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預應力鋼結構十問(wèn)

作者：陸賜麟    
時(shí)間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]
[摘要] 本文以問(wèn)答形式扼要地介紹預應力鋼結構的特點(diǎn)、類(lèi)型、工藝方法、經(jīng)濟效益及適用范圍等問(wèn)題，以便我國企事業(yè)單位的老董、老總、CEO們，設計管理部門(mén)的負責人及領(lǐng)導們能對預應力鋼結構有個(gè)基本的了解，共同來(lái)

    [摘要] 本文以問(wèn)答形式扼要地介紹預應力鋼結構的特點(diǎn)、類(lèi)型、工藝方法、經(jīng)濟效益及適用范圍等問(wèn)題，以便我國企事業(yè)單位的老董、老總、CEO們，設計管理部門(mén)的負責人及領(lǐng)導們能對預應力鋼結構有個(gè)基本的了解，共同來(lái)促進(jìn)這一先進(jìn)、合理、經(jīng)濟結構體系的應用與發(fā)展。
    [關(guān)鍵詞]預應力鋼結構 剛度 穩定性 承載力 內力峰值
    一、 什么是預應力鋼結構？
    預應力技術(shù)古已有之，乃先人藉此改善生活用具性能，加固補強勞作工具的一種工藝。如撐起布傘（引入預應力）可以防雨擋風(fēng)。木桶套箍（引入預應力）可以耐久防漏等。但在現代鋼結構中引入預應力卻是近50年的事出有因情。人們在鋼結構承重體系中有意識地引入人為應力以抵消荷載應力，調整內力峰值，增強結構剛度及穩定性，改善結構其它屬性以及利用預應力技術(shù)創(chuàng )建新體系的都可稱(chēng)之為預應力鋼結構。
    二、 預應力鋼結構有那些優(yōu)點(diǎn)？
    預應力鋼結構的主要優(yōu)點(diǎn)在于：
    1、充分反復地利用鋼材彈性強度幅值，從而提高結構承載力（圖1）
    非預應力結構承載從零應力開(kāi)始達到材料設計強度F而終止受力，其承載烽為N1（圖1，a）；而預應力結構承載始自預應力f01，其承載為N2及N3，顯然N3 >N2> N1；
    2、改善結構受力狀態(tài)，節省鋼材。例如受彎構件中的部分彎矩可以施加預應力轉換為軸拉力，將彎矩峰值M?mas(圖2)，從而構件截面可以減少，降低用鋼量；
    3、提高結構剛度及穩定性，改善結構的各種屬性。
    預應力產(chǎn)生的結構變形常與荷載下變形反向，因而結構剛度得以提高。由于布索而改變結構邊界條件，所以提高結構穩定性。預應力可以調整結構循環(huán)應力特征而提高疲勞強度。由于降低結構自重而減小地震荷載提高其抗震性能等。
    三、 預應力鋼結構的經(jīng)濟效益如何？
    預應力鋼結構的經(jīng)濟性與結構體系、布索方案與工藝、荷載性質(zhì)與力度、結構構造與節點(diǎn)、按裝方法與材料價(jià)格等眾多因素有關(guān)。正常情況下，預應力鋼結構同比非預應力鋼結構采用單次張拉時(shí)可節約鋼材10~20%；多次張拉時(shí)可達20~40%。而預應力創(chuàng )新體系結構與非預應力傳統結構相比要節約鋼材幾倍~幾十倍?？傊?，結構材料中的強度潛力越大，采用預應力的經(jīng)濟效益越高。例如在實(shí)腹梁截面重心軸附近存有大量強度潛力。采用預應力后其經(jīng)濟效益同比格構梁要高許多。
    四、 說(shuō)說(shuō)國內外有那些著(zhù)名預應力鋼結構工程，其經(jīng)濟性怎樣？
    請看下表，不言自明。
    五、 預應力鋼結構有那幾種類(lèi)型？
    從早期預應力吊車(chē)梁，撐桿梁的簡(jiǎn)單形式發(fā)展到目前張弦桁架、索彎頂、索膜結構、玻璃幕墻等現代結構，預應力鋼結構種類(lèi)繁多，大致歸納為四類(lèi)：
    1、 傳統結構型：
    在傳統的鋼結構體系上，布置索系施加預應力以改善應力狀態(tài)、降低自重及成本。例如預應力桁架、網(wǎng)架、網(wǎng)殼等。例如天津寧河體育館，攀枝花市體育館的網(wǎng)架、網(wǎng)殼屋蓋。目前候機樓、會(huì )展中心廣泛采用的張弦桁架亦歸入此類(lèi)。另一種是工程中應用已久的懸索結構，如北京工人體育館，浙江人民體育館。其結構由承索與穩定索兩組索系組成，施加預應力的目的不是降低與調整內力，而是提高與保證剛度。
    2、 吊掛結構型：
    結構由豎向支承物（立柱、門(mén)架、拱架等）、吊索及屋蓋三部分組成。支承物高出屋面，于其頂部下垂鋼索吊掛屋蓋。對吊索施加預應力以調整屋蓋內力，減小撓度并形成屋蓋結構的彈性支點(diǎn)。由于支承物及吊索暴露于大氣之中，直指蘭天所以又稱(chēng)暴露結構。例如江西體育館、北京朝陽(yáng)體育館、杭州黃龍體育場(chǎng)等。
    3、 整體張拉型：
    屬創(chuàng )新結構體系，跨度結構中摒棄了傳統受彎構件，全部由受張索系及膜面和受壓撐桿組成。屋面結構極輕，設計構思新穎，是先進(jìn)結構體系中的佼佼者，例如漢城奧運主賽館、慕尼黑奧運體育館建筑群等。由于此體系屬?lài)鈱?zhuān)利，國內尚無(wú)工程實(shí)例。
    4、 張力金屬膜型：
    金屬膜片固定于邊緣構件之上，既作為圍護結構，又作為承重結構參與整體承受荷載?；蛟趶埩B(tài)下，將膜片固定于骨架結構之上，形成空間塊體結構，復蓋跨度。兩者都是在結構成型理論指導下誕生的預應力新型體系，應用于莫斯科奧運會(huì )的幾個(gè)主賽場(chǎng)館中，國內尚不掌握此項技術(shù)。
    六、 施加預應力的方法有那些？
    主要施加預應力的方法有四類(lèi)：
    1、 鋼索張拉法
    在結構體系中布置索系，通過(guò)千斤頂張拉索端而在結構中產(chǎn)生卸載應力而受益。這是國內外應用廣泛技術(shù)成熟的一種工藝。但索端須有錨頭固定，增大材耗。且需張力設備等加大施工成本。
    2、 支座位移法
    在連續梁和超靜定結構中，人為地強迫支座位移（垂直或水平移位），改變支座設計位置，可調整內力，降低彎矩峰值，減小結構截面面積。這種方法可節省鋼索，錨頭等附加材耗及張拉工藝，適用于地基基礎較好的工程。
    3、 彈性變形法
    鋼材在彈性變形條件下，將組成結構的桿件和板件連成整體卸除強制外力后，結構內出現恢復力產(chǎn)生的有益預應力。這一方法多用于工廠(chǎng)制造生產(chǎn)過(guò)程中，可生產(chǎn)預應力構件產(chǎn)品供應市場(chǎng)。
    4、 手工簡(jiǎn)易法
    用于中、小跨施加張力不大情況下，例如藉擰緊螺母張拉拉桿，用正反扣螺栓橫向推拉拉索產(chǎn)生張力等手工操作法，簡(jiǎn)易可行，便于推廣，適用于廣大地區。
    七、 預應力鋼結構適用范圍有那些？
    凡是鋼結構適用的地方都可以用預應力鋼結構取代以改善結構性能，降低綱耗。尤其在跨度大，荷載重的情況下經(jīng)濟效益更為顯著(zhù)。目前對預應力鋼結構應用廣泛的領(lǐng)域是房屋建筑結構，如體育場(chǎng)館、會(huì )展中心、劇院、商場(chǎng)、飛機庫、候機樓等大型公共建筑中。在高層建筑中也有采用預應力鋼結構的實(shí)例，如南非約翰內斯堡市的發(fā)展銀行大樓，北京新保利大廈等處。另一個(gè)應用較多的領(lǐng)域是橋梁結構，國內外許多懸索橋，斜拉橋都是技術(shù)成熟的工程實(shí)踐。高聳構筑物是利用預應力增強結構剛度的一種類(lèi)型，由于拉索作用大大提高主塔桅結構的水平剛度，如悉尼電視塔、巴塞羅納電訊塔、北京華北電力調度塔以及許多主壓輸電線(xiàn)路塔架等。把預應力技術(shù)用于服役鋼結構的加固補強上更是內容豐富、種類(lèi)繁多。預應力技術(shù)用于 鋼結構、鋼板結構的研究已經(jīng)啟動(dòng)。其在工程中的應用與發(fā)展有待深入。
    八、 為什么預應力鋼結構近年來(lái)發(fā)展迅猛？原因何在？
    預應力鋼結構在國內外發(fā)展迅猛的主要原因是：
    1、 符合結構發(fā)展趨勢，滿(mǎn)足更大、更輕 、更好的技術(shù)要求。
    任何結構體系、計算理論、新型材料、施工工藝發(fā)展前進(jìn)的終極目標，總是要求結構物能跨度大些，自重輕些，性能好些。鋼結構同比混凝土結構，磚石結構具有比容重輕，比強度高加工性好，施工快捷等到優(yōu)點(diǎn)。鋼結構與預應力技術(shù)結合后，優(yōu)點(diǎn)更為突出。預應力鋼結構設計理論完全符合鋼結構成型理論中“兼并功能”、“材料集中使用”、“建立張力體系”、“引入預應力”、“提高抗震性”、等諸多原則，發(fā)展成為工程結構學(xué)科中的優(yōu)秀體系；
    2、 符合加工批量化、構件商品化、施工裝配化的現代工業(yè)生產(chǎn)規律。
    預應力鋼結構的構件皆可在工廠(chǎng)生產(chǎn)與組裝，在工地組拼成部件或整體，屋蓋總體一次吊裝就位。將現場(chǎng)制造工地轉變?yōu)檠b配工地，將施工空中作業(yè)轉換為地面作業(yè)，可以進(jìn)行安全、快速的文明施工。
    3、 符合《可持續發(fā)展》原則、《綠色生態(tài)》要求及現代特征。
    節制對自然資源的索取與消耗，節約對不可再生能源的開(kāi)發(fā)與利用是現代經(jīng)濟建設
    中應當遵守的理念。預應力鋼結構中材料可以合理使用、節約使用反復使用、循環(huán)使用，它十分符合《可持續發(fā)展》原則。鋼材屬于無(wú)害無(wú)污染可回收再生使用的“綠色建材”，不危害生態(tài)環(huán)境，現代新材料圍護結構依附于預應力鋼結構之上，造型新穎、多姿多彩，極富現代氣息。
    九、 預應力鋼結構與預應力混凝土結構有何不同？
    現在有些業(yè)內人士還常?；煜齼烧叩牟顒e，有人把預應力混凝土結構簡(jiǎn)稱(chēng)為“預應力結構”，而不知又誕生了預應力鋼結構學(xué)科及其廣闊的應用領(lǐng)域。鋼筋混凝土結構中采用預應力技術(shù)是為了延緩混凝土中裂縫出現及提高結構風(fēng)度，改善結構性能。鋼結構中施加預應力的目的除提高結構強度、穩度、剛度外，主要是創(chuàng )建新型結構體系，賦予零剛度結構以必要剛度，改變幾何可變體系為幾何不變體系，設計按強度計算的壓桿及具有預壓應力的拉桿以及無(wú)受彎桿件的跨度結構等。籍預應力還可改善結構的抗震性，抗疲勞性及其它動(dòng)力性能，兩者雖然都應用了預應力技術(shù)改善結構屬性，但二者的目的、方法、工藝、力度、構造、效果等皆迥然不同，存在本質(zhì)上的差異。
    十、 有人說(shuō)：“預應力是雙面劍，運用得當，結構受益，否則適得其反”，對嗎？
    “雙面劍”是指一種事物，可產(chǎn)生正員兩種效果，而且不可預測非人力可控制的。例如炒股、賭博。“雙面劍”不能應用于具有正面效應的一切事物，既或各種因素干擾下也會(huì )出現負面效果。例如汽車(chē)是現代不可或缺的交通工具，但偶爾也出事故，甚至被用作殺人工具，食品是人們獲取營(yíng)養類(lèi)以生存的物質(zhì)，但有時(shí)也會(huì )致病，甚至使人喪命。但有正常思維和邏輯的人總不會(huì )稱(chēng)汽車(chē)和食品都是“雙面劍”吧！
    預應力鋼結構設計的基本內容是：結構選型與優(yōu)化，布索方案經(jīng)濟分析，張拉階次與力度設計，結構計算與內力組合，構件與節點(diǎn)設計，施工工藝選擇等。其中任何一項中的差錯與失誤都可導致預應力經(jīng)濟效益的下降基喪失。例如多種布索方案中應選擇效益高、材料少、工藝簡(jiǎn)便者。由于人為的庇漏與專(zhuān)業(yè)生疏產(chǎn)生的負面郊應總不該歸罪于預應力技術(shù)本身，而把它視為“雙面劍”。
    參政文獻
    1. 陸賜麟、尹思明、劉錫良 現代預應力鋼結構 人民交通出版社 2003年 北京
    2. 陸賜麟 預應力鋼結構學(xué)科的新成就及其在我國工程實(shí)踐
    《土木工程學(xué)報》1999.N.3
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