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預應力大跨度空間鋼結構的應用與展望

作者：董石麟    
時(shí)間：2010-01-12 15:16:26 [收藏]
本文主要是闡述了我國預應力大跨度空間鋼結構應用與發(fā)展的基本情況。這些預應力空間鋼結構包括有預應力網(wǎng)格結構、斜拉網(wǎng)格結構、索穹頂結構、張弦梁結構、弓式預應力鋼結構等。最后，本文展望了新世紀的預應力空間鋼結構。 關(guān)鍵詞：預應力結構 大跨度結構 空間鋼結構 空間網(wǎng)
    關(guān)鍵詞：

    關(guān)鍵詞：預應力結構 大跨度結構 空間鋼結構 空間網(wǎng)格結構 索穹頂結構
     
    弓式預應力鋼結構 應用與發(fā)展
    1.前言
    預應力大跨度空間鋼結構是把現代預應力技術(shù)引用到例如網(wǎng)架、網(wǎng)殼等網(wǎng)格結構、索、桿組成的張力結構、立體桁架結構等一類(lèi)大跨度結構,從而形成一類(lèi)新型的、雜交的預應力大跨度空間鋼結構體系.這一類(lèi)結構受力合理、剛度大、重量輕,制作安裝也比較方便,在近十多年來(lái)得到開(kāi)發(fā)與發(fā)展,并在大跨度、大柱網(wǎng)的公共與工業(yè)建筑中得到應用,且受到國內外科技界和工程界的關(guān)注和重視,其推廣應用和發(fā)展前景是無(wú)比廣闊的[1][2][3].
     
    采用預應力技術(shù)于大跨度空間鋼結構具有如下的特色和優(yōu)勢.
     
     (1）可以改變結構的受力狀態(tài),滿(mǎn)足設計人員所要求的結構剛度、內力分布和位移控制.
    （2）通過(guò)預應力技術(shù)可以構成新的結構體系和結構形態(tài)(形式),如索穹頂結構等.可以說(shuō),沒(méi)有預應力技術(shù),就沒(méi)有索穹頂結構.
    （3）預應力技術(shù)可以作為預制構件(單元桿件或組合構件)裝配的手段,從而形成一種新型的結構,如弓式預應力鋼結構.
    （4）采用預應力技術(shù)后,或可組成一種雜交的空間結構,或可構成一種全新的空間結構,其結構的用鋼指標比原結構或一般結構可大幅度的降低,具有明顯的技術(shù)經(jīng)濟效益.
    預應力空間鋼結構預應力的施加方法通常有兩種: 一種是在預應力索、桿上直接施加外力,從而可高速改善結構受力狀態(tài),致使內力重分布,或者是形成一種新的具有一定內力狀態(tài)的結構形式;另一種是通過(guò)高速已建空間結構支座高差,改變支承反力的大小,從而也可使結構內力重分布,達到預應力的目的.
    預應力索、桿的材料通?？刹捎酶邚姸鹊匿摻z束、鋼鉸線(xiàn)、也可采用鋼棒、鋼筋.
    2.預應力網(wǎng)格結構
    現代預應力技術(shù)與空間網(wǎng)格結構(包括網(wǎng)架與網(wǎng)殼)相結合便可構成預應力的網(wǎng)格結構.通常施加預應力的方案有兩種:一種是在網(wǎng)架的下弦平面下設置預應力索,如圖1a所示,也可在網(wǎng)殼的周邊設置預應力索,如圖1b所示,通過(guò)張拉預應力索建立與外載作用反向的內力和撓度;另一種是通過(guò)網(wǎng)格結構支座高差強行調整就位(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)格結構建立預加應力,如圖1c所示.
    　
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    預應力網(wǎng)格結構有下列特點(diǎn):
    1.可采用高強度預應力拉索作為網(wǎng)格結構的主要受力桿件,以降低材料耗量.
    2.可采用多次分批施加預應力及加荷的原則(多階段設計原則),使桿件反復受力,并在使用荷載下達到最佳內力狀態(tài);預應力網(wǎng)架結構的簡(jiǎn)捷計算法及施工張拉全過(guò)程分析可參見(jiàn)文獻[4].
    3.通過(guò)預應力技術(shù)可提高整個(gè)網(wǎng)格結構的剛度,減少結構撓度.
    4.對于網(wǎng)殼結構可解決水平推力問(wèn)題,適當配置支座滑動(dòng)構造措施,利用預應力技術(shù)可形成無(wú)水平反力的自平衡結構體系.
    5.對于采用改變支座就位高差,高速結構內力分布的施加預應力方案,是一種最經(jīng)濟的預應力方法;此時(shí),對網(wǎng)格結構無(wú)需嗇任何桿件和零部件材料.
    我國已建的預應力網(wǎng)格結構工程有十多幢,積累了豐富的設計與施工經(jīng)驗,其中有代表性的工程項目詳見(jiàn)表1.
    表1 預應力網(wǎng)格結構工程實(shí)例[5]-[6]
    工程名稱(chēng)
    網(wǎng)格結構形式
    平面尺寸×厚度
    預應力技術(shù)特征
    用鋼指標或省鋼率
    建成
    年份
    設計單位
    天津寧河體育館
    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
    中國建研院結構所
    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(xué)
    重慶南開(kāi)體育館
    斜放四角錐網(wǎng)架
    長(cháng)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(xué)
    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?處增設四束高強鋼絲鑄錨束
    48?/?32%
    1993
    上海建筑設計研究院、
    攀枝花市體育館
    三向短程線(xiàn)型雙層球面網(wǎng)殼
    74.8×74.8缺角八邊形,矢高8.89m
    八點(diǎn)支承,對角柱跨度64.9m,周邊設八道預應力索,分二次建預應力值700kN
    49?/?
    1994
    攀枝花建筑勘察設計院
    廣東清遠市體育館
    六塊組合型三向雙層扭網(wǎng)殼
    邊長(cháng)46.82正六邊形,矢高8.0
    六點(diǎn)支承,對角柱跨度89m,周邊設六道預應力索,每索建預應力值1600kN
    44.3?/?
    1995
    貴州工大設計院、清遠市設計院
    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(diǎn)(每邊中點(diǎn))支承,支承間共設四道預應力索,每索建預應力值1400kN
    38.5?/?
    1995
    貴州工大設計院
    廣東陽(yáng)山市體育館
    雙曲雙層扁網(wǎng)殼
    44×56
    四角支承,周邊共設置四道預應力索
    43%
    1996
    貴州工大設計院
    鄭州碧波園
    對角線(xiàn)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四道預應力索,每索建預應力值700kN
    43.5?/?15-20%
    1996
    云光建筑設計咨詢(xún)開(kāi)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(diǎn)(每邊中點(diǎn))支承,支承間共設四道預應力索
    28.2?/?43%
    1997
    貴州工大設計院
    西昌鐵路分局體育活動(dòng)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(diǎn)支承,沿橫向設置四道預應力索,分三次施加預應力
    28.5?/?28%
    1997
    攀枝花建筑勘察設計院
    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,在拱向沿下弦設十一道預應力索
    　
    1999
    江蘇省建筑設計研究院
     
    從表2所列工程可以看出,浙江黃龍體育中心體育場(chǎng)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置了九道穩定索以抵抗向上的風(fēng)荷載,見(jiàn)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)組合的雜交空間結構,見(jiàn)圖3.這些都表明我國的斜拉空間網(wǎng)格結構采用了較多的新技術(shù),取得了長(cháng)足的發(fā)展.
    我國目前已設計和建成的斜拉網(wǎng)格結構十多幢，其中有代表性的工程項目詳見(jiàn)表2。
    將斜拉橋技術(shù)及預應力技術(shù)綜合應用到網(wǎng)格構結而形成一種形式新穎、協(xié)同工作的雜交空間結構體系，可稱(chēng)為斜拉網(wǎng)格結構，它也是一種內部空間寬廣、造型新奇、頗有景點(diǎn)特色的大跨度建筑結構。對于斜拉網(wǎng)格結構，這些年來(lái)結合工程和課題作了深入的研究[13]～[16]。
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    4.索穹頂結構
    由美國工程師蓋格爾首次研究開(kāi)發(fā)的索穹頂結構用于1988年韓國漢城奧運會(huì )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(jiàn)圖4.此后,美國工程師李維進(jìn)一步開(kāi)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(huì )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(diǎn):一是適用于橢圓形平面,二是以?xún)上蛐苯坏纳舷宜骶W(wǎng)代替脊索與谷索,三是要增設中央桁架,四是以平面投影為菱形的膜材代替扇形膜材,見(jiàn)圖5.
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     5.張弦梁結構
    張弦梁結構是最近幾年發(fā)展起來(lái)的大跨度鋼結構,它可用于屋蓋結構,見(jiàn)圖6a,也可用于樓層結構見(jiàn)圖6b,還可用于墻體結構(如玻璃幕墻的立柱).
    至今,包括雙曲拋物面---張拉整體穹頂在內的索穹頂結構連同臺灣在內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,對索穹頂的理論分析和試驗研究方面已做了大量的工作,相信不久在我國亦可建成自行設計與施工的這類(lèi)新建筑.
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    張弦梁結構具有如下一些特點(diǎn):
    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(guò)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力和變位,以形成整個(gè)張弦梁結構及提高結構剛度,通常情況下下弦索為一向下的圓弧線(xiàn)(實(shí)際上為折線(xiàn)多邊形).
    3.屋面應設置支撐體系以保證平面外地穩定性.
    4.宜采用多階段設計,分析計算時(shí)應考慮幾何非線(xiàn)性影響.
    5.在支座處宜采取必要的暫時(shí)的或永久的構造措施,在預應力及外荷載作用下(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(shí)張弦梁便成為帶拉索的桿系張弦立體桁架,可使結構計算及構造得到簡(jiǎn)化.
    7.
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