來源:建筑鋼結構網 作者:董石麟 時間:2010-01-12
關鍵詞:預應力大跨度空間鋼結構的應用與展望
摘要：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展的基本情況。這些預應力空間鋼結構包括有預應力網格結構、斜拉網格結構、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。 關鍵詞：預應力結構 大跨度結構 空間鋼結構 空間網
摘要：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展的基本情況。這些預應力空間鋼結構包括有預應力網格結構、斜拉網格結構、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。 關鍵詞：預應力結構 大跨度結構 空間鋼結構 空間網
關鍵詞：預應力結構 大跨度結構 空間鋼結構 空間網格結構 索穹頂結構
弓式預應力鋼結構 應用與發展
1.前言
預應力大跨度空間鋼結構是把現代預應力技術引用到例如網架、網殼等網格結構、索、桿組成的張力結構、立體桁架結構等一類大跨度結構,從而形成一類新型的、雜交的預應力大跨度空間鋼結構體系.這一類結構受力合理、剛度大、重量輕,制作安裝也比較方便,在近十多年來得到開發與發展,并在大跨度、大柱網的公共與工業建筑中得到應用,且受到國內外科技界和工程界的關注和重視,其推廣應用和發展前景是無比廣闊的[1][2][3].
采用預應力技術于大跨度空間鋼結構具有如下的特色和優勢.
(1）可以改變結構的受力狀態,滿足設計人員所要求的結構剛度、內力分布和位移控制.
（2）通過預應力技術可以構成新的結構體系和結構形態(形式),如索穹頂結構等.可以說,沒有預應力技術,就沒有索穹頂結構.
（3）預應力技術可以作為預制構件(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,具有明顯的技術經濟效益.
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,致使內力重分布,或者是形成一種新的具有一定內力狀態的結構形式;另一種是通過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、桿的材料通常可采用高強度的鋼絲束、鋼鉸線、也可采用鋼棒、鋼筋.
2.預應力網格結構
現代預應力技術與空間網格結構(包括網架與網殼)相結合便可構成預應力的網格結構.通常施加預應力的方案有兩種:一種是在網架的下弦平面下設置預應力索,如圖1a所示,也可在網殼的周邊設置預應力索,如圖1b所示,通過張拉預應力索建立與外載作用反向的內力和撓度;另一種是通過網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),使網格結構建立預加應力,如圖1c所示.
預應力網格結構有下列特點:
1.可采用高強度預應力拉索作為網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;預應力網架結構的簡捷計算法及施工張拉全過程分析可參見文獻[4].
3.通過預應力技術可提高整個網格結構的剛度,減少結構撓度.
4.對于網殼結構可解決水平推力問題,適當配置支座滑動構造措施,利用預應力技術可形成無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,是一種最經濟的預應力方法;此時,對網格結構無需嗇任何桿件和零部件材料.
我國已建的預應力網格結構工程有十多幢,積累了豐富的設計與施工經驗,其中有代表性的工程項目詳見表1.
表1 預應力網格結構工程實例[5]-[6]
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工程名稱
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網格結構形式
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平面尺寸×厚度
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預應力技術特征
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用鋼指標或省鋼率
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建成
年份
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設計單位
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天津寧河體育館
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正放四角錐網架
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42×42×3
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盆式擱置就位,角支座與邊界中支座相對高差9?
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28.5?/?12%
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1984
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中國建研院結構所
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重慶一中體育館
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斜放四角錐網架
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37.8×37.8×2.34四周懸挑5.4
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盆式擱置就位,周邊支座相對高差6.1?
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23.1?/?9%
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1993
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重慶建筑大學
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重慶南開體育館
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斜放四角錐網架
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長六邊形33×66×2.2
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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?
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19.8?/?11%
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1993
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重慶建筑大學
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上海國際購物中心樓層
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正放四角錐組合網架
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27×27,截m腰邊一角
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下弦平面下20?處增設四束高強鋼絲鑄錨束
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48?/?32%
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1993
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上海建筑設計研究院、
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攀枝花市體育館
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三向短程線型雙層球面網殼
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74.8×74.8缺角八邊形,矢高8.89m
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八點支承,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
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49?/?
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1994
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攀枝花建筑勘察設計院
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廣東清遠市體育館
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六塊組合型三向雙層扭網殼
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邊長46.82正六邊形,矢高8.0
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六點支承,對角柱跨度89m,周邊設六道預應力索,每索建預應力值1600kN
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44.3?/?
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1995
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貴州工大設計院、清遠市設計院
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廣東高要市體育館
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四塊組合型三向雙層扭網殼
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54.9×69.3
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四點(每邊中點)支承,支承間共設四道預應力索,每索建預應力值1400kN
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38.5?/?
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1995
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貴州工大設計院
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廣東陽山市體育館
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雙曲雙層扁網殼
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44×56
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四角支承,周邊共設置四道預應力索
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43%
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1996
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貴州工大設計院
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鄭州碧波園
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對角線局部三層(變高度)八面錐網殼
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80×80(2.8～7.8)間等邊八邊形,矢高18.5
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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
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43.5?/?15-20%
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1996
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云光建筑設計咨詢開發中心
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廣東新興縣體育館
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四塊組合型三向單雙層混合扭網殼
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54×76.06
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四點(每邊中點)支承,支承間共設四道預應力索
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28.2?/?43%
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1997
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貴州工大設計院
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西昌鐵路分局體育活動中心
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矩形底球面網殼與外挑1至6m柱面網殼
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59.7×42.7×1.25矢高6.15
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沿縱邊七點支承,沿橫向設置四道預應力索,分三次施加預應力
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28.5?/?28%
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1997
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攀枝花建筑勘察設計院
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江蘇宿遷市文體館
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正放四角錐雙層鞍形網殼
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80×62.5×3橢圓平面
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周邊獨立柱支承,在拱向沿下弦設十一道預應力索
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1999
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江蘇省建筑設計研究院
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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殼,兩塔柱間的距離達250米,每塊月牙形網殼上弦面上巧妙地設置了九道穩定索以抵抗向上的風荷載,見圖2.太舊高速公路舊關收費站為我國首次采用獨塔式全方位布索的斜拉網殼.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,見圖3.這些都表明我國的斜拉空間網格結構采用了較多的新技術,取得了長足的發展.
我國目前已設計和建成的斜拉網格結構十多幢，其中有代表性的工程項目詳見表2。
將斜拉橋技術及預應力技術綜合應用到網格構結而形成一種形式新穎、協同工作的雜交空間結構體系，可稱為斜拉網格結構，它也是一種內部空間寬廣、造型新奇、頗有景點特色的大跨度建筑結構。對于斜拉網格結構，這些年來結合工程和課題作了深入的研究[13]～[16]。
4.索穹頂結構
由美國工程師蓋格爾首次研究開發的索穹頂結構用于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、受壓圈梁、脊索、谷索、斜拉索、環向拉索,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,見圖5.
5.張弦梁結構
張弦梁結構是最近幾年發展起來的大跨度鋼結構,它可用于屋蓋結構,見圖6a,也可用于樓層結構見圖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新建筑.
張弦梁結構具有如下一些特點:
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,使豎腹桿產生向上的分力,導致上弦梁產生與外荷載作用下相反的內力和變位,以形成整個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(實際上為折線多邊形).
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,分析計算時應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,可使結構計算及構造得到簡化.
