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预应力钢结构十问
2015-4-9
    一、什么是预应力钢结构?
  预应力技术古已有之,乃先人藉此改善生活用具的性能、加固补强劳作工具的一种工艺。譬如,撑起布伞可以防雨挡风,这时就引入了预应力;木桶套箍,可以耐久防漏,这时就引入了预应力。但是,在现代钢结构工程中引入预应力,却是60年前的事情。人们在钢结构设计、制造、施工、加固过程中,人为地在承重体系中引入与外荷载应力符号相反的预加应力以抵消荷载应力峰值,增强结构刚度及稳定性,改善结构其它属性以及利用预应力技术创建新体系的都可称之为预应力钢结构。不论这类结构采用了任何材料的围护层,譬如,玻璃幕墙结构、膜结构等,都归属于预应力钢结构学科。
  二、预应力钢结构有哪些优点?
  预应力钢结构的主要优点有四个。一是可以充分、反复地利用钢材弹性强度幅值,从而提高结构承载能力。传统钢结构的承载力是从材料的零应力状态开始,逐渐加载而达到材料设计强度而终止受力的,其承载力即为结构承受各种荷载的总和。而预应力钢结构承载力则始于预应力产生的负应力状态。预应力钢结构受载后,材料经过负应力→零应力→正应力→设计强度应力,达到结构的承载力终值。所以,结构承载力提高部分是由材料从负应力至零应力这一阶段贡献的。多次预应力钢结构具有多次从负应力至零应力的受载过程,因此,其能多次作出贡献,所以具有更大的承载能力。
  二是可以改善结构受力状态,降低应力峰值。譬如,受弯构件中的峰值弯矩,可以通过增加撑杆施加预应力,将部分弯矩转换为轴向力。因此,将弯矩峰值降低,并减小构件截面,甚至利用预应力技术创造出零弯矩的横向结构体系,如索穹顶。
  三是可以提高结构刚度及稳定性,改善结构的各种属性。预应力产生的结构变形常与荷载下变形反向,因而结构刚度得以提高。由于布索而改变结构边界条件,可以提高结构稳定性。预应力可以调整结构循环应力特征而提高疲劳强度。降低结构自重而减小地震荷载,从而提高其抗震性能等。
  四是可以降低用钢量,节约成本。挖掘钢材强度潜力,改善结构边界条件,优化结构杆件、截面尺寸,创新承重结构体系等优势的总和,必然反映在降低钢材总量上。在保证结构承载和使用功能的前提下,节约材料消耗量、降低成本,就是设计人员在本职工作中体现“低碳经济”、“绿色建筑”理念的大事。
  三、预应力钢结构的经济效益如何?
  预应力钢结构的经济性与结构体系类别、布索方案与工艺、荷载性质与力度、结构构造与节点、安装方法与材料价格等众多因素有关。正常情况下,预应力钢结构比传统钢结构采用单次预应力可节约10%~20%的钢材;采用多次预应力可节约30%~40%的钢材。而预应力创新体系结构与传统结构相比要节约钢材50%以上或更多。总之,结构材料中的强度潜力越大,采用预应力的经济效益越高。譬如,在实腹梁截面重心轴附近存有大量强度潜力,采用预应力后其经济效益同比格构梁要高许多。
  四、国内外一些预应力钢结构工程比较,其经济性怎样?
  传统结构型的预应力钢结构工程,节省钢材的比例较少,譬如,1995年建成的厦门太古机场机库采用的是拉杆拱架,省钢率20%。创新型的工程节省钢材的比例较多,譬如,2011年建成的鄂尔多斯体育中心采用的是索穹顶,每平方米的用钢量为15千克。单次预应力钢结构省钢少些,譬如,1984年建成的天津宁河体育馆采用的是四边形平板网架,省钢率12%。多次预应力钢结构节约材料多些,譬如,1994年建成的四川攀枝花市体育馆采用的即是多次预应力网壳,省钢率38%。格构式结构省钢率小些,譬如,1953年建成的比利时布鲁塞尔机场机库,采用的是双跨连续桁架,省钢率12%。而材料潜能较大的实腹式结构则节材多些,譬如,1959年建成的前苏联罗斯托夫顿河公路桥,采用的是多跨连续实腹梁,省钢率18%。
      五、预应力钢结构有哪几种类型?
  从早期预应力吊车梁、撑杆梁的简单形式发展到目前张弦桁架、张弦穹顶、索弯顶、索膜结构、玻璃幕墙等现代结构,预应力钢结构种类繁多形式新颖,大致归纳为四类。
  一是传统结构型。在传统的钢结构体系中,布置索系施加预应力以改善应力状态、降低自重及成本。譬如,预应力桁架、网架、网壳等。像天津宁河体育馆、攀枝花市体育馆及北京奥运羽毛球馆的预应力网架、网壳屋盖。目前,国内外的候机楼、会展中心均广泛地采用张弦立体桁架也归入此类。另一种是工程中应用已久的悬索结构,譬如,北京工人体育馆、浙江人民体育馆等。其结构由承重索与稳定索两组索系组成,施加预应力的目的不是降低与调整内力,而是赋予与保证结构刚度。
  二是吊挂结构型。结构由竖向支承体系(立柱、门架、拱架等)、吊索及屋盖三部分组成。支承体系高出屋面,于其顶部下垂钢索吊挂屋盖。对吊索施加预应力以调整屋盖内力,减小挠度并形成屋盖结构的弹性支点。由于支承体系及吊索暴露于大气之中,直指蓝天,所以又称暴露结构。譬如,江西体育馆、北京朝阳体育馆、杭州黄龙体育场及长春体育场等。
  三是整体张拉型。属创新结构体系,跨度结构中摒弃了传统受弯构件,全部由受张索系及膜面和受压撑杆组成,其屋面结构极轻,设计构思新颖,是先进结构体系中的佼佼者,譬如,汉城及亚特兰大奥运主赛馆、慕尼黑奥运体育馆建筑群以及内蒙古自治区鄂尔多斯伊旗索穹顶体育中心。
  四是张力金属膜型。金属膜片固定于边缘构件之上,既可作为围护结构,又作为承重结构参与整体承受荷载。或在张力态下,将膜片固定于骨架结构之上,形成空间块体结构,复盖跨度,两者都是在结构成型理论指导下诞生的预应力新型体系。此类型已应用于1980年莫斯科奥运会的几个主赛场馆中,国内尚未建成此类结构体系。
  六、施加预应力的方法有哪些?
  施加预应力的方法有以下四类:一是钢索张拉法。在结构体系中布置索系,通过千斤顶张拉索端,因而在结构中产生卸载应力而受益。这是国内外应用广泛、技术成熟的一种工艺。但索端须有锚头固定,增大材耗,除需要张力设备等外,还需要加大施工成本。二是支座位移法。在连续梁、刚架和其它超静定结构中,人为地强迫支座位移(垂直或水平移位),改变支座设计位置,可调整内力,降低弯矩峰值,减小结构截面面积。这种方法可节省钢索、锚头等附加材耗及张拉工艺,适用于地基基础较好的工程。三是弹性变形法。钢材在弹性变形条件下,将组成结构的杆件和板件用焊接或螺栓连成整体。在卸除强制外力后,结构内出现恢复力产生的有益预应力。
  四是手工简易法。用于中、小跨钢结构工程中施加张力不大的情况下。譬如,依靠拧紧螺母张拉拉杆,用正反扣螺栓横向推拉拉索产生张力等。此法工艺简易可行,便于推广,适用于缺少机械设备的广大地区。
  七、预应力钢结构适用范围有哪些?
  凡是钢结构适用的地方都可以用预应力钢结构取代,以改善其结构性能,降低钢材的使用量。在跨度大、荷载重的情况下,采用预应力的经济效益更为显著。目前,预应力钢结构应用广泛的领域是大跨度建筑结构,譬如,体育场馆、会展中心、剧院、商场、飞机库、候机楼等大型公共建筑。
  在高层建筑中也有采用预应力钢结构的实例,譬如,南非约翰内斯堡市的发展银行大楼、北京电视中心综合业务楼以及北京新保利大厦等。此外,在桥梁结构方面预应力应用的也较多,国内外许多悬索桥、斜拉桥都是技术成熟的工程实践,譬如,2004年年底建成的法国米洛高架桥。高耸构筑物是利用预应力增强结构刚度的又一种类型,这是源于拉索作用能够大大提高主塔桅结构的水平刚度。把预应力技术用在已使用的钢结构的加固上更是内容丰富、种类繁多。目前,预应力技术用于轻钢结构、钢板结构的研究已经启动,其在轻型钢结构房屋中的应用问题,已引起国内有关方面的关注和支持。
      八、近年来,预应力钢结构发展迅速,原因何在?
  预应力钢结构在国内外发展迅速的主要原因有三点:
  一是符合工程结构发展趋势,能够满足更大、更轻、更好的技术要求,科技含量高。任何结构体系、计算理论、新型材料、施工工艺发展前进的终极目标,总是要求结构物能跨度大些、自重轻些、性能好些。钢结构比混凝土结构、砖石结构具有比容重轻、比强度高、加工性好、施工快捷等优点。钢结构与预应力技术结合后,优点更为突出。预应力钢结构设计理论完全符合钢结构成型理论中的兼并功能、材料集中使用、建立张力体系、引入预应力、提高抗震性等诸多原则。经过一些工程实践考验后,在行业的认同下,很快就发展成为工程结构学科中的优秀体系。
  二是符合加工批量化、构件商品化、施工装配化的现代工业生产要求。预应力钢结构的构件均可在工厂生产与组装,在工地组装成部件或整体,屋盖总体一次吊装就位,可将现场制造工地转变为装配工地,将施工空中作业转换为地面作业,可以完成安全、快速的文明施工。
  三是符合可持续发展原则,满足低碳经济和绿色建筑的要求。控制对自然资源的过度索取与消耗,改变对不可再生资源的开发与利用是现代经济发展中应当遵守的理念与追求。预应力钢结构中的金属材料可以合理使用、节约使用、反复使用、循环使用,十分符合可持续发展原则。预应力钢结构与非预应力钢结构相比可以节约大量材料和投资,钢材属于无害、无污染、可回收再使用的绿色材料,不危害生态环境,采用新材料的围护结构依附于预应力钢结构之上,使之造型新颖、轻巧靓丽、极富现代气息。
  九、预应力钢结构既然是一门新的学科,其结构设计应具有哪些新的内容?
  预应力钢结构是一门新的学科,是在钢结构的基础上引入预应力而发展起来的。预应力钢结构设计的基本内容包括九点:一是结构选型与优化;二是施加预应力方法的选择与论证;三是布索方案的经济分析;四是张拉阶次与力度设计;五是结构体系静力和动力计算与分析;六是预应力损失及对结构影响;七是结构构件及节点、锚具设计;八是结构模型试验及分析;九是张拉工艺研究及施工模拟计算。
  由此可见,预应力钢结构比传统钢结构的设计内容多,但只要掌握了预应力技术的特点,选定了合理的施加预应力方案及工艺,是不难完成优秀的预应力钢结构设计的。
  十、学结构的,或者是搞预应力混凝土的是不是很容易就可以进行预应力钢结构的设计了?
  钢结构和预应力钢结构的设计,在许多方面有共性和相同、相通的地方,但在结构设计的理念、目标、方法、手段等方面又各不相同。尤其在利用预应力技术创建崭新结构体系上,两者的设计追求与途径是大相径庭的。要掌握预应力钢结构的知识需要有认真学习的过程,不可能无师自通。我国在采用预应力钢结构工程的初期,曾出现过一些选型不当的结构体系、比例失调的造型尺寸、不节省钢材的结构构件等,这些问题完全可以通过加强专业学习、完善团队建设等措施来改进。
  预应力钢结构、预应力钢筋混凝土结构与钢结构和钢筋混凝土结构一样,是不同的学科。前者由钢材构成,施加预应力的目的,除提高结构强度、稳定性、刚度外,主要是创建新型结构体系,赋予柔性结构以刚度,设计出零弯矩杆的崭新结构体系。而预应力混凝土结构采用预应力的目的,则是延缓混凝土中裂缝的出现并提高结构刚度,只改善结构性能而已,不能改变结构体系。两者的预应力,除技术有相通之处外,其目的、方法、工艺、力度、构造等皆不相同,存在本质上的差异,混淆不得。所以,只掌握预应力混凝土知识的人,是很难成功地完成预应力钢结构优秀设计任务的。
                                                       作者:陆赐麟
                                                       来源:中国建设报
 
 
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