預(yù)應(yīng)力大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用與發(fā)展

預(yù)應(yīng)力大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用與發(fā)展

1預(yù)應(yīng)力技術(shù)的應(yīng)用預(yù)測較大體積的空間鋼結(jié)構(gòu)是將現(xiàn)代預(yù)測技術(shù)應(yīng)用于網(wǎng)架、網(wǎng)殼等網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、桿和桿的張力結(jié)構(gòu)、三維框架結(jié)構(gòu)等的大體積結(jié)構(gòu)，形成了新時(shí)期、混合的預(yù)測規(guī)模較大體積的空間鋼結(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。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(jì)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?？梢哉f,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(biāo)比原結(jié)構(gòu)或一般結(jié)構(gòu)可大幅度降低,具有明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)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,從而可調(diào)整改善結(jié)構(gòu)受力狀態(tài),致使內(nèi)力重分布,或者形成一種新的具有一定內(nèi)力狀態(tài)的結(jié)構(gòu)形式;另一種是通過調(diào)整已建空間結(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(dá)到預(yù)應(yīng)力的目的。預(yù)應(yīng)力索、桿的材料通?？刹捎酶邚?qiáng)度的鋼絲束、鋼絞線,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(qiáng)行調(diào)整就位(通常為盆式擱置就位,在使用階段達(dá)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(diǎn):(1)可采用高強(qiáng)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(jì)原則),使桿件反復(fù)受力,并在使用荷載下達(dá)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(jì)算法及施工張拉全過程分析可參見文獻(xiàn)。(3)通過預(yù)應(yīng)力技術(shù)可提高整個(gè)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的剛度,減小結(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(dāng)配置支座滑動(dòng)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,調(diào)整結(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(jì)的預(yù)應(yīng)力方法。此時(shí),對網(wǎng)格結(jié)構(gòu)無需增加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(jì)與施工經(jīng)驗(yàn),其中有代表性的工程項(xiàng)目詳見表1。從表1所列預(yù)應(yīng)力網(wǎng)格結(jié)構(gòu)工程可以看出:建筑造型和結(jié)構(gòu)形式豐富新穎,結(jié)構(gòu)跨度有逐年增大的趨勢,預(yù)應(yīng)力技術(shù)高科技含量顯著,可大幅度節(jié)省鋼材耗量和工程造價(jià)。這表明預(yù)應(yīng)力空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)是一類方興未艾,大有發(fā)展前途的空間結(jié)構(gòu)體系。3拉索安裝設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)將斜拉橋技術(shù)及預(yù)應(yīng)力技術(shù)綜合應(yīng)用到網(wǎng)格結(jié)構(gòu)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(diǎn)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。斜拉網(wǎng)格結(jié)構(gòu)有下列特點(diǎn):(1)通常由塔柱、拉索、網(wǎng)格結(jié)構(gòu)三部分協(xié)調(diào)組合而成的雜交空間結(jié)構(gòu)。(2)可充分發(fā)揮鋼拉索的高強(qiáng)度和施加預(yù)應(yīng)力的優(yōu)勢,以降低鋼材用量。(3)可在網(wǎng)格結(jié)構(gòu)區(qū)域內(nèi)反向地面增加支承點(diǎn),分割結(jié)構(gòu)跨度,減小結(jié)構(gòu)撓度,降低桿件內(nèi)力峰值。(4)通過張拉拉索,建立預(yù)加內(nèi)力和反拱撓度,可部分抵消外載作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和撓度。(5)在任意荷載工況下,不使拉索出現(xiàn)松馳,退出工作,為此通常需對拉索施加預(yù)應(yīng)力。(6)在承受向上、向下風(fēng)荷載都很大且由風(fēng)荷載控制設(shè)計(jì)時(shí)的斜拉網(wǎng)格結(jié)構(gòu),必要時(shí)尚應(yīng)設(shè)置施加一定預(yù)應(yīng)力的穩(wěn)定索。(7)拉索敷設(shè)宜多方位布置,切忌平面布索和單方向布索。(8)拉索的傾角不宜太小,一般宜大于25°,否則將導(dǎo)致彈性支承作用減弱、內(nèi)力過大和連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造上的困難。我國目前已設(shè)計(jì)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(xiàng)目詳見表2。從表2所列工程可以看出,浙江黃龍?bào)w育中心體育場為我國目前跨度較大的斜拉網(wǎng)殼,兩塔柱間的距離達(dá)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(fēng)荷載,見圖2。太舊高速公路舊關(guān)收費(fèi)站為我國首次采用獨(dú)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。4雙曲拋物面—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(yùn)會(huì)體操館(直徑120米)和擊劍館(直徑90米)。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(jìn)一步開發(fā)了雙曲拋物面—張拉整體穹頂用于1996年美國亞特蘭大奧運(yùn)會(huì)主體育館—喬治亞穹頂(240米×193米橢圓形平面)。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。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(tái)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?yàn)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(shè)計(jì)與施工的這類新建筑。5張弦梁結(jié)構(gòu)體系及設(shè)計(jì)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)。張弦梁結(jié)構(gòu)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)通過拉索的張拉力,使豎腹桿產(chǎn)生向上的分力,導(dǎo)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(gè)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(shí)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的穩(wěn)定性。(4)宜采用多階段設(shè)計(jì),分析計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮幾何非線性影響。(5)在支座處宜采取必要的暫時(shí)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(shí)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(jì)算及構(gòu)造得到簡化。(7)可從平面張弦梁結(jié)構(gòu)發(fā)展到空間張弦梁結(jié)構(gòu),如兩向正交正放張弦梁系結(jié)構(gòu)等。我國大跨度張弦梁結(jié)構(gòu)剛開始采用。有代表性的工程有浦東國際機(jī)場航站樓屋蓋,覆蓋進(jìn)廳(R1)、辦票廳(R2)、商場(R3)和登機(jī)廊(R4)四個(gè)大空間,其支點(diǎn)的水平投影跨度分別為49.3m、82.6m、44.4m和54.3m,張弦梁的間距為9m,縱向總長度R1、R2、R3為402m,R4為1374m。張弦梁的上弦由三根平行方管組成,中間主弦為400×600焊接方管,兩側(cè)副弦為300×300方管,由兩個(gè)冷彎槽鋼焊成,主副弦之間由短管相連。腹桿為圓鋼管,上弦與腹桿均采用Q345國產(chǎn)低合金鋼,下弦為國產(chǎn)高強(qiáng)冷拔鍍鋅鋼絲束,外包高密度聚乙烯。結(jié)構(gòu)的平、剖、側(cè)面圖詳見圖7(這里只給出R2、R4兩跨結(jié)構(gòu))。斜鋼柱為雙腹板工字柱,按18m軸線間距成對布置,由于與張弦梁不在同一平面,在柱端及張弦梁間設(shè)置一寬度為1700mm、高度為1300mm的縱向空間桁架,上下弦及腹桿均為焊接方管。屋面的支撐體系和R2斜柱間的支撐見圖7。為抵抗風(fēng)吸力,在R2上弦梁的中部灌注水泥砂裝配重。為解決R4整個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)橫向不穩(wěn)定狀態(tài)和提高縱向剛度,采用群索設(shè)置方案,每4根為一組,每軸線處設(shè)兩組,按空間倒四棱錐布索,每根索的上端錨固于兩榀張弦梁之間的加強(qiáng)檁上,下端集中錨固于鋼筋混凝土短柱上。下弦錨具及群索上下端錨具見圖8a、b。上海浦東國際機(jī)場航站樓張弦梁結(jié)構(gòu)是法國安特魯?shù)姆桨?但華東建筑設(shè)計(jì)院作了很大的改進(jìn)和創(chuàng)新。第二個(gè)有代表性的工程是廣州會(huì)展中心屋蓋,采用了張弦立體桁架結(jié)構(gòu),跨度為126.5m,間距15m,其結(jié)構(gòu)簡圖如圖9所示。廣州會(huì)展中心由日本佐藤株式會(huì)社綜合設(shè)計(jì)事務(wù)所設(shè)計(jì),國內(nèi)配合合作單位是華南理工大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院,該工程預(yù)計(jì)在2002年建成使用。6幾種常見預(yù)應(yīng)力筋支撐設(shè)計(jì)方案弓式預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)是我國科技人員研制、開發(fā)的一種矩形截面格構(gòu)式空間拱結(jié)構(gòu),連同縱向支撐和系桿檁條,可構(gòu)成圓柱面屋蓋結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)已成為北京智維新弓式結(jié)構(gòu)公司的專利產(chǎn)品,其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下:(1)弓式預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)由兩節(jié)間的預(yù)制拱片、水平系桿、起橫膈作用的節(jié)點(diǎn)體及串段拉筋組成,兩片拱片、上下水平系桿及兩片節(jié)點(diǎn)體可構(gòu)成一段矩形截面格桿式空間桁架(圖10)。(2)拱片、節(jié)點(diǎn)體等均可工廠制造,在現(xiàn)場地面施工,逐段組裝,空中成形弓式預(yù)應(yīng)力格構(gòu)式拱結(jié)構(gòu)。(3)串段拉筋一方面可作為安裝用的連接筋,另一方面又可作為預(yù)加應(yīng)力的拉筋。(4)在弓式預(yù)應(yīng)力格構(gòu)式拱結(jié)構(gòu)間加上上弦系桿(檁條)及縱向支撐(交叉拉筋),便可形成圓柱面局部雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。(5)要進(jìn)行施工安裝階段的全過程分析,施工安裝階段可按兩端簡支逐步增長的曲拱計(jì)算(使用階段通常按兩端固定的無鉸拱計(jì)算)。(6)可由小(輕)型桿件、且無需大型吊裝設(shè)備,便可組裝成大跨度空間結(jié)構(gòu),施工安裝速度快。(7)可適用于永久性建筑,也可適用于可裝拆的臨時(shí)性建筑。(8)用鋼量與同等跨度的柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)相當(dāng),但水平推力減小,桿件均采用小型方鋼管和圓鋼筋,現(xiàn)場無焊接工作量,施工費(fèi)用低廉,綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較好。我國已建成的弓形預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)近20幢,其中有代表性是:烏魯木齊石化總廠游泳館,跨度80m,用鋼指標(biāo)43.5kg/m2;北京國展中心八號館,跨度60m,用鋼指標(biāo)31.7kg/m2;釣魚臺(tái)國賓館網(wǎng)球館,跨度40m,用鋼指標(biāo)32.5kg/m2;在東北還進(jìn)行了165m跨度弓形預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的試拼裝。7大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究。在今后我國在二十世紀(jì)末期已研制、開發(fā)、采用各種形式的預(yù)應(yīng)力空間鋼結(jié)構(gòu)約80幢,充分顯示出這類結(jié)構(gòu)的眾多特點(diǎn)和優(yōu)勢,具有強(qiáng)大的生命力,是空間結(jié)構(gòu)發(fā)展的一種新趨向。展望二十一世紀(jì),預(yù)應(yīng)力空間鋼結(jié)構(gòu)將會(huì)更加發(fā)揮其固有的特色和活力,獲得更為廣闊的應(yīng)用和發(fā)展,在以下幾方面是值得引起關(guān)注和重視的。(1)我國目前預(yù)應(yīng)力空間鋼結(jié)構(gòu)的最大跨度是正在興建的廣州國際會(huì)展中心126.5m跨的張弦立體桁架結(jié)構(gòu),國際上英國倫敦的千禧穹頂已達(dá)325m(域內(nèi)多點(diǎn)支承)?？磥?今后十到二十年內(nèi),跨度達(dá)到200—300m是會(huì)比較平常的,最大跨度可達(dá)到400—500m。(2)應(yīng)進(jìn)一步提高和完善在我國已有規(guī)模應(yīng)用的預(yù)應(yīng)力、斜拉網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、張弦梁結(jié)構(gòu)和弓式預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)。(3)要集中力量并與承建單位一起研制、開發(fā)和推廣索穹頂結(jié)構(gòu),特別要在最短期間內(nèi)力爭建成我國第一幢索穹頂,實(shí)現(xiàn)零的突破。(4)要研