预应力钢筋砼折线形屋架图集代换设计方案的优化

摘要：运用新、老砼结构设计规范，结合工程实践，对G415国标图集构件对比计算和评价，提出高效予应力代换设计和应用中应注意的若干问题，以达到代换设计方案的完善和优化。

关键词：高效予应力;强度承载力;抗裂承载力;予应力度

运用微机等现代化设计和管理手段，使构件生产的多样化变得简单易行。我国有关部门已着手对予应力砼屋架等传统图集，按现行新规范，运用高效予应力技术重新设计。但在过渡时期，对原图采取高效予应力代换，快捷、简便、易予推广。笔者结合予应力屋架图集（省标）代换设计方案如何优化的问题予以论述。

1代换设计的必要性

1.1满足新的建筑功能需求

原图集的屋架设计可能无法提供足够的净空高度或满足新的工艺布局需求，需要通过代换设计优化屋架结构尺寸与形式。

1.2适应新材料与新技术应用

新型预应力钢筋、高性能混凝土等材料不断涌现，其力学性能和施工工艺与传统材料有所不同。同时，先进的施工技术如预制装配技术、智能监测技术等也为屋架设计提供了新的思路。代换设计可以将这些新材料与新技术融入其中，提升屋架的性能与质量。

2 屋架施工

2.1 施工材料及要求

由于屋架混凝土强度为C50， 要求较高， 需对混凝土原材料进行严格控制。

1） 水泥：采用不低于42.5号普通硅酸盐水泥。

2） 粗、细骨料：细骨料采用优质河砂， 粗骨料采用采石场的碎石（玄武岩）， 其粒径和硬度满足设计要求。河砂及碎石的含泥量必须小于3%， 在混凝土拌制前碎石采用自来水冲洗干净， 以最大限度降低碎石含泥量。粗、细骨料需经试验确定各项参数， 满足设计要求后方可使用。特别注意颗粒级配的指标要求。

该混凝土配合比的参数为：水灰比0.30， 砂率31%， 坍落度30～50mm， 属于干硬性混凝土。调整后的每立方混凝土施工配合比 （用量） 为：水泥500kg、河砂550kg、碎石1 225kg、QX-1 （粉剂） 4kg：水150kg， QX-1：昆明千禧混凝土外加剂厂的高效减水剂， 掺量为水泥用量的0.8%。

2.2 屋架制作

1）每边宽出屋架边缘100cm， 胎膜顶面采用细石混凝土找平， 并刮一层石灰膏隔离层。其余部分模板采用50mm厚标准木板拼接。当上一榀屋架混凝土达到设计强度的30%， 方可拆除模板进行下一榀屋架的重叠施工。模板需刷脱模剂 （废机油） ， 屋架之间用石灰膏作为隔离层， 要求平整、光滑， 以保证每榀屋架在张拉时能相互脱开。

2） 钢筋绑扎及预埋件安装。严格按照设计图纸和施工规范、规程的要求进行施工， 屋架两端各设置一块10mm厚钢板， 下弦杆钢筋与钢板采用塞焊连接， 钢板上预留4个54的孔洞。屋架上弦主筋搭接长度按36d计算且不小于300mm， 在同一截面内接头的面积为25%， 接头中心之间的距离不小于48d， 接头左右500mm范围内箍筋间距加密间距为@50mm。预应力钢筋采用机械套筒连接屋架两端各设置8个一级钢直径8@50 mm×50mm钢筋网片， 间距50mm， 网片点焊成型， 预制腹杆两端伸入节点长度不小于100mm。

3） 屋架孔道的留设。在钢筋和模板制作并校正完毕后， 即可留设孔道， 螺栓孔采用40普通橡胶管， 按图纸位置将胶管安装就位， 并在胶管内放置1根钢筋， 钢筋伸入预先钻好孔的木板内， 该木板与屋架模板固定牢固。预应力钢筋孔道采用金属波纹管。

4） 混凝土浇筑。由于屋架一次浇筑的混凝土量较小， 且强度高， 因此屋架混凝土采用JZ350强制式搅拌机现场拌制， 配料前碎石需用清水冲洗， 使碎石中的含泥量低于规范要求。

3优化思路与方法

3.1结构计算优化

3.1.1准确取值荷载：根据工程所在地的气象资料、地形条件等，结合相关荷载规范，准确确定屋面活荷载、雪荷载、风荷载等取值。同时，考虑施工过程中的临时荷载以及可能出现的特殊荷载，确保荷载取值全面、合理。

3.1.2 建立精确计算模型：利用先进的结构分析软件，建立考虑屋架节点刚性、次应力等因素的精确计算模型。通过有限元分析等方法，对屋架在各种荷载工况下的受力和变形情况进行详细分析，准确评估屋架的结构性能，为设计提供可靠依据。

3.2材料选用优化

3.2.1合理选择钢筋：根据结构计算结果，综合考虑钢筋的强度、延性、套丝等工艺及性能指标，合理选择钢筋品种和强度等级。在满足结构设计要求的前提下，优先选用高强度钢筋，以减少钢筋用量，降低成本。同时，注意钢筋的代换原则，确保代换后的钢筋性能与原设计相当。

3.2.2 优化混凝土强度等级：根据屋架的受力特点和使用环境，通过技术经济分析，合理选择混凝土强度等级。

3.3构造措施优化

3.3.1确保锚固长度：严格按照规范要求，根据预应力钢筋的种类、直径、混凝土强度等级等因素，准确计算预应力钢筋的锚固长度，并在设计中采取有效的锚固措施，如设置锚固端、增加锚固长度等，确保预应力钢筋的锚固可靠。

3.3.2优化节点构造：对屋架节点进行详细设计，合理确定节点板尺寸、形状和连接方式。增加节点板的厚度和强度，确保连接焊缝的质量，提高节点的承载能力和抗震性能。同时，在节点处设置加劲肋等构造措施，增强节点的刚度和稳定性。

4实际工程案例分析

4.1工程概况

某工业厂房采用预应力钢筋砼折线形屋架，原设计采用某一标准图集。由于工程变更，需要进行图集代换设计。厂房跨度为24m，柱距为6m，屋面采用彩色压型钢板，活荷载取值为0.5kN/m²，雪荷载取值为0.35kN/m²，风荷载基本风压为0.4kN/m²。

4.2原代换设计方案

原代换设计方案在结构计算时，荷载取值基本按照规范下限取值，计算模型较为简单，仅考虑了主要受力构件的作用。在材料选用方面，钢筋采用低强度等级钢筋，混凝土强度等级选择过高。构造措施方面，锚固长度和节点构造设计基本满足规范要求，但存在一定的安全隐患。

4.3优化后的代换设计方案

4.3.1结构计算优化：重新准确计算荷载，考虑了施工过程中的临时荷载。采用有限元软件建立精确计算模型，对屋架的受力和变形进行详细分析。

4.3.2材料选用优化：选用高强度钢筋，减少了钢筋用量。根据结构受力特点，合理降低了混凝土强度等级，降低了成本。

4.3.3构造措施优化：严格按照规范要求确定锚固长度，并增加了锚固措施。对节点构造进行了优化，增强了节点的承载能力和稳定性。

4.4对比分析

4.4.1结构性能对比：通过对原代换设计方案和优化后的代换设计方案进行结构性能分析，结果表明，优化后的方案在承载能力、变形性能和抗震性能等方面均有明显提高。在相同荷载作用下，优化后的屋架变形更小，应力分布更均匀。

4.4.2 成本对比：对两种方案的材料成本和施工成本进行核算，优化后的方案由于减少了钢筋和混凝土用量，同时降低了施工难度，成本降低了约15%。

4.4.3 施工便利性对比：优化后的方案在施工过程中，由于钢筋和混凝土用量减少，施工操作更加方便，施工进度明显加快。

结语

在施工过程中， 严格按照屋架的技术方案组织实施， 并根据现场实际情况对各参数进行实时调整， 真正做到科学、合理， 精细化施工。通过严谨的技术管理， 使得屋架的施工质量、安全、进度等均得到了有效控制， 在一定程度上也降低了施工成本。

参考文献

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