某大跨度体育馆的结构设计
2019-10-20万操
万操
摘 要：介绍了某大跨度体育馆从前期方案比选到后期施工图设计的全过程，详细阐述了大跨度楼面部分的方案选择及后张法有粘结预应力梁的设计过程，简要介绍了屋面钢桁架设计中的变通之处。结构设计应注重前期方案比选，灵活变通，高质高效地完成设计任务。
关键词：大跨度;预应力;钢桁架
一、项目概况
本项目为某校体育馆，共2层，地下一层为游泳池，层高6.3米，泳池底至正负零高度8.8m，地上一层为篮球馆，层高10m，外围半层处设室外走廊;平面尺寸40.5m×45m，柱距5.4m、7.5m、31.5m，形成大跨度结构。抗震设防烈度8度，设计基本地震加速度0.2g，场地位置曾经为鱼塘，有淤泥淤积，为III类场地。
二、结构设计方案初选
（一）结构特点
1、结构体系选择，本工程跨度大，层高较高，短方向仅两跨，若采取纯框架结构可能造成结构位移超限、框架柱过大等问题，需设置剪力墙形成框架-剪力墙结构体系以承担水平荷载作用。
2、地上一层层高较高为10m，宜结合室外走廊及建筑立面幕墙、窗的布置，设置一道层间梁。
3、二层楼面跨度31.5米，且为篮球场，需考虑人群跳动和有规律运动可能引起的楼盖振动问题，设计需进行楼盖竖向自振频率控制和振动加速度峰值控制。
4、屋面跨度31.5m，均为单跨，可采用梯形钢桁架。
（二）首层大跨度结构方案比选
1、普通井字梁方案
一般大跨度楼面的常见结构形式为井字梁。本工程篮球场长短跨之比较大为1.43，使得长跨方向井字梁承担弯矩与其自重附加弯矩基本持平，甚至可能对短跨起“反作用”。通过建立简略计算模型，对普通井字梁布置、单项密肋梁布置进行对比试算，如图1所示，通过计算可得，按井字梁布置的短跨跨中弯矩约为9230kN·m，按照单向密肋梁布置时，跨中弯矩约为7180kN·m，井字梁布置时的弯矩反而较大。由此可知井字梁结构形式的缺点为截面笨重，自重过大，裂缝挠度难以控制。
2、斜交井字梁方案
正交井字梁方案因跨度过大，造成弯矩、变形较大，方案不合理，为减小大梁跨度，考虑斜交井字梁方案。按照3.0～4.5m布置斜交井字梁，如图2所示，能一定程度上使得井字梁受力更为均匀，对梁设计弯矩能有效减小，通过计算得到其正弯矩约6000kN·m，负弯矩约为4500kN·m，远小于正交井字梁布置方式。但斜交井字梁方案设计及施工较为复杂，且梁存在受扭问题
3、钢结构方案
一般当楼屋面的荷载较轻时，大多采用钢结构方案。本工程中楼面荷载大，且处于游泳馆上方，环境潮湿，不利于采用钢结构。
4、钢骨钢筋混凝土（SRC）方案
因SRC方案施工工艺繁琐、施工周期较长，且对柱子要求高，而本工程建设周期短，故不宜采用此方案。
5、预应力方案
因本项目跨度较大，且楼板下层为游泳池，易引发钢筋锈蚀，故对混凝土结构裂缝有更严格，需采取预应力混凝土结构，更好的控制裂缝和挠度。
由前所述，并结合工程实际及试算结果，首层大跨度部分初步选择预应力密肋梁方案，梁高可初步取1700mm～1800mm。其首层结构平面布置图如图3所示。
三、首层预应力梁设计
首层预应力梁的设计是本工程的重点，采取手工估算加软件验算的组合设计方法，确保结构安全性。
（一）预应力混凝土类型比选
预应力混凝土结构是指结构在承受外荷载以前，预先采用人为的方法，在结构内部形成一种应力状态，使结构在使用阶段产生拉应力的区域先受到压应力，这项压应力将与使用阶段荷载产生的拉应力抵销一部分或全部，从而推迟裂缝的出现，限制裂縫的展开，提高结构的刚度。按照混凝土浇筑成型和预应力钢筋张拉的先后顺序分为先张法和后张法。
先张法就是张拉钢筋先于混凝土构件浇筑成型的方法。先张法构件中，预应力是靠钢筋和混凝土之间的黏结力传递。其施工工序为先将预应力钢筋用夹具固定于台座或钢模上并施加预应力，然后支模、帮扎非预应力钢筋、浇注混凝土，待混凝土达到预定强度后，切断或放松钢筋，使混凝土产生预压应力。
后张法就是在构件浇筑成型后再张拉钢筋的施工方法。后张法构件中，预应力主要靠钢筋端部的锚具来传递。后张法的施工工序为先浇筑混凝土构件，并在构件中预留孔道;待混凝土达到预定强度后，用千斤顶张拉钢筋，用锚具将张拉端预应力钢筋锚固;最后用压力泵将高强水泥浆灌入预留孔道，使预应力钢筋与孔道壁产生粘结力。
先张法适用于在工厂大批制作中小型构件，后张法适用于在施工现场制作大型构件。
按照粘结方式分类，可分为有粘结预应力混凝土和无粘结预应力混凝土。有粘结预应力混凝土中，预应力筋与周围的混凝土粘结、握裹在一起。无粘结预应力混凝土是将预应力钢筋的外表面涂以沥青、油脂或其他润滑防锈材料，以减小摩擦力并防锈蚀，并用塑料套管或纸带、塑料带包裹，使之与周围混凝土隔离，在张拉时预应力钢筋可以纵向发生相对滑移。无粘结预应力施工较为方便，但与有粘结预应力相比安全度较低。
本工程预应力梁为结构重要构件，且跨度、荷载较大，故选用后张法有粘结预应力混凝土，张拉方式采用两端张拉，张拉端
锚具采用夹片式锚具。预应力筋曲线为四段二次抛物线，反弯点位置为0.1L（跨度）。
（二）材料
根据《混凝土结构设计规范》的材料相关规定，预应力混凝土结构的混凝土强度等级不宜低于C40，故采用C40混凝土，钢筋等级三级钢，预应力筋采用低松弛预应力钢绞线，直径15.2，fptk=1860MPa。
（三）梁截面特征
已预应力次梁为例，梁截面500x1800mm，现浇楼板厚120mm，跨中截面特征计算考虑翼缘作用，按T型截面计算，翼缘宽度[bf=b+12h'f]=1940mm。截面面积1072800mm2，形心位置x=1035mm（距离梁底边）。截面惯性矩[I=3455×108mm2]。
（四）预应力筋估算
预应力张拉控制应力采用[σcon=0.7fptk=0.7×1860=1302N/mm2]，总预应力损失按23%估计，则有效预应力为[σpe=1002.5N/mm2]。
本構件按裂缝控制等级二级进行验算： 在荷载效应的标准组合下[σck-σpc≤ftk=2.39N/mm2]，在荷载效应的准永久组合下[σcq-σpc≤0]。
由于预应力筋面积未确定，考虑次弯矩对跨中截面产生的不利影响，计算[σck]、[σcq]时，跨中最大弯矩值乘以放大系数1.15。按照[σck-σpc≤ftk]计算得出[1]：
[Ap=σck-ftk（1A+epw）=5624mm2]
实配2排6束[7?s15.2（Ap=5838mm2）]。
（五）软件验证及深化计算
将手算预估预应力筋输入计算模型，通过软件详细详细计算预应力筋损失、由于施加预应力引起的次弯矩及综合弯矩，并进行挠度、裂缝及锚具区混凝土局部承压验算等。
通过计算，本工程预应力次梁跨中实配普通钢筋下铁18
四、屋顶钢桁架设计
本工程屋顶采用梯形钢桁架，共5榀，间距7.5m。建筑屋面设计为种植屋面，屋面荷载较大，且体育馆两侧紧邻教学楼，钢桁架屋面过高将影响教室采光，为保证篮球馆的正常使用，钢桁架底部高度受限，故为减小整体屋顶结构高度，钢桁架上弦杆采用工字型截面，桁架上弦位置布置工字型截面次梁，与钢桁架上弦杆顶部平齐。具体设计如图5所示。
图5 钢桁架详图
五、结语
通过实际工程案例，更加明晰了结构设计思路。在结构设计中，应及时跟进前期建筑方案设计阶段，重视结构方案比选。初期结构方案的正确选择将会大大减少施工图设计阶段的反复试算及与其他专业协调的工作量，显著提高工作效率。同时，在结构设计中应不断学习，敢于承担未曾接触过的项目类型，并充分利用基本的力学、结构原理，灵活变通的完成设计任务。
参考文献：
[1]周永明， 褚 航. 32 m跨预应力混凝土梁的结构设计及测试分析[J]. 建筑技术 第39卷第12期 2008年12月， 950-953
