单跨斜向预应力组合框架受力与造价分析

    1 ·工程概况
鸡西市是我国北方重要的产煤基地，为充分利用煤炭资源，降低燃料运输成本，哈尔滨塑料厂在鸡西郊区拟建一分厂，分厂建筑主要由煤输送支撑结构、生产车间、深加工车间、有毒气体处理及废弃排放烟囱5 部分构成。将煤输送到加工车间完成燃料的提供，生产塑料成品及二次加工，对生产期间有机物产生的有毒气体进行处理，最后通过一定高度的烟囱排放达标的气体和灰尘。依据当地常年的风向分布，5部分建筑结构的布置如图1所示。

生产车间、深加工车间、有毒气体处理及废气排放烟囱等4 部分属于常规建筑设计，这里值得一提的是煤输送支撑结构体系的布置，在招标会上下述2 个方案引起关注，一是采用钢－ 混凝土组合结构［1］的斜向上升方案，如图2 所示。二是采用剪力墙－ 框架结构的先垂直－ 后水平的方案，如图3 所示。本文从方案的合理性、造价和施工三个方面对两种方案进行了对比，最终选择了斜向上升的钢－ 混凝土组合结构方案，对角钢混凝土柱－ 预应力混凝土梁组合框架开展了静力与动力分析，静力分析中考虑了二阶效应［2］对内力的影响，采用IDAＲC 软件［3］对单跨双层框架开展了弹塑性分析，得到塑性铰的分布及破坏机制，对纵向预应力框架进行了内力分析，最后给出节点构造和施工方法，为同类工程提供参考和借鉴。

2· 两种工程方案的对比
两种方案采用的结构类型不同，方案1 采用框架结构即可实现，而方案2 有竖向电梯间，运输工业用煤，荷载量较大，因此电梯间需要剪力墙结构来实现。①轴到④轴之间离烟囱较近，灰尘量较大，甲方要求不设置房间，因此只能是裸露的框架体系。其它部位除需留有走廊外，均设置了房间，在房间数量上显然方案2 比方案1 偏多，但从满足工艺流程上，方案1 更合理些，工作效率高，需要的人员少，只需在底层上煤即可，方案2 相对复杂，需要的流程多，煤达到顶层后需要人员转到水平运输带上，大大降低了燃料的供应效率。施工上方案1 和方案2 相差不多，张锚预应力筋技术目前也比较成熟［4］。从工程造价上对比见表1。

从表1 可以看出，方案1 和方案2 的造价分别为38. 8 万元和45. 1 万元，方案2 增加的费用主要花费在框架上，可见方案1 在造价上有很大的优越性。整体上看选取斜向上升的组合框架建筑方案是合理的。
3 ·斜向预应力组合框架分析
3． 1 截面尺寸与荷载统计

角钢混凝土( ASC) 柱承载力高，多用于工业建筑结构中，本工程框架柱采用ASC 柱，依据结构布置，2层框架楼板均为双向板，其荷载传递到框架梁上。根据轴压比给出框架柱的截面尺寸为500mm × 500mm，内置对称等边角钢L 为75 × 5mm，预应力混凝土梁取为450mm × 600mm，二层梁取为300mm × 500mm，板厚取短跨的1 /50，为150mm，屋面按上人屋面考虑活载为2. 5kN/m2，一层顶承担运输煤的活荷载取为4kN/m2。经统计作用在框架上③轴的线荷载如图4 所示。经计算需布置2 × 7φs15. 2 无粘结低松弛钢绞线。
3． 2 考虑二阶效应的单跨框架柱受力分析
角钢混凝土长柱在竖向荷载作用下产生明显的横向挠度δ，加载后柱的变形引起内力的增加，称为二阶效应。因此初始弯矩称为一阶弯矩，附加弯矩称为二阶弯矩。
《混凝土结构设计规范》规定: 弯矩作用平面内截面对称的偏心受压构件，当同一主轴方向的杆端弯矩比M1 /M2不大于0. 9 且轴压比不大于0. 9 时，若构件的长细比满足式( 1) 的要求，可不考虑轴向压力在该方向挠曲杆件中产生的附加弯矩影响; 否则按截面的两个主轴方向分别考虑附加弯矩的影响。
lc /i≤34 － 12( M1 /M2) ( 1)
经验算不满足上述要求，需考虑附加弯矩的影响，偏心受压构件考虑轴向压力在挠曲杆件中产生的二阶效应后控制截面的弯矩设计值，应按下式计算:

式中各项的物理意义与参考文献［2］相同。经计算画出三种弯矩( 图5) 。图中( a) 为初始弯矩，( b) 为附加弯矩，( c) 为总弯矩。控制截面弯矩见表2。

从图5 中可以看出，考虑附加弯矩后柱中最大弯矩位置由原来的柱端移到距柱顶1 /3 处，弯矩由原来的23. 4kN·m 增大到30. 5kN·m，增大了30. 3%，附加弯矩会使控制截面发生改变，柱中配筋应以此改变后的截面的内力为准。可见二阶效应是不可忽视的。
3． 3 单跨双层框架弹塑性分析
该地区抗震设防烈度为7 度，对于重要的建筑应进行罕遇地震下的弹塑性时程分析［5］，显然框架横向单跨是薄弱的，按照建筑抗震设计规范的要求采取2条天然地震波( EL － Centro 波和Taft 波) 和1 条人工波，采用IDAＲC 二维软件建模开展单跨双层平面框架的弹塑性分析，输入角钢混凝土柱和预应力混凝土梁的恢复力模型，通过分析获得塑性铰出现的顺序及位置，如图6 所示，图中数字从小到大代表塑性铰出现的先后顺序，首先梁端出现塑性铰，随后柱底出现屈服，然后其他塑性铰陆续出现。尽管在梁和柱上均有塑性铰产生，但没出现可变的梁铰机制和可变的柱铰机制，因此框架结构的破坏机制尚未形成，从抗倒塌角度来说结构尺寸、型钢和配筋是合理可行的。通过对获得的塑性变形按式( 6) 进行验算，塑性变形为9mm，小于168mm，变形符合规范要求。最后给出防倒塌的设计施工建议［6］，在⑤轴和⑨轴与邻近的厂房连接，提供侧向约束，可增加整体的抗倒塌能力。

3． 4 纵向框架受力分析
①轴到⑤轴纵向跨度较大，同时工业荷载比常规值偏大，因此采用了4 跨连续曲线布预应力筋的方案［4］，在外力作用下的弯矩设计值如图7 所示。经计算需布置2 × 7φs15. 2 低松弛钢绞线，张拉控制应力取为0. 75σcon，为减小预应力的损失，采用两端张拉，最大预应力损失取为0. 4σcon，裂缝控制等级为三级。经验算截面配筋符合要求。

4· 组合框架构造与施工方法
角钢混凝土柱－ 预应力梁节点布置: 如果采用实腹式型钢，预应力筋在柱端将无法实现张拉，采用格构式角钢混凝土柱，预应力筋可在角钢之间通过，承载力不但满足要求，同时节点也比较好处理。当双向布置预应力筋时，要将预应力筋上下2 层错开，采用柱上梁下的原则，而且只能采用无粘结布置方式。
斜梁仅4 跨布置预应力筋，为保证混凝土浇筑的持续性，在梁上留有后浇带，待混凝土强度等级达到张拉要求时，即可张拉预应力筋，张拉后补好钢筋，用混凝土将其浇筑填平。