预应力钢结构在我国的应用和发展

　1.预应力钢结构发展概况
　　预应力技术不仅局限于混凝土结构, 而且广泛应用于钢结构中。预应力钢结构随着科学技术的飞速发展, 工程建设要求扩大钢结构的应用, 而又应该尽量节约钢材。解决矛盾的主要途径是: 不断研究和改进现有的钢结构型式和设计理论, 并创造新型的钢结构形式( 包括组合或复合结构) 。除节约钢材减轻自重外, 还扩大其应用的范围, 创造新型的独特建筑风格。在此过程中, 预应力技术必不可少, 各种型式的预应力钢结构或预应力组合结构的研究与应用也应运而生。五六十年代预应力钢结构学科的研究工作开展较为广泛, 从实腹梁、桁架等领域扩展到钢架、悬索结构、大跨空间结构、塔桅结构、高层建筑、桥跨结构、起重设备结构、储液库和大直径高压管道结构等领域。发展初期, 各国都偏重于理论和基本杆件的研究和试验, 以后逐步进入实用阶段。现在世界各地已陆续兴建了不少预应力钢结构工程。我国在50 年代后期, 也开始预应力钢结构的研究与开发, 并在一批工矿企业的运输斜栈桥和吊车梁上采用了预应力技术。同时对一批旧有的桥梁及建筑物在战后人力物资匮乏的条件下采取了预应力加固措施。对这一领域的开拓工作, 我国其实起步不晚, 只因多种原因,曾一度进展滞缓。近年来, 随着经济建设的高速发展, 预应力钢结构技术再次受到各地的重视和应用。
　　2.预应力钢结构的应用
　　预应力钢结构学科自诞生以来, 已经走过了50年历程, 尤其近年来新材料、新工艺、新结构发展迅速, 预应力钢结构的应用范围几乎已覆盖了全部钢结构领域。对于需要大跨度及大体量无阻挡空间, 如体育馆、歌舞剧院等;重级荷载及超重负荷条件, 如桥梁、多层停车场等; 活动及移动结构物, 减轻自重是重要原则, 如塔吊、开启式体育馆、临时性展览厅等; 高耸结构物、稳定性及刚度是主导因素, 如电视塔、气象观测塔、高压输电塔等; 需要创建新结构体系、以柔索取代受弯构件、以张力膜面取代刚性屋面层、以吊点取代支点, 如吊挂体系、索穹顶及索膜结构等体系采用预应力钢结构, 将会带来令人满意的效果和可观的经济效益。
　　3. 预应力钢结构的特点
　　3.1 预应力钢结构能够充分发挥材料的强度潜力
　　普通钢结构构件的受力都是从零应力开始，荷载作用后，构件能够受力至材料的抗拉或抗压强度极限。构件承载力大小取决于构件的截面面积A与材料的强度极限f，即F=Axf，材料的应力区间为[0.f]。而引入了预应力技术后，在钢材抗拉与抗压强度相等的条件下，对于受拉构件来说，可以通过拉杆中穿预应力索，预拉索使拉杆预压f暂不计稳定系数)，使压应力达到-f。然后，承受拉荷载的用，拉杆的极限承载能力将提高一倍，材料的应力区间变为[-f，+f] 同时，对于拉杆中的索，结构的很大的内力转移到索中，使高强材料适得其所。这只是一个简单的例子，也就是说明了钢结构中引入了预应力技术可以大大地提高结构的弹性受力范围和承载能力。
　　3.2预应力钢结构可以提高结构的刚度和稳定性，调整其动力性能，特别是抗震性能
　　预应力能在结构构件或体系中产生与荷载作用下位移(或挠度)方向相反或相同的预应力位移(或挠度)，以提高结构的刚度和稳定性圆。预应力还能够改变构件的动力性能，根据不同荷载(风荷载、地震荷载等)，通过合理选择预应力大小、预应力体系等不同方案调整结构中基本构件的自振频率和自振周期，以达到减震的效果。不加预应力的和加预应力的效果是很明显的。结构的抗侧刚度提高 了十几倍，但当预应力加到一定的程度，刚度的提高不再明显。在变形以剪切为主的钢框架上从底层到顶层，或者就在底部的几层中(底层剪切变形大的楼层中)施加这样的结构，可以大大地提高整体结构的抗侧刚度，同时提高结构的抗震耗能性能，但这样的结构增加了局部楼层的柱子和梁的轴力，对结构也产生不利的影响。
　　3.3预应力钢结构有效地调整结构的内力状态
　　结构构件中预应力的合理引入，使结构构件或体系的内力(弯矩，剪力和轴力等)发生了重分布，控制截面的内力峰值产生不同程度的下降，结构设计更加经济合理。
　　4. 预应力钢结构的种类和受力机理
　　预应力钢结构的种类和受力机理依采用的材料不同,预应力钢结构分为: 同钢种预应力钢结构和异钢种预应力钢结构两大类。依使用目的的不同, 预应力钢结构又可分为提高承载力和提高刚度两种。但常常既提高了承载力,又提高了刚度。所谓同钢种预应力钢结构, 即是将两个钢构件迭接, 施加和使用荷载反向的弯曲, 然后将两者焊接,连成整体后释去反向荷载, 截面中就建立了预应力。异钢种预应力钢结构是在结构体系中增设一些高强度钢构件,并张拉它们, 在体系中建立一种和使用时反号的预应力,提高了体系的承载力和刚度。同钢种预应力钢结构基本受力机理为扩大截面的弹性工作范围, 调整结构的内力分布,使结构的各部分材料更充分地发挥承载潜力。也就是说,调动了低应力区材料的潜力, 以提高高应力区的承载力。异钢种预应力钢结构包括静定体系中不同部分采用强度不同钢材和超静定体系中由强度不同的钢构件组成两种。第一种也是利用强度较高的钢材参与受力, 扩大构件的弹性工作范围。第二种即是采用高强度钢材作预应力筋, 与一般钢结构组成超静定体系。这种预应力钢结构是目前国内外应用最普遍的。在静定结构中增加高强度赘余预应力杆,使结构转变为超静定体系。张拉预应力杆, 可使结构获得与荷载引起的内力方向相反的预应力, 而预应力杆却获得与荷载引起的内力方向相同的预应力。既充分发挥了高强度预应力杆的作用, 又提高了普通钢构件强度的利用, 因而取得了节约材料, 改善结构性状的效果。
　　5.预应力钢结构的类型
　　从力学特征上预应力空间钢结构可划分为下列基本类型:
　　5.1传统型
　　在传统的空间钢结构体系上采用预应力技术, 例如在平板网架或网壳中引入预应力以改善杆件内力峰值或提高刚度, 如天津宁河体育馆; 为进一步提高经济效益, 可采用多次预应力技术, 如攀枝花体育馆。
　　5.2吊挂型
　　以斜拉索或直索吊挂传统钢结构, 应用吊点代替支点以扩大室内无阻挡空间幅度, 外露于屋面之上的承重结构,类型多样, 建筑造型新颖, 如慕尼黑奥林匹克公园溜冰馆是大拱吊挂索网; 江西体育馆是大拱吊挂网架。
　　5.3整体张拉型
　　就是连续拉与断续压的构思形成的索柱结构。早期的慕尼黑奥运会主赛场馆, 是外平衡体系;1988 年兴建的汉城奥运会主赛馆及击剑馆为整体张拉索穹顶屋盖, 自重仅14.6 kg /m2, 是建筑结构中前所未有的优秀者, 属内平衡式;1996年建成的亚特兰大奥运主赛场也是这种结构。
　　5.4张弦梁型
　　由平面张拉梁发展而成的空间体系。顾名思义张弦梁是预应力索通过撑杆形成中间支点以支承上部刚性梁的结构。这种结构是预应力钢结构的初始形式, 上下弦由刚柔两类杆件通过撑杆相连, 具有受力合理, 自重轻, 加工运输方便等优点。如果跨度增大就可将上弦截面扩大为格构式空间形式, 如广州会展中心屋盖的张弦梁上弦是三根圆管组成的倒三角形截面。张弦梁也可组成正交布置覆盖矩形建筑平面的张弦梁空间体系。
　　5.5张力膜(索膜) 型
　　以拉索系为主承重结构, 上面覆盖张力纤维加强膜,膜面涂料目前有聚氯乙烯( PVC ) 和聚四氟乙烯( PTFE )两种, 前者性能差, 价格便宜, 后者力学性能强, 自洁,耐火, 抗老化性能都比前者好, 但价格昂贵。膜面在张力作用下保持平整挺直; 必须具备足够的张力与曲率以承受风雪荷载。虽然70年代初在大孤国际博览会上膜结构已开始展露风采, 但大型张力膜得到认同与兴建应是80年代中的事。1986年在沙特兴建的大型张力膜工程就是发达国家先进技术在富有国家“试生产”的产物。

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