預(yù)應(yīng)力大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與展望

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作者：董石麟
時間：2010-01-12 15:16:26 [收藏]

本文主要是闡述了我國預(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，本文展望了新世紀的預(yù)應(yīng)力空間鋼結(jié)構(gòu)。關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu) 大跨度結(jié)構(gòu) 空間鋼結(jié)構(gòu) 空間網(wǎng)
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弓式預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu) 應(yīng)用與發(fā)展

1.前言

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)引用到例如網(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,其推廣應(yīng)用和發(fā)展前景是無比廣闊的[1][2][3].

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)的用鋼指標比原結(jié)構(gòu)或一般結(jié)構(gòu)可大幅度的降低,具有明顯的技術(shù)經(jīng)濟效益.

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: 一種是在預(yù)應(yīng)力索、桿上直接施加外力,從而可高速改善結(jié)構(gòu)受力狀態(tài),致使內(nèi)力重分布,或者是形成一種新的具有一定內(nèi)力狀態(tài)的結(jié)構(gòu)形式;另一種是通過高速已建空間結(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,達到預(yù)應(yīng)力的目的.

預(yù)應(yīng)力索、桿的材料通常可采用高強度的鋼絲束、鋼鉸線、也可采用鋼棒、鋼筋.

2.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)力的網(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)支座高差強行調(diào)整就位(通常為盆式擱置就拉,在使用階段達到支座最終反力趨向于均勻化),使網(wǎng)格結(jié)構(gòu)建立預(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:

1.可采用高強度預(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)計原則),使桿件反復受力,并在使用荷載下達到最佳內(nèi)力狀態(tài);預(yù)應(yīng)力網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的簡捷計算法及施工張拉全過程分析可參見文獻^[4].

3.通過預(yù)應(yīng)力技術(shù)可提高整個網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的剛度,減少結(jié)構(gòu)撓度.

4.對于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)可解決水平推力問題,適當配置支座滑動構(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.對于采用改變支座就位高差,高速結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布的施加預(yù)應(yīng)力方案,是一種最經(jīng)濟的預(yù)應(yīng)力方法;此時,對網(wǎng)格結(jié)構(gòu)無需嗇任何桿件和零部件材料.

我國已建的預(yù)應(yīng)力網(wǎng)格結(jié)構(gòu)工程有十多幢,積累了豐富的設(shè)計與施工經(jīng)驗,其中有代表性的工程項目詳見表1.

表1 預(yù)應(yīng)力網(wǎng)格結(jié)構(gòu)工程實例^[5]-[6]

工程名稱	網(wǎng)格結(jié)構(gòu)形式	平面尺寸×厚度	預(yù)應(yīng)力技術(shù)特征	用鋼指標或省鋼率	建成年份	設(shè)計單位
天津?qū)幒芋w育館	正放四角錐網(wǎng)架	42×42×3	盆式擱置就位,角支座與邊界中支座相對高差9?	28.5?/?12%	1984	中國建研院結(jié)構(gòu)所
重慶一中體育館	斜放四角錐網(wǎng)架	37.8×37.8×2.34四周懸挑5.4	盆式擱置就位,周邊支座相對高差6.1?	23.1?/?9%	1993	重慶建筑大學
重慶南開體育館	斜放四角錐網(wǎng)架	長六邊形33×66×2.2	盆式擱置就位,二對邊及四斜邊支座相對高差分別為2.8?及7.3?	19.8?/?11%	1993	重慶建筑大學
上海國際購物中心樓層	正放四角錐組合網(wǎng)架	27×27,截m腰邊一角	下弦平面下20?處增設(shè)四束高強鋼絲鑄錨束	48?/?32%	1993	上海建筑設(shè)計研究院、
攀枝花市體育館	三向短程線型雙層球面網(wǎng)殼	74.8×74.8缺角八邊形,矢高8.89m	八點支承,對角柱跨度64.9m,周邊設(shè)八道預(yù)應(yīng)力索,分二次建預(yù)應(yīng)力值700kN	49?/?	1994	攀枝花建筑勘察設(shè)計院
廣東清遠市體育館	六塊組合型三向雙層扭網(wǎng)殼	邊長46.82正六邊形,矢高8.0	六點支承,對角柱跨度89m,周邊設(shè)六道預(yù)應(yīng)力索,每索建預(yù)應(yīng)力值1600kN	44.3?/?	1995	貴州工大設(shè)計院、清遠市設(shè)計院
廣東高要市體育館	四塊組合型三向雙層扭網(wǎng)殼	54.9×69.3	四點(每邊中點)支承,支承間共設(shè)四道預(yù)應(yīng)力索,每索建預(yù)應(yīng)力值1400kN	38.5?/?	1995	貴州工大設(shè)計院
廣東陽山市體育館	雙曲雙層扁網(wǎng)殼	44×56	四角支承,周邊共設(shè)置四道預(yù)應(yīng)力索	43%	1996	貴州工大設(shè)計院
鄭州碧波園	對角線局部三層(變高度)八面錐網(wǎng)殼	80×80(2.8～7.8)間等邊八邊形,矢高18.5	四對邊端支座間沿邊界共設(shè)四道預(yù)應(yīng)力索,每索建預(yù)應(yīng)力值700kN	43.5?/?15-20%	1996	云光建筑設(shè)計咨詢開發(fā)中心
廣東新興縣體育館	四塊組合型三向單雙層混合扭網(wǎng)殼	54×76.06	四點(每邊中點)支承,支承間共設(shè)四道預(yù)應(yīng)力索	28.2?/?43%	1997	貴州工大設(shè)計院
西昌鐵路分局體育活動中心	矩形底球面網(wǎng)殼與外挑1至6m柱面網(wǎng)殼	59.7×42.7×1.25矢高6.15	沿縱邊七點支承,沿橫向設(shè)置四道預(yù)應(yīng)力索,分三次施加預(yù)應(yīng)力	28.5?/?28%	1997	攀枝花建筑勘察設(shè)計院
江蘇宿遷市文體館	正放四角錐雙層鞍形網(wǎng)殼	80×62.5×3橢圓平面	周邊獨立柱支承,在拱向沿下弦設(shè)十一道預(yù)應(yīng)力索		1999	江蘇省建筑設(shè)計研究院

從表2所列工程可以看出,浙江黃龍體育中心體育場為這國目前跨度較大的斜拉網(wǎng)殼,兩塔柱間的距離達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荷載,見圖2.太舊高速公路舊關(guān)收費站為我國首次采用獨塔式全方位布索的斜拉網(wǎng)殼.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.這些都表明我國的斜拉空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)采用了較多的新技術(shù),取得了長足的發(fā)展.

我國目前已設(shè)計和建成的斜拉網(wǎng)格結(jié)構(gòu)十多幢，其中有代表性的工程項目詳見表2。

將斜拉橋技術(shù)及預(yù)應(yīng)力技術(shù)綜合應(yīng)用到網(wǎng)格構(gòu)結(jié)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)部空間寬廣、造型新奇、頗有景點特色的大跨度建筑結(jié)構(gòu)。對于斜拉網(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^[13]^～^[16]。

4.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年韓國漢城奧運會體操館(直徑120m)和擊劍館(直徑90m)^[22][23].它由中心環(huán)、受壓圈梁、脊索、谷索、斜拉索、環(huán)向拉索,立柱和扇形膜材所組成,見圖4.此后,美國工程師李維進一步開發(fā)了雙曲拋物面臨?爬??羼范ビ糜?/FONT>1996年美國嚴特蘭大奧運會主體育館?侵窩邱范?/FONT>(240m×193m橢圓形平面).它與索穹頂不同的有四點: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.

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).

至今,包括雙曲拋物面---張拉整體穹頂在內(nèi)的索穹頂結(jié)構(gòu)連同臺灣在內(nèi)的世界各地已建成了十多幢,然而在我國大陸尚未建成一幢.在技術(shù)封鎖和缺乏資料的情況下,對索穹頂?shù)睦碚摲治龊驮囼炑芯糠矫嬉炎隽舜罅康墓ぷ?相信不久在我國亦可建成自行設(shè)計與施工的這類新建筑.

張弦梁結(jié)構(gòu)具有如下一些特點:

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,使豎腹桿產(chǎn)生向上的分力,導致上弦梁產(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地穩(wěn)定性.

4.宜采用多階段設(shè)計,分析計算時應(yīng)考慮幾何非線性影響.

5.在支座處宜采取必要的暫時的或永久的構(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)計算及構(gòu)造得到簡化.

7.
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