某冰球馆预应力次梁结构分析

刘 晟

(上海同济开元建筑设计有限公司，上海 200092)

某冰球馆预应力次梁结构分析

刘 晟

(上海同济开元建筑设计有限公司，上海 200092)

基于MIDAS GEN，对某冰球馆24 m跨预应力次梁结构进行了计算分析，对预应力次梁结构体系进行了整体建模，真实地考虑梁端的水平及竖向加腋，对预应力张拉与竖向加载全过程进行了模拟，得到了张拉完成后的有效预应力及使用阶段结构的内力分布，并应用于实际设计，收到了良好的使用效果。

预应力次梁体系，MIDAS，结构设计方法，冰球馆

1 工程概况

某冰球馆主赛场下方局部为冰球训练馆，训练馆为跨度24 m的无柱空间，根据建筑功能的要求，24 m跨框架梁的梁高需控制在1.5 m以内，跨高比高达16。由于训练馆上方主赛场楼面面层荷载与活荷载均较大，且框架梁抗震等级为一级，普通的框架梁及通常采用的预应力主梁结构体系均难以满足结构的承载力、使用性能以及框架梁梁端最大配筋率、受压区高度等抗震要求。为降低梁高，增加使用空间，同时改善结构的使用性能，设计中采用了主梁和次梁均施加预应力的预应力次梁结构体系[1]。预应力主梁截面为700 mm×1 500 mm，预应力次梁截面为600 mm×1 500 mm。为了降低框架梁梁端的受压区高度，提高地震作用下结构的延性，在框架梁梁端的水平及竖向均设置了加腋，其中水平加腋为梁顶500 mm范围内，尺寸为3 300 mm(长)×825 mm(宽)，竖向加腋为全截面，尺寸为3 000 mm(长)×300 mm(高)。

本工程预应力次梁结构体系中预应力框架梁抗震等级为一级，预应力框架梁及次梁的裂缝控制等级分别为二级Ⅱ类(裂缝宽度限制为0.1 mm)[2，3]。预应力的施工采用有粘结预应力后张法。混凝土强度等级为C40，混凝土轴心抗拉强度标准值ftk=2.39 MPa，混凝土轴心抗压强度设计值fc=19.1 MPa，预应力筋采用φs15.2高强低松弛预应力钢绞线，钢绞线强度标准值fptk=1 860 N/mm2;普通钢筋强度设计值fy=360 MPa。

目前该冰球馆已经竣工并投入运营，使用效果良好。图1为训练馆内场实景。

2 有限元模型

采用MIDAS GEN(7.1.2)建立有限元模型如图2所示。梁、柱均采用梁单元进行模拟，预应力钢绞线采用索单元进行模拟。与传统的手算方法对比，有限元模型真实地考虑了主梁梁端在水平和竖向的加腋，提高了计算的精度。

典型的预应力主梁YKL1以及次梁YL1的预应力筋的布置如图3所示。预应力主要采用两端张拉，其张拉控制应力为1 395 N/mm2。

结构自重由软件自动计算，楼面的恒荷载标准值为12.85 kN/m2，活荷载标准值为4.0 kN/m2。

3 主要分析结果

3.1 有效预应力

通过预应力张拉阶段的有限元分析，可以得到预应力梁沿整个线形的预应力分布。与传统的手算计算预应力损失的方法相比，有限元计算更为便捷、全面、直观。

取其中典型的一榀预应力主梁YKL1及一榀预应力次梁YL1为研究对象。YKL1采用线形1(2-14φs15.2)和线形2(1-14φs15.2)两种线形，为了降低梁端的受压区高度，其中线形2在梁端下弯，如图3a)所示。两种线形的有效预应力如图4所示。线形1(2-14φs15.2)和线形2(1-14φs15.2)折算有效预应力分别为1 020 MPa和1 070 MPa，预应力的损失约为26%和22%。YL1的预应力筋线形如图3b)所示，有效预应力的分布如图5所示。YL1折算有效预应力为1 010 MPa，预应力损失约为28%。

3.2 结构内力

目前，工程设计中预应力混凝土结构的内力计算仍大多采用手算方法，具体流程如下：

1)采用常规设计软件对结构进行建模计算，计算中不考虑预应力的影响；

2)考虑到预应力次内力的影响，将软件计算得出的弯矩乘以修正系数，其中梁端弯矩的修正系数约0.9，跨中弯矩的修正系数约为1.2。此方法能够考虑预应力次内力的影响，但仅为估算，精度较差。采用有限元方法进行建模，模型可以真实地反映周边结构对预应力梁的约束作用，内力计算结果更为精确。

图6和图7为MIDAS软件计算得出的预应力主梁YKL1和预应力次梁YL1在标准荷载作用下的弯矩及轴力分布。从图中可以看出YKL1在支座处为设计控制截面，弯矩最大值为2 113 kN·m，YL1在靠近支座1/5跨处弯矩最大，为390 kN·m。YKL1和YL1轴力的最大值分别为3 327 kN和2 312 kN，约为钢绞线拉力的52%和43%，可见有相当一部分的预应力由梁传递至楼板。YKL1和YL1的轴力沿全长的分布均呈现出两端最大，往中部逐渐减小的趋势，这表明越靠近中部，楼板所承受的预应力越大。

采用MIDAS计算得出的内力作为依据，进行了配筋设计，并对结构的承载力及使用性能进行了复核，结果可以满足现行规范要求。

4 结语

基于有限元计算软件MIDAS GEN，本文对某冰球馆预应力次梁结构体系进行了分析，主要得到以下结论，希望能为类似工程提供参考。

1)采用预应力次梁结构体系，可以在普通预应力框架梁的基础上进一步有效地降低梁高，以满足建筑使用空间的要求。

2)采用有限元计算软件MIDAS GEN进行计算分析，可以真实考虑梁端在水平及竖向加腋，并准确地反映周边结构预应力梁的约束作用，计算更为精确。

3)计算得到了预应力沿整个线形的分布，预应力主梁的预应力损失约为22%～26%，预应力次梁的预应力损失约为28%。

4)预应力有相当一部分由梁传递至楼板，预应力主梁和次梁的轴力分别为钢绞线拉力的52%和43%。轴力沿全长呈现出两端最大，往中部逐步减小的趋势。

[1] 薛伟辰.现代预应力结构设计[M].北京:中国建筑工业出版社，2003.

[2] GB 50011—2010，建筑抗震设计规范[S].

[3] GB 50010—2010，混凝土结构设计规范[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

刘 晟(1982- )，男，硕士，工程师

1009-6825(2015)09-0042-03

TU311

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