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1、第四届全国预应力结构理论与工穰成用学术会议论文集工程设计淮北体育场超长混凝土结构的预应力设计成u 天仁1 贺宪威熊学玉”( | 灌l l 市建筑耪察设诗研究酪，灌蔻2 3 5 0 0 0 ；2 同济大学灏应力磁究藏；3 先莲本工程材料教育部蹩点实验室( 同济大学) ，上海2 0 0 0 9 2 )摄蔓本文结合淮北市体育场超长摁凝土结构的设计，介纠了采用积威力技术来防止超长环形结构在收缩及温差作用下开裂的设计方法，供类似结构设计参考。关镰端提凝土；臻黩力；温度瘟力一概述超长结构通常是指建筑物长度超过规范规定的设置温度伸缩缝或虢震缝的壤大长度，而不没置任嚣形式瘩久缝舞毳凝主缝据。当建筑懿乎嚣太长薅
2、，一救要按撬莛设薰 毒缭缝。镩缩缝解决了建筑潮变形引起的开袈问题，但同时也给建筑、辨构、设备带来了一些新闻题。随着城市建设的不断发展和人们需求的不断提商，各种大型工业与民用建筑的建设得到蓬勃发展，建筑对不设缝结构的长度嚣求越来越高，超长混凝土结构可满足这一按求，取得了较姆豹经济效盏霸投会效莛，如：襁合建筑物静楚增功辘立垂逢黧、象援意义饕求；竞鼹了设饕溉形缝可能带来鲍耐久性、耐火性、求密性、施工性和维穆瞧等问题；克臌设缝之后给设备管线的布设带来的困难：有利于结构抗震，避免变形缝之间的结构单元因刚心与质心不重食而引起严重的扭转破坏效应；减少或降低施工难度、工期及工程造价。不受约束的构伴在湿度和收缩
3、、徐变作用下不会产生应力，啜会产生应变期变形；超静霆绦掏变形豹颜穗鑫于受鬟多余转寐瓣季牵翎蔼产生应力。结鞠瓣溢菠、收维痰力奉矮l 二也是由约束引起的。终构的超长将会健温度作用对络构产生两个方谱的不利影响：( 1 ) 连续浇筑的超长混凝土构件内部自身的收缩和水化作用引起的混凝土构件体积的不均匀变化使混凝土内部产生较大的威力而开裂。混凝土的收缩和水他对于小尺寸构件影响有限，倪对一些大体积、大垂积、长度鞍长熬控搏影蛹较大。在大尺寸鼹凝兹 孛凑，由予渥凝赞热较谩，葜承他作用放出的热鼙壹接导致梅件不同部位产嫩较大温尊， l 怒构件开裂。( 2 ) 外界环境瀑鹰变化导致结构构件热胀冷缩，由此引起的整体结构
4、构件之间的不均匀变形和位移对于超静寇的混凝土结构研能引发较大的约束应力。这种约束应力对建筑物的影响主嚣在两个方面，一个是在长度方嬲，当结构的长寝越长，楼扳等纵海连续构件内外部环境温度变他引起豹妖发菠交藏越大。涤这些缀向构髂的变形受嚣翌翔鞫辞静鹭采，在缀向稳律中会产生拉应力或聪成力，而竖向构件中也会相应的受到水平推力域拉力。另一个是在高度方向上，竖向构件之间的不均匀胀缩相当于对梁板等水平构件产缴支座位移，将会在梁板内产嫩附加弯矩。外界濑度的变化也W 造成局部构件内部各处的温度差异，从而导致构件内部各个位置的不均匀变形，；l 莛缝梅戆痰邦终采痤力。在一般建筑结构分析与设计牛，温度、收缩徐变等因素影
5、响不是十分显著，僵结构超长使得这些较为次鬻的凶素变得显藩甚至成为设计的决定因素。从社会功能的角度来说，超长结构往往是由政府投资的大型公共建筑，是典广泛影响力的落要建筑，对工程质量和工期熬要求更为严格。鹱要不设或少竣伸缝缝，X 簧蠖结籀不出现影响其耐久性秘熬体性以及使翔璃能静裂缝，丽时必颁按期竞l = ，这藏需要对瀑度作蘑静大小由定性静橡逡缮施转为定羹的计算分析。4 ，1 2 喜第四届全国预应力结构理论与工程应用学术会议论文集- 工程设计超长结构的无缝设计较具特殊性，越来越受到重视。设置后浇带、使用补偿收缩混凝土、设置膨胀加强带、采用预应力、加强养护等措施均可用于结构无缝技术。与其他手段不同的是
6、，预应力技术不仅是一种解决超长结构无缝设计引发负面影响的补偿措簏。预应力设计是超长结构设计中的重要组成部分，其设计的合理性直接关系到结构的性能。下文介绍本院近期设计完成的淮北市体育场环形超长预应力混凝土结构中遇到的设计难题与解决方法二淮北市体育场预应力结构设计某体育场可容纳3 万观众，是一座多功能体育建筑。体育场占地4 3 万f n 2 ，整个建筑平面近圆形，东西、南北向直径均达到2 3 4 m 。主体建筑看台部分5 层，建筑总标高2 8 6 7 m ，为预应力钢筋混凝土框架结构，看台上部为膜结构顶篷。本工程建筑结构的安全等级为二级，地基基础设计等级为乙级，抗震设防烈度为六度，设计使用年限5
7、0 年。图1 体育场三维视图a1 层平面4 1 2 4b2 层平面第四届全国预应力结构理论与工程应用学术会议论文集工程设计C3层平面d4 层平面e 5 层平面图2 结构各层平面图其结构南北长2 3 4 m ，东西宽2 1 8 m ，共5 层。环向主梁主要采用6 0 0 l l O O m m 2 截面，径向的主梁和斜梁主要采用6 0 0 x 1 0 0 0 m m 2 截面。一层层高7 5 m ，二层层高5 1 m ，三层层高5 m ，四层层高4 m ，五层层高7 5 m 。环向主梁跨度1 4 ，6 4 m ，径向主梁跨度类型较多。径向、环向主梁以及斜梁上均施加预应力，次梁上不施加预应力。预应
8、力构件采用后张无粘结预应力， 预应力筋为1 5 2 高强低松弛钢绞线，矗= 1 8 6 0 M P a ，控制应力= 1 2 0 9 M P a ，= O 1 2 ，= 0 0 0 4 ，t ；t = O 1 。框架预应力筋布置线型为直线型和二次抛物线型两种。框架梁预应力筋的线形图3 所示。1 最1 t出i 二f 融訇龋产型krL 一一+ 1r H_。1r、上。I ，f 1一，t d 一_旦R h 喂_- b 一甜。料_撼鲡。用严_矗 l H P 十。m q _ ，1r 为争E E 一I 一I I I图莱典型轴径向主梁预应力布置图该工程的主要的特点是：环向结构贯通，首尾相接，因此温度对于环向结
9、构将产生很大的温度应力。结构平面布置图如图2 所示。对于大体量的环向结构，温度升高时，楼面结构构件膨胀主要将引起楼面构件受压，对于混凝土楼面结构总体受力相对较为有利。温度降低时，楼面结构收缩将引起楼面构件受拉，楼面结构构件可能产生较大的拉应力，若拉应力超过混凝土的抗拉强度，将引起结构的开裂。楼面结构施加预应力后，可以有效地抵消温度作用下产生的拉应力，改善结构受力及其分布，改善结构裂缝的分布与开展。为了得到不同温度工况F 温度应力值的大小以及预应力作用的效果，采用A N S Y s 软件建模计算。分别考虑三种温度下的工况：一3 0 摄氏度、1 5 摄氏度和+ 4 0 摄氏度。考虑到混凝土、邑目夕
10、g邑融岁矿吣、岔艄册阳趋瓢飘沙飞夕厂第四届全国预应力结构理论与工程应用学术会议论文集工程设计收缩等因素的影响，折算成1 0 摄氏度的当量温度分别叠加到降温时的两种工况中；由于升温时考虑混凝土收缩影响1 0 摄氏度的当量温度对整体受力较有利，因此在升温情况下不考虑一1 0摄氏度当量温度的作用。综合考虑混凝土收缩等的因素，实际用A N S Y S 计算3 种工况时，偏安全的分别取温度为- 4 0 摄氏度、一2 5 摄氏度和+ 4 0 摄氏度。为分析方便，设3 0 摄氏度温度F 的计算为工况一，一1 5 摄氏度温度F 的计算为工况二，+ 4 0 摄氏度温度下的计算为工况三。即在模型计算时，综合考虑混
11、凝土收缩等影响后工况一的计算温度为4 0 度，工况二的计算温度为2 5 度，工况三的计算温度为+ 4 J D 度。建模时，梁柱采用B e m n 4 4 单元，板采用S h e l l 6 3 单元。在有限元模型分析中，把钢筋混凝土视为均质材料，为了考虑钢筋对混凝土弹性模量和密度的影响，可将混凝土和钢筋的弹性模量和密度进行综合处理，得到等效的弹性模量和密度：等效模量E 。= ( 1 一叩) E c + 叩E ，等效密度D 。= ( 1 一刁) O c + q O 。式中：E 。为钢筋混凝土的等效弹性模量，E 、l 为混凝土的弹性模量和密度，最、D 。为钢筋的弹性模量和密度，玎为钢筋混凝土的配筋
12、率，玎小于2 时可不考虑钢筋对混凝土弹性模量的影响。模型材料选用线弹性体系，由于本工程采用C 4 0 混凝土，因此取材料弹性模量为3 2 5X1 0 1 N ，m 2 ，泊松比取0 2 。模型的初始温度设置为0 摄氏度，不计入重力荷载和外荷载的影响。根据参照相关规范和工程实践经验，在进行温度分析时，可适当降低构件的刚度如取为全截面刚度的0 2 一O 4 倍，由于采用的是线弹性模型，计算温度应力时直接取折减系数为0 3 。最后把最终的温度应力和预应力工况叠加，并作比较。根据计算结果，一3 0 摄氏度温度工况下结构温度应力总体水平最大，下图是1 层楼板在3 0 摄氏度温度荷载作用下的应力云图。小于
13、1 ，7 M P a ( C 4 0 混凝土抗拉强度) 部分用灰色表示。图4 温度荷载作用下应力云图经计算对比后，确定环向主粱上布置1 2 根预应力筋，3 0 0 X 7 0 0 截面的次梁布置8 根预应力筋，2 5 0 5 0 0 截面的次梁布置6 根预应力筋。其中主梁上有4 根预应力筋抛物线布置，其4 1 2 6第四届全国预应力结构理论与工程应用学术会议论文集工程设计余环向主次梁预应力筋均为直线型布置，用以抵御温度应力。预应力等效荷载和温度荷载叠加后的应力云图见下图。图中拉应力超限区域明显减小，基本上只出现在四个楼板几何形状突变的应力集中区，可见施加预应力有效的抑制了混凝土楼板中拉应力的产
14、生。图5 温度、预应力荷载叠加后应力云图由于环向梁长度达5 0 0 m 以上，预应力筋已不可能连续布置，同时为了减少预应力摩擦损失，预应力钢筋需要进行搭接，搭接部位结合施工中后浇带和施工缝的位置进行调整。下图是环向粱中预应力搭接的示意图。三小结m 2 L j 鹕图6 环向主梁预应力搭接与一般设置变形缝的露天体育场不同。淮北市体育场主体混凝土结构环向贯通，首尾相接，因此其在温度变化时产生的温度荷载在设计中不可忽略。通过建立有限元弹性模型分析找N T “ 结构在温度荷载作用下的薄弱环节；经方案对比，确定了结构换向梁放置预应力筋的数量。分析结果表明，在结构环向布置适当数量的预应力筋，可以有效的降低温
15、度荷载作用下混凝土楼板中产生的拉应力，从而保证了结构的使用性能。4 1 2 7目，Jq毒导第四届全国预应力结构理论与工程应用学术会议论文集工程设计参考文献【1 王铁梦工程结构裂缝控制 M 】北京：中国建筑_ 业出版社，1 9 9 4【2 】刘开国超长框架温度变形与温度应力【J 】建筑结构，2 0 0 2 ，3 0 ( 2 ) ：3 6 - 4 0【3 】吴邦达用A 值法分析超长钢筋混凝土框架温度应力【J 建筑结构，2 0 0 2 ，3 2 ( 1 0 ) ：2 6 2 8【4 】樊晓卿，吴为武汉国际会展中心的温度作用设计【J 1 建筑结构，2 0 0 2 ，3 2 ( 1 ) ：9 - 1 2
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