劉 晟

(上海同濟(jì)開元建筑設(shè)計(jì)有限公司，上海 200092)

某冰球館預(yù)應(yīng)力次梁結(jié)構(gòu)分析

劉 晟

(上海同濟(jì)開元建筑設(shè)計(jì)有限公司，上海 200092)

基于MIDAS GEN，對(duì)某冰球館24 m跨預(yù)應(yīng)力次梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算分析，對(duì)預(yù)應(yīng)力次梁結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了整體建模，真實(shí)地考慮梁端的水平及豎向加腋，對(duì)預(yù)應(yīng)力張拉與豎向加載全過程進(jìn)行了模擬，得到了張拉完成后的有效預(yù)應(yīng)力及使用階段結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布，并應(yīng)用于實(shí)際設(shè)計(jì)，收到了良好的使用效果。

預(yù)應(yīng)力次梁體系，MIDAS，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，冰球館

1 工程概況

某冰球館主賽場(chǎng)下方局部為冰球訓(xùn)練館，訓(xùn)練館為跨度24 m的無柱空間，根據(jù)建筑功能的要求，24 m跨框架梁的梁高需控制在1.5 m以內(nèi)，跨高比高達(dá)16。由于訓(xùn)練館上方主賽場(chǎng)樓面面層荷載與活荷載均較大，且框架梁抗震等級(jí)為一級(jí)，普通的框架梁及通常采用的預(yù)應(yīng)力主梁結(jié)構(gòu)體系均難以滿足結(jié)構(gòu)的承載力、使用性能以及框架梁梁端最大配筋率、受壓區(qū)高度等抗震要求。為降低梁高，增加使用空間，同時(shí)改善結(jié)構(gòu)的使用性能，設(shè)計(jì)中采用了主梁和次梁均施加預(yù)應(yīng)力的預(yù)應(yīng)力次梁結(jié)構(gòu)體系[1]。預(yù)應(yīng)力主梁截面為700 mm×1 500 mm，預(yù)應(yīng)力次梁截面為600 mm×1 500 mm。為了降低框架梁梁端的受壓區(qū)高度，提高地震作用下結(jié)構(gòu)的延性，在框架梁梁端的水平及豎向均設(shè)置了加腋，其中水平加腋為梁頂500 mm范圍內(nèi)，尺寸為3 300 mm(長)×825 mm(寬)，豎向加腋為全截面，尺寸為3 000 mm(長)×300 mm(高)。

本工程預(yù)應(yīng)力次梁結(jié)構(gòu)體系中預(yù)應(yīng)力框架梁抗震等級(jí)為一級(jí)，預(yù)應(yīng)力框架梁及次梁的裂縫控制等級(jí)分別為二級(jí)Ⅱ類(裂縫寬度限制為0.1 mm)[2，3]。預(yù)應(yīng)力的施工采用有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力后張法?；炷翉?qiáng)度等級(jí)為C40，混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk=2.39 MPa，混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fc=19.1 MPa，預(yù)應(yīng)力筋采用φs15.2高強(qiáng)低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，鋼絞線強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fptk=1 860 N/mm2;普通鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fy=360 MPa。

目前該冰球館已經(jīng)竣工并投入運(yùn)營，使用效果良好。圖1為訓(xùn)練館內(nèi)場(chǎng)實(shí)景。

2 有限元模型

采用MIDAS GEN(7.1.2)建立有限元模型如圖2所示。梁、柱均采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用索單元進(jìn)行模擬。與傳統(tǒng)的手算方法對(duì)比，有限元模型真實(shí)地考慮了主梁梁端在水平和豎向的加腋，提高了計(jì)算的精度。

典型的預(yù)應(yīng)力主梁YKL1以及次梁YL1的預(yù)應(yīng)力筋的布置如圖3所示。預(yù)應(yīng)力主要采用兩端張拉，其張拉控制應(yīng)力為1 395 N/mm2。

結(jié)構(gòu)自重由軟件自動(dòng)計(jì)算，樓面的恒荷載標(biāo)準(zhǔn)值為12.85 kN/m2，活荷載標(biāo)準(zhǔn)值為4.0 kN/m2。

3 主要分析結(jié)果

3.1 有效預(yù)應(yīng)力

通過預(yù)應(yīng)力張拉階段的有限元分析，可以得到預(yù)應(yīng)力梁沿整個(gè)線形的預(yù)應(yīng)力分布。與傳統(tǒng)的手算計(jì)算預(yù)應(yīng)力損失的方法相比，有限元計(jì)算更為便捷、全面、直觀。

取其中典型的一榀預(yù)應(yīng)力主梁YKL1及一榀預(yù)應(yīng)力次梁YL1為研究對(duì)象。YKL1采用線形1(2-14φs15.2)和線形2(1-14φs15.2)兩種線形，為了降低梁端的受壓區(qū)高度，其中線形2在梁端下彎，如圖3a)所示。兩種線形的有效預(yù)應(yīng)力如圖4所示。線形1(2-14φs15.2)和線形2(1-14φs15.2)折算有效預(yù)應(yīng)力分別為1 020 MPa和1 070 MPa，預(yù)應(yīng)力的損失約為26%和22%。YL1的預(yù)應(yīng)力筋線形如圖3b)所示，有效預(yù)應(yīng)力的分布如圖5所示。YL1折算有效預(yù)應(yīng)力為1 010 MPa，預(yù)應(yīng)力損失約為28%。

3.2 結(jié)構(gòu)內(nèi)力

目前，工程設(shè)計(jì)中預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計(jì)算仍大多采用手算方法，具體流程如下：

1)采用常規(guī)設(shè)計(jì)軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模計(jì)算，計(jì)算中不考慮預(yù)應(yīng)力的影響；

2)考慮到預(yù)應(yīng)力次內(nèi)力的影響，將軟件計(jì)算得出的彎矩乘以修正系數(shù)，其中梁端彎矩的修正系數(shù)約0.9，跨中彎矩的修正系數(shù)約為1.2。此方法能夠考慮預(yù)應(yīng)力次內(nèi)力的影響，但僅為估算，精度較差。采用有限元方法進(jìn)行建模，模型可以真實(shí)地反映周邊結(jié)構(gòu)對(duì)預(yù)應(yīng)力梁的約束作用，內(nèi)力計(jì)算結(jié)果更為精確。

圖6和圖7為MIDAS軟件計(jì)算得出的預(yù)應(yīng)力主梁YKL1和預(yù)應(yīng)力次梁YL1在標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下的彎矩及軸力分布。從圖中可以看出YKL1在支座處為設(shè)計(jì)控制截面，彎矩最大值為2 113 kN·m，YL1在靠近支座1/5跨處彎矩最大，為390 kN·m。YKL1和YL1軸力的最大值分別為3 327 kN和2 312 kN，約為鋼絞線拉力的52%和43%，可見有相當(dāng)一部分的預(yù)應(yīng)力由梁傳遞至樓板。YKL1和YL1的軸力沿全長的分布均呈現(xiàn)出兩端最大，往中部逐漸減小的趨勢(shì)，這表明越靠近中部，樓板所承受的預(yù)應(yīng)力越大。

采用MIDAS計(jì)算得出的內(nèi)力作為依據(jù)，進(jìn)行了配筋設(shè)計(jì)，并對(duì)結(jié)構(gòu)的承載力及使用性能進(jìn)行了復(fù)核，結(jié)果可以滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

4 結(jié)語

基于有限元計(jì)算軟件MIDAS GEN，本文對(duì)某冰球館預(yù)應(yīng)力次梁結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了分析，主要得到以下結(jié)論，希望能為類似工程提供參考。

1)采用預(yù)應(yīng)力次梁結(jié)構(gòu)體系，可以在普通預(yù)應(yīng)力框架梁的基礎(chǔ)上進(jìn)一步有效地降低梁高，以滿足建筑使用空間的要求。

2)采用有限元計(jì)算軟件MIDAS GEN進(jìn)行計(jì)算分析，可以真實(shí)考慮梁端在水平及豎向加腋，并準(zhǔn)確地反映周邊結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力梁的約束作用，計(jì)算更為精確。

3)計(jì)算得到了預(yù)應(yīng)力沿整個(gè)線形的分布，預(yù)應(yīng)力主梁的預(yù)應(yīng)力損失約為22%～26%，預(yù)應(yīng)力次梁的預(yù)應(yīng)力損失約為28%。

4)預(yù)應(yīng)力有相當(dāng)一部分由梁傳遞至樓板，預(yù)應(yīng)力主梁和次梁的軸力分別為鋼絞線拉力的52%和43%。軸力沿全長呈現(xiàn)出兩端最大，往中部逐步減小的趨勢(shì)。

[1] 薛偉辰.現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2003.

[2] GB 50011—2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] GB 50010—2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

Analysis on prestressed secondary beam structure of the hockey place

Liu Sheng

(ShanghaiTongjiKaiyuanBuildingDesignCo.,Ltd,Shanghai200092,China)

The paper calculates and analyzes 24 m prestressed secondary beam structure of the hockey place on the basis of MIDAS GEN, carries out integral modeling of the prestressed secondary beam structure system, takes horizontal and vertical haunching beam end into consideration, simulates whole process of prestressed tension and vertical loading process, and obtains internal structural force distribution and effective prestress after tension, and applies it into actual design, and finally obtains great utilization effect.

prestressed secondary beam system, MIDAS， structural design method, hockey place

2015-01-17

劉 晟(1982- )，男，碩士，工程師

1009-6825(2015)09-0042-03

TU311

A