預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展

1、預(yù)應(yīng)力大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與展望項(xiàng)目簡介：本文主要闡述了我國預(yù)應(yīng)力大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用與發(fā)展的基本情況。這些預(yù)應(yīng)力空間鋼結(jié)構(gòu)包括有預(yù)應(yīng)力網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、斜拉網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、索穹頂結(jié)構(gòu)、張弦梁結(jié)構(gòu)、弓式預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)等。最后,本文展望了新世紀(jì)的預(yù)應(yīng)力空間鋼結(jié)構(gòu)。 預(yù)應(yīng)力大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)是把現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力技術(shù)應(yīng)用到例如網(wǎng)架、網(wǎng)殼等網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、索、桿組成的張力結(jié)構(gòu)、立體桁架結(jié)構(gòu)等一類大跨度結(jié)構(gòu),從而形成一類新型的、雜交的預(yù)應(yīng)力大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)體系。這一類結(jié)構(gòu)受力合理、剛度大、重量輕,制作安裝也比較方便,在近十多年來得到開發(fā)與發(fā)展,并在大跨度、大柱網(wǎng)的公共與工業(yè)建筑中得到應(yīng)用,且受到國內(nèi)外科技界和工程界的關(guān)注和重視,其

2、推廣應(yīng)用和發(fā)展前景是無比廣闊的。采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)于大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)具有如下的特色和優(yōu)勢:(1)可以改變結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài),滿足設(shè)計(jì)人員所要求的結(jié)構(gòu)剛度、內(nèi)力分布和位移控制。(2)通過預(yù)應(yīng)力技術(shù)可以構(gòu)成新的結(jié)構(gòu)體系和結(jié)構(gòu)形態(tài)(形式),如索穹頂結(jié)構(gòu)等。可以說,沒有預(yù)應(yīng)力技術(shù),就沒有索穹頂結(jié)構(gòu)。(3)預(yù)應(yīng)力技術(shù)可以作為預(yù)制構(gòu)件(單元桿件或組合構(gòu)件)裝配的手段,從而形成一種新型的結(jié)構(gòu),如弓式預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)。(4)采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)后,或可組成一種雜交的空間結(jié)構(gòu),或可構(gòu)成一種全新的空間結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)的用鋼指標(biāo)比原結(jié)構(gòu)或一般結(jié)構(gòu)可大幅度降低,具有明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。 預(yù)應(yīng)力空間鋼結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力的施加方法通常有兩種:一種是在

3、預(yù)應(yīng)力索、桿上直接施加外力,從而可調(diào)整改善結(jié)構(gòu)受力狀態(tài),致使內(nèi)力重分布,或者形成一種新的具有一定內(nèi)力狀態(tài)的結(jié)構(gòu)形式;另一種是通過調(diào)整已建空間結(jié)構(gòu)支座高差,改變支承反力的大小,從而也可使結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布,達(dá)到預(yù)應(yīng)力的目的。預(yù)應(yīng)力網(wǎng)格結(jié)構(gòu) 現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力技術(shù)與空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)(包括網(wǎng)架與網(wǎng)殼)相結(jié)合便可構(gòu)成預(yù)應(yīng)力網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。通常施加預(yù)應(yīng)力的方案有兩種:一種是在網(wǎng)架的下弦平面下設(shè)置預(yù)應(yīng)力索,如圖1a所示,也可在網(wǎng)殼的周邊設(shè)置預(yù)應(yīng)力索,如圖1b所示,通過張拉預(yù)應(yīng)力索建立與外載作用反向的內(nèi)力和撓度;另一種是通過網(wǎng)格結(jié)構(gòu)支座高差強(qiáng)行調(diào)整就位(通常為盆式擱置就位,在使用階段達(dá)到支座最終反力趨向于均勻化),使網(wǎng)格結(jié)構(gòu)建立

4、預(yù)加應(yīng)力,如圖1c所示。預(yù)應(yīng)力網(wǎng)格結(jié)構(gòu)有下列特點(diǎn):(1)可采用高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力拉索作為網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的主要受力桿件,以降低材料耗量。(2)可采用多次分批施加預(yù)應(yīng)力及加荷的原則(多階段設(shè)計(jì)原則),使桿件反復(fù)受力,并在使用荷載下達(dá)到最佳內(nèi)力狀態(tài)。(3)通過預(yù)應(yīng)力技術(shù)可提高整個(gè)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的剛度,減小結(jié)構(gòu)撓度。(4)對(duì)于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)可解決水平推力問題,適當(dāng)配置支座滑動(dòng)構(gòu)造措施,利用預(yù)應(yīng)力技術(shù)可形成無水平反力的自平衡結(jié)構(gòu)體系。(5)對(duì)于采用改變支座就位高差,調(diào)整結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布的施加預(yù)應(yīng)力方案,是一種最經(jīng)濟(jì)的預(yù)應(yīng)力方法。此時(shí),對(duì)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)無需增加任何桿件和零部件材料。預(yù)應(yīng)力網(wǎng)格結(jié)構(gòu)有下列特點(diǎn):(1)可采用高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力拉索作為

5、網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的主要受力桿件,以降低材料耗量。(2)可采用多次分批施加預(yù)應(yīng)力及加荷的原則(多階段設(shè)計(jì)原則),使桿件反復(fù)受力,并在使用荷載下達(dá)到最佳內(nèi)力狀態(tài)。(3)通過預(yù)應(yīng)力技術(shù)可提高整個(gè)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的剛度,減小結(jié)構(gòu)撓度。(4)對(duì)于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)可解決水平推力問題,適當(dāng)配置支座滑動(dòng)構(gòu)造措施,利用預(yù)應(yīng)力技術(shù)可形成無水平反力的自平衡結(jié)構(gòu)體系。(5)對(duì)于采用改變支座就位高差,調(diào)整結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布的施加預(yù)應(yīng)力方案,是一種最經(jīng)濟(jì)的預(yù)應(yīng)力方法。此時(shí),對(duì)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)無需增加任何桿件和零部件材料。斜拉網(wǎng)格結(jié)構(gòu)將斜拉橋技術(shù)及預(yù)應(yīng)力技術(shù)綜合應(yīng)用到網(wǎng)格結(jié)構(gòu)而形成一種形式新穎、協(xié)同工作的雜交空間結(jié)構(gòu)體系,可稱為斜拉網(wǎng)格結(jié)構(gòu),它也是一種內(nèi)部空間

6、寬廣、造型新奇、頗有景點(diǎn)特色的大跨度建筑結(jié)構(gòu)。對(duì)于斜拉網(wǎng)格結(jié)構(gòu),這些年來結(jié)合工程和課題作了深入的研究(1)通常由塔柱、拉索、網(wǎng)格結(jié)構(gòu)三部分協(xié)調(diào)組合而成的雜交空間結(jié)構(gòu)。(2)可充分發(fā)揮鋼拉索的高強(qiáng)度和施加預(yù)應(yīng)力的優(yōu)勢,以降低鋼材用量。(3)可在網(wǎng)格結(jié)構(gòu)區(qū)域內(nèi)反向地面增加支承點(diǎn),分割結(jié)構(gòu)跨度,減小結(jié)構(gòu)撓度,降低桿件內(nèi)力峰值。(4)通過張拉拉索,建立預(yù)加內(nèi)力和反拱撓度,可部分抵消外載作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和撓度。(5)在任意荷載工況下,不使拉索出現(xiàn)松馳,退出工作,為此通常需對(duì)拉索施加預(yù)應(yīng)力。(6)在承受向上、向下風(fēng)荷載都很大且由風(fēng)荷載控制設(shè)計(jì)時(shí)的斜拉網(wǎng)格結(jié)構(gòu),必要時(shí)尚應(yīng)設(shè)置施加一定預(yù)應(yīng)力的穩(wěn)定索。(7)拉

7、索敷設(shè)宜多方位布置,切忌平面布索和單方向布索。(8)拉索的傾角不宜太小,一般宜大于25,否則將導(dǎo)致彈性支承作用減弱、內(nèi)力過大和連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造上的困難。浙江黃龍?bào)w育中心體育場為我國目前跨度較大的斜拉網(wǎng)殼,兩塔柱間的距離達(dá)250米,每塊月牙形網(wǎng)殼上弦面上巧妙地設(shè)置了九道穩(wěn)定索以抵抗向上的風(fēng)荷載。深圳市游泳跳水館采用了由縱橫向立體桁架系、四根桅桿及十六根斜拉鋼棒(其中四根又各再分為三根)組合的雜交空間結(jié)構(gòu),見圖3。索穹頂結(jié)構(gòu)由美國工程師蓋格爾首次研究開發(fā)的索穹頂結(jié)構(gòu)用于1988年韓國漢城奧運(yùn)會(huì)體操館(直徑120米)和擊劍館(直徑90米)。它由中心環(huán)、受壓圈梁、脊索、谷索、斜拉索、環(huán)向拉索、立柱和扇形膜

8、材所組成,見圖4。此后,美國工程師李維進(jìn)一步開發(fā)了雙曲拋物面張拉整體穹頂用于1996年美國亞特蘭大奧運(yùn)會(huì)主體育館喬治亞穹頂(240米193米橢圓形平面)。它與索穹頂不同的有四點(diǎn):一是適用于橢圓形平面,二是以兩向斜交的上弦索網(wǎng)代替脊索與谷索,三是要增設(shè)中央桁架,四是以平面投影為菱形的膜材代替扇形膜材,見圖5。張弦梁結(jié)構(gòu) 張弦梁結(jié)構(gòu)是最近幾年發(fā)展起來的大跨度鋼結(jié)構(gòu),它可用于屋蓋結(jié)構(gòu),見圖6a,也可用于樓層結(jié)構(gòu)見圖6b,還可用于墻體結(jié)構(gòu)(如玻璃幕墻的立柱)。張弦梁結(jié)構(gòu)具有如下一些特點(diǎn):(1)張弦梁由下弦索、上弦梁和豎腹桿組成,索為受拉、桿為受壓的二力桿,上弦梁為壓彎桿件。(2)通過拉索的張拉力,使豎

9、腹桿產(chǎn)生向上的分力,導(dǎo)致上弦梁產(chǎn)生與外荷載作用下相反的內(nèi)力和變位,以形成整個(gè)張弦梁結(jié)構(gòu)及提高結(jié)構(gòu)剛度,通常情況下下弦索為一向下的圓弧線(實(shí)際上為折線多邊形)。(3)屋面應(yīng)設(shè)置支撐體系以保證平面外的穩(wěn)定性。(4)宜采用多階段設(shè)計(jì),分析計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮幾何非線性影響。(5)在支座處宜采取必要的暫時(shí)的或永久的構(gòu)造措施,在預(yù)應(yīng)力及外荷載作用下(指自重等屋面荷載作用下)形成自平衡體系,不產(chǎn)生水平推力。(6)上弦梁可改用立體桁架,此時(shí)張弦梁便成為帶拉索的桿系張弦立體桁架,可使結(jié)構(gòu)計(jì)算及構(gòu)造得到簡化。(7)可從平面張弦梁結(jié)構(gòu)發(fā)展到空間張弦梁結(jié)構(gòu),如兩向正交正放張弦梁系結(jié)構(gòu)等。弓式預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)是我國科技人員研制、

10、開發(fā)的一種矩形截面格構(gòu)式空間拱結(jié)構(gòu),連同縱向支撐和系桿檁條,可構(gòu)成圓柱面屋蓋結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)已成為北京智維新弓式結(jié)構(gòu)公司的專利產(chǎn)品,其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下:(1)弓式預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)由兩節(jié)間的預(yù)制拱片、水平系桿、起橫膈作用的節(jié)點(diǎn)體及串段拉筋組成,兩片拱片、上下水平系桿及兩片節(jié)點(diǎn)體可構(gòu)成一段矩形截面格桿式空間桁架。(2)拱片、節(jié)點(diǎn)體等均可工廠制造,在現(xiàn)場地面施工,逐段組裝,空中成形弓式預(yù)應(yīng)力格構(gòu)式拱結(jié)構(gòu)。(3)串段拉筋一方面可作為安裝用的連接筋,另一方面又可作為預(yù)加應(yīng)力的拉筋。(4)在弓式預(yù)應(yīng)力格構(gòu)式拱結(jié)構(gòu)間加上上弦系桿(檁條)及縱向支撐(交叉拉筋),便可形成圓柱面局部雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。(5)要進(jìn)行施工安裝階段的全過程

11、分析,施工安裝階段可按兩端簡支逐步增長的曲拱計(jì)算(使用階段通常按兩端固定的無鉸拱計(jì)算)。(6)可由小(輕)型桿件、且無需大型吊裝設(shè)備,便可組裝成大跨度空間結(jié)構(gòu),施工安裝速度快。(7)可適用于永久性建筑,也可適用于可裝拆的臨時(shí)性建筑。(8)用鋼量與同等跨度的柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)相當(dāng),但水平推力減小,桿件均采用小型方鋼管和圓鋼筋,現(xiàn)場無焊接工作量,施工費(fèi)用低廉,綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較好。我國已建成的弓形預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)近20幢,其中有代表性是:烏魯木齊石化總廠游泳館,跨度80m,用鋼指標(biāo)43.5kg/m2;北京國展中心八號(hào)館,跨度60m,用鋼指標(biāo)31.7kg/m2;釣魚臺(tái)國賓館網(wǎng)球館,跨度40m,用鋼指標(biāo)32.5

12、kg/m2;在東北還進(jìn)行了165m跨度弓形預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的試拼裝。展望(1)應(yīng)進(jìn)一步提高和完善在我國已有規(guī)模應(yīng)用的預(yù)應(yīng)力、斜拉網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、張弦梁結(jié)構(gòu)和弓式預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)。(2)要研究探索預(yù)應(yīng)力空間鋼結(jié)構(gòu)的新材料(如膜材、粗鋼棒等)、新結(jié)構(gòu)、新節(jié)點(diǎn)、新工藝,在創(chuàng)新上下功夫。3)要研究解決預(yù)應(yīng)力空間鋼結(jié)構(gòu)中尚未獲得圓滿解決的前沿課題:風(fēng)振、抗震、結(jié)構(gòu)控制、結(jié)構(gòu)找形和優(yōu)化,提供實(shí)用的分析設(shè)計(jì)計(jì)算方法及其相應(yīng)的程序系統(tǒng)。(4)考慮到預(yù)應(yīng)力大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)常用于體育場館、航站樓、會(huì)展中心等一類公共性的窗口建筑,代表著一個(gè)國家和地區(qū)建筑技術(shù)水平。因此,結(jié)構(gòu)工程師與建筑師必須密切合作,多種技術(shù)學(xué)科也必須交叉、配合,這樣才能創(chuàng)建具有時(shí)代特征的、高科技含量的新穎空間結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)代預(yù)應(yīng)力建筑鋼結(jié)構(gòu)的研究簡介：1、初始形態(tài)的確定：預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)可分為三個(gè)階段（零態(tài)、初始態(tài)、荷載態(tài)），初始態(tài)是結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力后之后的狀態(tài)，結(jié)構(gòu)初始形態(tài)的確定是一個(gè)找力的過程，即初始預(yù)應(yīng)力分布的確定過程。2、合理預(yù)應(yīng)力度的選?。侯A(yù)應(yīng)力度的選取與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目標(biāo)有關(guān)，屬于結(jié)構(gòu)優(yōu)化的范疇，在預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)中，預(yù)應(yīng)力度的優(yōu)化有數(shù)學(xué)規(guī)劃法、優(yōu)化準(zhǔn)則法、仿生學(xué)法。3、結(jié)構(gòu)張拉成型過程的研究現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的發(fā)展探討：1、加強(qiáng)新