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鋼結構設計:預應力鋼結構發展現狀
日期:2020-07-24 人氣:172 收藏

中國鋼構網訊:目前預應力鋼結構發展迅速, 

應用廣泛。本文通過對預應力鋼結構的應用、特點、類型、經濟效益進行闡述, 提出了尚待開發與研究的領域, 隨著科技進步,工業發展, 

預應力鋼結構學科將更加深入地發展和提高。

  關鍵詞:鋼結構; 預應力鋼結構

  鋼結構本身具有較為優越的特點, 

是一種比較理想的結構。目前廣應用于橋梁、電視臺、體育館以及各種大跨度結構和高層結構中。而將預應力技術引入鋼結構, 能使鋼材的拉、壓強度同時得到充分利用, 

還能調節結構的剛度, 有效節約鋼材, 增加結構穩定性, 減少結構變形。預應力鋼結構家族中的索膜體系、吊掛體系和網架網殼體系, 還以其新穎奇巧的建筑造型, 

有著強烈的美感。在當前的大規模工程建設中有著非常廣闊的應用前景。

  1.預應力鋼結構發展概況

  預應力技術不僅局限于混凝土結構, 

而且廣泛應用于鋼結構中。預應力鋼結構隨著科學技術的飛速發展, 工程建設要求擴大鋼結構的應用, 而又應該盡量節約鋼材。解決矛盾的主要途徑是: 

不斷研究和改進現有的鋼結構型式和設計理論, 并創造新型的鋼結構形式( 包括組合或復合結構) 。除節約鋼材減輕自重外, 還擴大其應用的范圍, 

創造新型的獨特建筑風格。在此過程中, 預應力技術必不可少, 

各種型式的預應力鋼結構或預應力組合結構的研究與應用也應運而生。五六十年代預應力鋼結構學科的研究工作開展較為廣泛, 

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從實腹梁、桁架等領域擴展到鋼架、懸索結構、大跨空間結構、塔桅結構、高層建筑、橋跨結構、起重設備結構、儲液庫和大直徑高壓管道結構等領域。發展初期, 

各國都偏重于理論和基本桿件的研究和試驗, 以后逐步進入實用階段?,F在世界各地已陸續興建了不少預應力鋼結構工程。我國在50 年代后期, 

也開始預應力鋼結構的研究與開發, 

并在一批工礦企業的運輸斜棧橋和吊車梁上采用了預應力技術。同時對一批舊有的橋梁及建筑物在戰后人力物資匱乏的條件下采取了預應力加固措施。對這一領域的開拓工作, 

我國其實起步不晚, 只因多種原因,曾一度進展滯緩。近年來, 隨著經濟建設的高速發展, 

預應力鋼結構技術再次受到各地的重視和應用。

  2.預應力鋼結構的應用

  預應力鋼結構學科自誕生以來, 已經走過了50年歷程, 

尤其近年來新材料、新工藝、新結構發展迅速, 預應力鋼結構的應用范圍幾乎已覆蓋了全部鋼結構領域。對于需要大跨度及大體量無阻擋空間, 

如體育館、歌舞劇院等;重級荷載及超重負荷條件, 如橋梁、多層停車場等; 活動及移動結構物, 減輕自重是重要原則, 如塔吊、開啟式體育館、臨時性展覽廳等; 

高聳結構物、穩定性及剛度是主導因素, 如電視塔、氣象觀測塔、高壓輸電塔等; 需要創建新結構體系、以柔索取代受彎構件、以張力膜面取代剛性屋面層、以吊點取代支點, 

如吊掛體系、索穹頂及索膜結構等體系采用預應力鋼結構, 將會帶來令人滿意的效果和可觀的經濟效益。

  3. 預應力鋼結構的特點

  3.1 

預應力鋼結構能夠充分發揮材料的強度潛力

  普通鋼結構構件的受力都是從零應力開始,荷載作用后,構件能夠受力至材料的抗拉或抗壓強度極限。構件承載力大小取決于構件的截面面積A與材料的強度極限f,即F=Axf,材料的應力區間為[0.f]。而引入了預應力技術后,在鋼材抗拉與抗壓強度相等的條件下,對于受拉構件來說,可以通過拉桿中穿預應力索,預拉索使拉桿預壓f暫不計穩定系數),使壓應力達到-f。然后,承受拉荷載的用,拉桿的極限承載能力將提高一倍,材料的應力區間變為[-f,+f] 

同時,對于拉桿中的索,結構的很大的內力轉移到索中,使高強材料適得其所。這只是一個簡單的例子,也就是說明了鋼結構中引入了預應力技術可以大大地提高結構的彈性受力范圍和承載能力。

  3.2預應力鋼結構可以提高結構的剛度和穩定性,調整其動力性能,特別是抗震性能

  預應力能在結構構件或體系中產生與荷載作用下位移(或撓度)方向相反或相同的預應力位移(或撓度),以提高結構的剛度和穩定性圓。預應力還能夠改變構件的動力性能,根據不同荷載(風荷載、地震荷載等),通過合理選擇預應力大小、預應力體系等不同方案調整結構中基本構件的自振頻率和自振周期,以達到減震的效果。不加預應力的和加預應力的效果是很明顯的。結構的抗側剛度提高 

了十幾倍,但當預應力加到一定的程度,剛度的提高不再明顯。在變形以剪切為主的鋼框架上從底層到頂層,或者就在底部的幾層中(底層剪切變形大的樓層中)施加這樣的結構,可以大大地提高整體結構的抗側剛度,同時提高結構的抗震耗能性能,但這樣的結構增加了局部樓層的柱子和梁的軸力,對結構也產生不利的影響。

  3.3預應力鋼結構有效地調整結構的內力狀態

  結構構件中預應力的合理引入,使結構構件或體系的內力(彎矩,剪力和軸力等)發生了重分布,控制截面的內力峰值產生不同程度的下降,結構設計更加經濟合理。

  4. 

預應力鋼結構的種類和受力機理

  預應力鋼結構的種類和受力機理依采用的材料不同,預應力鋼結構分為: 

同鋼種預應力鋼結構和異鋼種預應力鋼結構兩大類。依使用目的的不同, 

預應力鋼結構又可分為提高承載力和提高剛度兩種。但常常既提高了承載力,又提高了剛度。所謂同鋼種預應力鋼結構, 即是將兩個鋼構件迭接, 施加和使用荷載反向的彎曲, 

然后將兩者焊接,連成整體后釋去反向荷載, 截面中就建立了預應力。異鋼種預應力鋼結構是在結構體系中增設一些高強度鋼構件,并張拉它們, 

在體系中建立一種和使用時反號的預應力,提高了體系的承載力和剛度。同鋼種預應力鋼結構基本受力機理為擴大截面的彈性工作范圍, 

調整結構的內力分布,使結構的各部分材料更充分地發揮承載潛力。也就是說,調動了低應力區材料的潛力, 

以提高高應力區的承載力。異鋼種預應力鋼結構包括靜定體系中不同部分采用強度不同鋼材和超靜定體系中由強度不同的鋼構件組成兩種。第一種也是利用強度較高的鋼材參與受力, 

擴大構件的彈性工作范圍。第二種即是采用高強度鋼材作預應力筋, 

與一般鋼結構組成超靜定體系。這種預應力鋼結構是目前國內外應用最普遍的。在靜定結構中增加高強度贅余預應力桿,使結構轉變為超靜定體系。張拉預應力桿, 

可使結構獲得與荷載引起的內力方向相反的預應力, 而預應力桿卻獲得與荷載引起的內力方向相同的預應力。既充分發揮了高強度預應力桿的作用, 

又提高了普通鋼構件強度的利用, 因而取得了節約材料, 

改善結構性狀的效果。

  5.預應力鋼結構的類型

  從力學特征上預應力空間鋼結構可劃分為下列基本類型:

  5.1傳統型

  在傳統的空間鋼結構體系上采用預應力技術, 

例如在平板網架或網殼中引入預應力以改善桿件內力峰值或提高剛度, 如天津寧河體育館; 為進一步提高經濟效益, 可采用多次預應力技術, 

如攀枝花體育館。

  5.2吊掛型

  以斜拉索或直索吊掛傳統鋼結構, 應用吊點代替支點以擴大室內無阻擋空間幅度, 

外露于屋面之上的承重結構,類型多樣, 建筑造型新穎, 如慕尼黑奧林匹克公園溜冰館是大拱吊掛索網; 

江西體育館是大拱吊掛網架。

  5.3整體張拉型

  就是連續拉與斷續壓的構思形成的索柱結構。早期的慕尼黑奧運會主賽場館, 是外平衡體系;1988 

年興建的漢城奧運會主賽館及擊劍館為整體張拉索穹頂屋蓋, 自重僅14.6 kg /m2, 是建筑結構中前所未有的優秀者, 

屬內平衡式;1996年建成的亞特蘭大奧運主賽場也是這種結構。

  5.4張弦梁型

  由平面張拉梁發展而成的空間體系。顧名思義張弦梁是預應力索通過撐桿形成中間支點以支承上部剛性梁的結構。這種結構是預應力鋼結構的初始形式, 

上下弦由剛柔兩類桿件通過撐桿相連, 具有受力合理, 自重輕, 加工運輸方便等優點。如果跨度增大就可將上弦截面擴大為格構式空間形式, 

如廣州會展中心屋蓋的張弦梁上弦是三根圓管組成的倒三角形截面。張弦梁也可組成正交布置覆蓋矩形建筑平面的張弦梁空間體系。

  5.5張力膜(索膜) 

  以拉索系為主承重結構, 上面覆蓋張力纖維加強膜,膜面涂料目前有聚氯乙烯( PVC ) 和聚四氟乙烯( PTFE )兩種, 前者性能差, 價格便宜, 

后者力學性能強, 自潔,耐火, 抗老化性能都比前者好, 但價格昂貴。膜面在張力作用下保持平整挺直; 

必須具備足夠的張力與曲率以承受風雪荷載。雖然70年代初在大孤國際博覽會上膜結構已開始展露風采, 

但大型張力膜得到認同與興建應是80年代中的事。1986年在沙特興建的大型張力膜工程就是發達國家先進技術在富有國家“試生產”的產物。


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