭束。为保证预应力筋实际形状与设计形状相同，减少附加的摩擦损失，钢筋井架间距取为600mm。为保证张拉前孔道畅通，利用该大梁的倾斜度较大的特点，在混凝土初凝前从梁末端泌水孔中灌水，将浇注中可能渗入的水泥浆冲刷掉。张拉顺序是先中间一列，后两边交错进行。考虑到大梁混凝土压缩的影响，前4束比后4束张拉力高1.5%。由于该大梁截面不属于薄腹梁，梁侧有楼座次梁与主梁联系，预应力筋张拉全部一次张拉到位。大梁高差近10m，采用特制的止水阀门，以免过大压力使水泥浆从喇叭管渗出。由于水泥浆中水泥自动向低处沉淀，末端的泌水及补浆非常重要。为确保灌浆质量，采取分别在灌浆后1h和4h两次补浆的措施。