预应力大跨度空间钢结构的应用与展望

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作者：董石麟
时间：2010-01-12 15:16:26 [收藏]

本文主要是阐述了我国预应力大跨度空间钢结构应用与发展的基本情况。这些预应力空间钢结构包括有预应力网格结构、斜拉网格结构、索穹顶结构、张弦梁结构、弓式预应力钢结构等。最后，本文展望了新世纪的预应力空间钢结构。关键词：预应力结构大跨度结构空间钢结构空间网
关键词：

关键词：预应力结构大跨度结构空间钢结构空间网格结构索穹顶结构

弓式预应力钢结构应用与发展

1.前言

预应力大跨度空间钢结构是把现代预应力技术引用到例如网架、网壳等网格结构、索、杆组成的张力结构、立体桁架结构等一类大跨度结构,从而形成一类新型的、杂交的预应力大跨度空间钢结构体系.这一类结构受力合理、刚度大、重量轻,制作安装也比较方便,在近十多年来得到开发与发展,并在大跨度、大柱网的公共与工业建筑中得到应用,且受到国内外科技界和工程界的关注和重视,其推广应用和发展前景是无比广阔的[1][2][3].

采用预应力技术于大跨度空间钢结构具有如下的特色和优势.

(1）可以改变结构的受力状态,满足设计人员所要求的结构刚度、内力分布和位移控制.

（2）通过预应力技术可以构成新的结构体系和结构形态(形式),如索穹顶结构等.可以说,没有预应力技术,就没有索穹顶结构.

（3）预应力技术可以作为预制构件(单元杆件或组合构件)装配的手段,从而形成一种新型的结构,如弓式预应力钢结构.

（4）采用预应力技术后,或可组成一种杂交的空间结构,或可构成一种全新的空间结构,其结构的用钢指标比原结构或一般结构可大幅度的降低,具有明显的技术经济效益.

预应力空间钢结构预应力的施加方法通常有两种: 一种是在预应力索、杆上直接施加外力,从而可高速改善结构受力状态,致使内力重分布,或者是形成一种新的具有一定内力状态的结构形式;另一种是通过高速已建空间结构支座高差,改变支承反力的大小,从而也可使结构内力重分布,达到预应力的目的.

预应力索、杆的材料通常可采用高强度的钢丝束、钢铰线、也可采用钢棒、钢筋.

2.预应力网格结构

现代预应力技术与空间网格结构(包括网架与网壳)相结合便可构成预应力的网格结构.通常施加预应力的方案有两种:一种是在网架的下弦平面下设置预应力索,如图1a所示,也可在网壳的周边设置预应力索,如图1b所示,通过张拉预应力索建立与外载作用反向的内力和挠度;另一种是通过网格结构支座高差强行调整就位(通常为盆式搁置就拉,在使用阶段达到支座最终反力趋向于均匀化),使网格结构建立预加应力,如图1c所示.

预应力网格结构有下列特点:

1.可采用高强度预应力拉索作为网格结构的主要受力杆件,以降低材料耗量.

2.可采用多次分批施加预应力及加荷的原则(多阶段设计原则),使杆件反复受力,并在使用荷载下达到最佳内力状态;预应力网架结构的简捷计算法及施工张拉全过程分析可参见文献^[4].

3.通过预应力技术可提高整个网格结构的刚度,减少结构挠度.

4.对于网壳结构可解决水平推力问题,适当配置支座滑动构造措施,利用预应力技术可形成无水平反力的自平衡结构体系.

5.对于采用改变支座就位高差,高速结构内力分布的施加预应力方案,是一种最经济的预应力方法;此时,对网格结构无需啬任何杆件和零部件材料.

我国已建的预应力网格结构工程有十多幢,积累了丰富的设计与施工经验,其中有代表性的工程项目详见表1.

表1 预应力网格结构工程实例^[5]-[6]

工程名称	网格结构形式	平面尺寸×厚度	预应力技术特征	用钢指标或省钢率	建成年份	设计单位
天津宁河体育馆	正放四角锥网架	42×42×3	盆式搁置就位,角支座与边界中支座相对高差9?	28.5?/?12%	1984	中国建研院结构所
重庆一中体育馆	斜放四角锥网架	37.8×37.8×2.34四周悬挑5.4	盆式搁置就位,周边支座相对高差6.1?	23.1?/?9%	1993	重庆建筑大学
重庆南开体育馆	斜放四角锥网架	长六边形33×66×2.2	盆式搁置就位,二对边及四斜边支座相对高差分别为2.8?及7.3?	19.8?/?11%	1993	重庆建筑大学
上海国际购物中心楼层	正放四角锥组合网架	27×27,截m腰边一角	下弦平面下20?处增设四束高强钢丝铸锚束	48?/?32%	1993	上海建筑设计研究院、
攀枝花市体育馆	三向短程线型双层球面网壳	74.8×74.8缺角八边形,矢高8.89m	八点支承,对角柱跨度64.9m,周边设八道预应力索,分二次建预应力值700kN	49?/?	1994	攀枝花建筑勘察设计院
广东清远市体育馆	六块组合型三向双层扭网壳	边长46.82正六边形,矢高8.0	六点支承,对角柱跨度89m,周边设六道预应力索,每索建预应力值1600kN	44.3?/?	1995	贵州工大设计院、清远市设计院
广东高要市体育馆	四块组合型三向双层扭网壳	54.9×69.3	四点(每边中点)支承,支承间共设四道预应力索,每索建预应力值1400kN	38.5?/?	1995	贵州工大设计院
广东阳山市体育馆	双曲双层扁网壳	44×56	四角支承,周边共设置四道预应力索	43%	1996	贵州工大设计院
郑州碧波园	对角线局部三层(变高度)八面锥网壳	80×80(2.8～7.8)间等边八边形,矢高18.5	四对边端支座间沿边界共设四道预应力索,每索建预应力值700kN	43.5?/?15-20%	1996	云光建筑设计咨询开发中心
广东新兴县体育馆	四块组合型三向单双层混合扭网壳	54×76.06	四点(每边中点)支承,支承间共设四道预应力索	28.2?/?43%	1997	贵州工大设计院
西昌铁路分局体育活动中心	矩形底球面网壳与外挑1至6m柱面网壳	59.7×42.7×1.25矢高6.15	沿纵边七点支承,沿横向设置四道预应力索,分三次施加预应力	28.5?/?28%	1997	攀枝花建筑勘察设计院
江苏宿迁市文体馆	正放四角锥双层鞍形网壳	80×62.5×3椭圆平面	周边独立柱支承,在拱向沿下弦设十一道预应力索		1999	江苏省建筑设计研究院

从表2所列工程可以看出,浙江黄龙体育中心体育场为这国目前跨度较大的斜拉网壳,两塔柱间的距离达250米,每块月牙形网壳上弦面上巧妙地设置了九道稳定索以抵抗向上的风荷载,见图2.太旧高速公路旧关收费站为我国首次采用独塔式全方位布索的斜拉网壳.深圳市游泳跳水馆采用了由纵横向立体桁架系、四根桅杆及十六根斜拉钢棒(其中四根又各再分为三根)组合的杂交空间结构,见图3.这些都表明我国的斜拉空间网格结构采用了较多的新技术,取得了长足的发展.

我国目前已设计和建成的斜拉网格结构十多幢，其中有代表性的工程项目详见表2。

将斜拉桥技术及预应力技术综合应用到网格构结而形成一种形式新颖、协同工作的杂交空间结构体系，可称为斜拉网格结构，它也是一种内部空间宽广、造型新奇、颇有景点特色的大跨度建筑结构。对于斜拉网格结构，这些年来结合工程和课题作了深入的研究^[13]^～^[16]。

4.索穹顶结构

由美国工程师盖格尔首次研究开发的索穹顶结构用于1988年韩国汉城奥运会体操馆(直径120m)和击剑馆(直径90m)^[22][23].它由中心环、受压圈梁、脊索、谷索、斜拉索、环向拉索,立柱和扇形膜材所组成,见图4.此后,美国工程师李维进一步开发了双曲抛物面临?爬??羼范ビ糜?/FONT>1996年美国严特兰大奥运会主体育馆?侵窝邱范?/FONT>(240m×193m椭圆形平面).它与索穹顶不同的有四点:一是适用于椭圆形平面,二是以两向斜交的上弦索网代替脊索与谷索,三是要增设中央桁架,四是以平面投影为菱形的膜材代替扇形膜材,见图5.

5.张弦梁结构

张弦梁结构是最近几年发展起来的大跨度钢结构,它可用于屋盖结构,见图6a,也可用于楼层结构见图6b,还可用于墙体结构(如玻璃幕墙的立柱).

至今,包括双曲抛物面---张拉整体穹顶在内的索穹顶结构连同台湾在内的世界各地已建成了十多幢,然而在我国大陆尚未建成一幢.在技术封锁和缺乏资料的情况下,对索穹顶的理论分析和试验研究方面已做了大量的工作,相信不久在我国亦可建成自行设计与施工的这类新建筑.

张弦梁结构具有如下一些特点:

1.张弦梁由下弦索、上弦梁和竖腹杆组成,索为受拉、杆为受压的二力杆,上弦梁为压弯杆件.

2.通过拉索的张拉力,使竖腹杆产生向上的分力,导致上弦梁产生与外荷载作用下相反的内力和变位,以形成整个张弦梁结构及提高结构刚度,通常情况下下弦索为一向下的圆弧线(实际上为折线多边形).

3.屋面应设置支撑体系以保证平面外地稳定性.

4.宜采用多阶段设计,分析计算时应考虑几何非线性影响.

5.在支座处宜采取必要的暂时的或永久的构造措施,在预应力及外荷载作用下(指自重等屋面荷载作用下)形成自平衡体系,不产生水平推力.

6.上弦梁可改用立体桁架,此时张弦梁便成为带拉索的杆系张弦立体桁架,可使结构计算及构造得到简化.

7.
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