预应力方钢管桁架组合梁设计及应用
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２工 程 概 况
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２ ０ ５・
工 程 科 技
预 应力方钢 管桁架 组合梁设 计及应用
江云超 陈丽娜 王晓梦 （ 中国市政工程 东北设计研究总院 ， 吉林 长春 １０ ２ ） ３０ １
摘 要： 为确保在套建增层施工过程 中原房屋 的正常使 用， 避免 套建增层荷载在施 工过程 中传 至原建 筑屋盖 ， 可采用“ 工阶段 自承 施 重现浇混凝土楼盖 结构” 的设计 思想 ， 新增套建部分一层顶大梁可采用 内置预应 力方钢 管桁 架组合 梁， 与单角钢 桁架相 比 ， 方钢 管不须进 行强度折减 ， 在相 同条件下， 方钢管外边缘轮廓 明显小于角钢边长 ， 可解决 梁柱节点配筋 困难的 问题。结合某一工程 ， 出了内置预 应力 给 方钢 管桁 架的杆件设计 方法、 方钢管 中预应力筋布置思路 、 搭接形 Ｋ型节点验 算方法和 内置预应 力方钢 管桁 架一 混凝 土组合框 架梁设 计 方法， 可供 建造 同类工程时参考。 关键词 ： 内置方钢管桁架一 组合 梁； 预应 力； 节点 ； 套建
图 ２ 钢桁 架布 置 形 式 及 受 力 简 图
图 ３ 钢 桁 架在 荷 载 作 用 下 轴 力设 计 值 （ 单位 ｋ Ｎ）
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１ 述 概
既有 房屋的套建增层改造 已成 为土木工程界所关 注 的一个 热 点 问题 。套建增层可使 土地上房屋容积率增大几倍到十几倍 ， 又可 使房屋的造型与周围新建房屋相协调 。 为保证在套建增层施工过程 中原建筑 的正常使用 ， 避免套建增层荷载在施工过程 中传至原建筑 屋盖 ，采用 内置预应 力方钢管桁架组合梁作 为套 建结构一层顶 大 梁， 即以内置两榀预应力方钢管桁 架组合梁为框架梁 、 以混凝 土柱 为框架柱的框架结构型式。 框架组合梁 中的方钢管桁架可在框架 该 柱纵筋的间隙通过 ， 同时下弦杆方钢管还可充 当按直线布置预应力 筋的孔道 ， 方便按直线 布置预应力筋 的张锚 ； 同时可在方钢 管桁架 下弦下挂底模 ， 以底模 为支撑设 置侧模 ， 并 故该框架结构 套建一层 顶楼板可实 现施 工过程 中 自承重 。本 文结合某套建增层 工程 的特 点 ， 出了施工 阶段 和使 用阶段这类结构 的计算模 型 ， 给 给出了这类 结构的计算方法 、 设计思路 注 图中方钢管编号与 ３ ． ． １节相 同。） ２
图 ４ 方 钢 管 桁 架 的施 工 图
套 建部分主梁截面尺寸为 ｂ ５０ ０ｍ ； ｈ ０ １ ０ ｍ 过＠⑥ 轴柱截 Ｘ＝ Ｘ０ 面尺寸为 ｌ ０ ｍＸ１０ｍ 过④轴柱截面尺寸为 ８０ ０ ｍ Ｏ ｍ ００ ｍ， ０ ０ ８ ｍ 。 Ｘ０
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图 １ 套 （ ） 框 架 柱 与 原 建 筑 平面 关 系 扩 建
某商 场原为 五层框架 结构房 屋 ，建筑 面积 为 １０ ０ ： ０ ｍ ，建 于 １ １９ 年 。为增大商场营业厅 ， ９３ 建设单位决定 在原房屋上新增套 建四 层， 同时在 原建筑南侧扩建 ９层 ， 扩 ） 套（ 建结构为框架结构 ， （ ） 套 扩 建改造后总建筑面积为 ３ ００ ｚ （ ） １０ ｍ 。套 扩 建框架 柱与原建筑平面关 系如 图 １ 示 。 所 建筑 的抗震设防烈度为 ６度 ， 场地类别 为第 Ⅱ类场地 ， 地震设 计 分组 为第一组 。 原建筑层数为五层 ， 采用分离式套建增层 ， 若 则新 增 结构 一层底框架柱计算长度太大 ， 考虑到新 旧建筑均为钢筋混凝 土结构 ， 故决定采用协同式套建增层【 采用 内置预应 力方钢管桁架 １ 】 。 组合梁作为套建结构一层顶大梁 ， 即以内置两榀预应力方钢管桁架 组合梁为框架梁 、 以混凝土柱 为框架柱 的框架结构型式 。套建框架 跨度有 ２ ．ｍ、５２ ２ ．ｍ三种 ， ８８ ２ ． ｍ、３ ６ 新增套建一层顶框架梁采用 内置 预应力钢桁 架一混凝土组合梁 ， 新增套建二 、 、 三 四层顶框架梁采用 预应力混凝土梁 。 ３套 建 增 层 结 构 设 计 ３１ ．材料及截面尺寸选择 结 构混 凝 土设 计强 度 等级 均 为 Ｃ ０ ４ ，普 通 受力 纵筋 均 采 用 ＨＲ ３ ５级 ， Ｂ３ 箍筋均采用 Ｈ Ｂ ３ ， Ｐ ２５级 框架梁 中预应力筋采用抗拉强 度标准值 ｆ ＝ ８ ０ ／ ￣ １６ Ｎｍｍ 的 ｓ５ １ 低松弛钢绞线 ， 锚具采用 Ｘ ５夹 Ｍ１ 片锚及 相 配套 的锚 垫板 。梁 中 内置 方钢管 桁架 的上 下 弦杆采 用 Ｑ４ 钢 ， ３ ５ 其余杆件采用 Ｑ ３ ２ ５钢。
３ ． ２预应力方钢管桁 架设计 采用内置预应力方钢管桁架组合梁作为套建一层大梁 ， 新增套 建一层顶施 工的第一阶段是指就位并 张拉的预应力钢桁 架承担预 应力钢桁架 、 套建框架一层顶 大梁混凝 土 自重 、 次梁 自重 、 模板荷载 及相关施工荷载。 新增套建一层顶施工的第二 阶段是指新增套建框 图 ５ 新 增 一 层 顶 大 梁 曲线 布 置 预 应 力 筋 线 形 图 架一层顶 大梁混凝 土达到其设计强 度等级值的 ７ ％时张拉 曲线 布 ５ 置 的预应力筋 ，当曲线预应力筋张拉结束后浇筑一层板混凝土 ， 此 １０ ｍ， ０ ｍ 则钢桁架高度 ｈ １０ ｍｍ。选上下 弦轴 线处 间距 １５ ｍ ＝ ５０ ３０ ｍ。 时新增套建框架一层顶大梁已与其套建框架柱实现刚接 ， 承担新增 采用钢材型号为 Ｑ ４ 。同一根 内置钢桁架 一混凝 土组合 框架梁的 ３５ 荷 载为施工 阶段本层楼板荷载 。 两 榀外缘间距为 ７ ０ ｍ，考 虑到在使用 阶段 内置预应 力钢桁架 一 ５ｍ ３２１ ．．预应力方钢管桁架杆件设计 混凝土组合梁实现了与柱 的固接 ， 内置钢桁架长度为 ２ ． 同时 ６７ ｍ， 考 虑到 钢桁 架将 来要 被浇 注在 混凝 土梁 ，取 保护 层厚 度 为
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预 应力方钢 管桁架 组合梁设 计及应用
江云超 陈丽娜 王晓梦 （ 中国市政工程 东北设计研究总院 ， 吉林 长春 １０ ２ ） ３０ １
摘 要： 为确保在套建增层施工过程 中原房屋 的正常使 用， 避免 套建增层荷载在施 工过程 中传 至原建 筑屋盖 ， 可采用“ 工阶段 自承 施 重现浇混凝土楼盖 结构” 的设计 思想 ， 新增套建部分一层顶大梁可采用 内置预应 力方钢 管桁 架组合 梁， 与单角钢 桁架相 比 ， 方钢 管不须进 行强度折减 ， 在相 同条件下， 方钢管外边缘轮廓 明显小于角钢边长 ， 可解决 梁柱节点配筋 困难的 问题。结合某一工程 ， 出了内置预 应力 给 方钢 管桁 架的杆件设计 方法、 方钢管 中预应力筋布置思路 、 搭接形 Ｋ型节点验 算方法和 内置预应 力方钢 管桁 架一 混凝 土组合框 架梁设 计 方法， 可供 建造 同类工程时参考。 关键词 ： 内置方钢管桁架一 组合 梁； 预应 力； 节点 ； 套建
图 ２ 钢桁 架布 置 形 式 及 受 力 简 图
图 ３ 钢 桁 架在 荷 载 作 用 下 轴 力设 计 值 （ 单位 ｋ Ｎ）
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图 ４ 方 钢 管 桁 架 的施 工 图
套 建部分主梁截面尺寸为 ｂ ５０ ０ｍ ； ｈ ０ １ ０ ｍ 过＠⑥ 轴柱截 Ｘ＝ Ｘ０ 面尺寸为 ｌ ０ ｍＸ１０ｍ 过④轴柱截面尺寸为 ８０ ０ ｍ Ｏ ｍ ００ ｍ， ０ ０ ８ ｍ 。 Ｘ０
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图 １ 套 （ ） 框 架 柱 与 原 建 筑 平面 关 系 扩 建
某商 场原为 五层框架 结构房 屋 ，建筑 面积 为 １０ ０ ： ０ ｍ ，建 于 １ １９ 年 。为增大商场营业厅 ， ９３ 建设单位决定 在原房屋上新增套 建四 层， 同时在 原建筑南侧扩建 ９层 ， 扩 ） 套（ 建结构为框架结构 ， （ ） 套 扩 建改造后总建筑面积为 ３ ００ ｚ （ ） １０ ｍ 。套 扩 建框架 柱与原建筑平面关 系如 图 １ 示 。 所 建筑 的抗震设防烈度为 ６度 ， 场地类别 为第 Ⅱ类场地 ， 地震设 计 分组 为第一组 。 原建筑层数为五层 ， 采用分离式套建增层 ， 若 则新 增 结构 一层底框架柱计算长度太大 ， 考虑到新 旧建筑均为钢筋混凝 土结构 ， 故决定采用协同式套建增层【 采用 内置预应 力方钢管桁架 １ 】 。 组合梁作为套建结构一层顶大梁 ， 即以内置两榀预应力方钢管桁架 组合梁为框架梁 、 以混凝土柱 为框架柱 的框架结构型式 。套建框架 跨度有 ２ ．ｍ、５２ ２ ．ｍ三种 ， ８８ ２ ． ｍ、３ ６ 新增套建一层顶框架梁采用 内置 预应力钢桁 架一混凝土组合梁 ， 新增套建二 、 、 三 四层顶框架梁采用 预应力混凝土梁 。 ３套 建 增 层 结 构 设 计 ３１ ．材料及截面尺寸选择 结 构混 凝 土设 计强 度 等级 均 为 Ｃ ０ ４ ，普 通 受力 纵筋 均 采 用 ＨＲ ３ ５级 ， Ｂ３ 箍筋均采用 Ｈ Ｂ ３ ， Ｐ ２５级 框架梁 中预应力筋采用抗拉强 度标准值 ｆ ＝ ８ ０ ／ ￣ １６ Ｎｍｍ 的 ｓ５ １ 低松弛钢绞线 ， 锚具采用 Ｘ ５夹 Ｍ１ 片锚及 相 配套 的锚 垫板 。梁 中 内置 方钢管 桁架 的上 下 弦杆采 用 Ｑ４ 钢 ， ３ ５ 其余杆件采用 Ｑ ３ ２ ５钢。
３ ． ２预应力方钢管桁 架设计 采用内置预应力方钢管桁架组合梁作为套建一层大梁 ， 新增套 建一层顶施 工的第一阶段是指就位并 张拉的预应力钢桁 架承担预 应力钢桁架 、 套建框架一层顶 大梁混凝 土 自重 、 次梁 自重 、 模板荷载 及相关施工荷载。 新增套建一层顶施工的第二 阶段是指新增套建框 图 ５ 新 增 一 层 顶 大 梁 曲线 布 置 预 应 力 筋 线 形 图 架一层顶 大梁混凝 土达到其设计强 度等级值的 ７ ％时张拉 曲线 布 ５ 置 的预应力筋 ，当曲线预应力筋张拉结束后浇筑一层板混凝土 ， 此 １０ ｍ， ０ ｍ 则钢桁架高度 ｈ １０ ｍｍ。选上下 弦轴 线处 间距 １５ ｍ ＝ ５０ ３０ ｍ。 时新增套建框架一层顶大梁已与其套建框架柱实现刚接 ， 承担新增 采用钢材型号为 Ｑ ４ 。同一根 内置钢桁架 一混凝 土组合 框架梁的 ３５ 荷 载为施工 阶段本层楼板荷载 。 两 榀外缘间距为 ７ ０ ｍ，考 虑到在使用 阶段 内置预应 力钢桁架 一 ５ｍ ３２１ ．．预应力方钢管桁架杆件设计 混凝土组合梁实现了与柱 的固接 ， 内置钢桁架长度为 ２ ． 同时 ６７ ｍ， 考 虑到 钢桁 架将 来要 被浇 注在 混凝 土梁 ，取 保护 层厚 度 为