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预应力拉索的钢结构在大悬挑结构改造工程中的应用与技术

文章出处:人气:6发表时间:2017-11-24 22:28:04

  1. 工程概述

  在北京西单某大厦建于上世纪90年代中期,为12层框支-剪力墙结构体系,在正常使用10余年后,由于更换了业主,建筑使用功能发生了很大改变。根据新业主的使用需求,需要在原有结构的外侧临街面,自二层至四层位置增设约4.4米左右的悬挑,此空间作为橱窗展示之用,设计活荷载2kN/m2。

  2. 技术方案确定

  经过多种结构方案试算与比对,综合考虑技术可行性、经济可行性与施工工期的影响,确定采用预应力拉索-钢结构组合的结构改造方案。即在结构3、4、5层框架柱外侧增设焊接工字钢组成的纵横向框架悬挑梁,在层与层之间柱根部与钢梁外边缘增设8道预应力拉索,钢梁与原有混凝土柱采用包钢板的方法作为连接节点,拉索与钢结构采用耳板连接。在钢梁安装完成后,对拉索施加预应力,预应力大小的确定服从以下原则:其一是设计荷载组合下钢结构应力满足,其二是悬挑端在荷载标准组合下的挠度满足规范要求,其三是设计荷载组合下拉索应力满足足够的安全储备(不小于2.5)。

  3. 结构设计计算

  由于此结构方案涉及到原结构的承载能力,改造后结构的承载能力与变形,材料有混凝土结构、钢结构和预应力拉索,节点设计也较为复杂。故整体结构计算采用Midas/gen 7.30程序完成,主要是验算钢结构截面尺寸,确定预应力拉索预拉力大小等。

  计算荷载取值和荷载组合如下:

  恒荷载D:结构自重:程序自动计算

  屋面恒载:按150mm厚混凝土板

  玻璃幕墙:1.0 kN/㎡

  活荷载L:楼面活载:2.0kN/㎡

  荷载组合如下表:

  组合1

  1.35D + 1.4(0.7)L

  组合2

  1.2D + 1.4L

  组合3

  1.0D + 1.0L

  根据计算分析结果,综合考虑结构竖向位移,钢结构应力和拉索索力三个判断因素,得出如下结论:

  1)在恒荷载和活荷载标准组合作用下(组合3),最大向下位移18mm<20mm,结构变形满足要求;

  2)拉索最大拉力169KN,最小拉力77 KN,拉索强度满足要求;

  3)钢结构最大压应力为77MPa,满足要求。

  拉索采用316级不锈钢拉索,直径为30mm。

  4. 节点设计

  本工程为在既有结构外侧增加悬挑空间,原有结构的外柱为圆形混凝土结构,而且柱周边有三个方向的混凝土框架梁,新结构与既有结构可靠连接是本工程质量和安全的关键所在。根据实际情况,混凝土与钢结构之间连接节点设计了环向180度抱箍的形式,即采用半圆形钢板通过锚栓与焊接相结合的形式实现钢结构与混凝土结构的过度,总共根据需要设计了4种类型的钢节点。

  5. 主要施工技术

  本工程综合采用了钢结构、预应力拉索、化学锚栓植筋等多种技术,在施工中要合理安排施工工序,确保施工质量;而且处于外悬挑高空作业,施工安全也非常重要。

  总体施工顺序如下:外架支撑和防护网搭设-化学锚栓植筋—安装钢节点-安装钢梁-安装拉索-拉索张拉-喷涂防火涂料-拆除支撑-施工完成。

  6. 小结

  1)本工程在既有混凝土结构外侧增加达4.4米悬挑结构,属于特种改造工程,结构及节点均较为复杂,必须精心设计精心施工才能确保结构安全可靠。

  2)预应力技术在加固改造工程中,在一定的应用范围内可以发挥不可替代的作用,本工程中采用不锈钢体外预应力拉索技术,大幅度降低了悬挑结构截面和重量。

  3)对此类改造工程,节点设计是重点之一,尤其是针对不同材料之间的节点连接设计。

  4)目前本工程已经正常使用近2年,验证了当初结构设计与施工的质量是可靠的。

  5)通过本工程的设计与施工实践,可以为以后同类工程提供一定的参考。

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