预应力钢结构10.22

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1、11 主要预应力钢结构体系 1塔柱拉索钢管桁架结构体系（最具建筑造型表现力，充分展示结构的力学美） 2体内预应力钢管桁架结构体系（概念最直接，接近于预应力砼的简单体系） 3张弦梁结构体系 4预应力网架（壳）结构体系 5弓式预应力钢结构体系 6弦支穹顶结构体系 7索穹顶结构体系 8钢索膜结构体系 9预变形预应力钢结构体系2 主要技术研究课题：1预应力钢结构设计技术责任范围 2索体单元及相关技术的深入理解 3钢结构预应力的概念及其实现过程 4钢结构预应力度的概念与设计方法 5索系布置对结构体系整体稳定承载力的影响分析 6索系对塔柱结构稳定承载力的影响分析 7 “塔柱拉索”顺向风非线性风振计算分析与

2、设计 8 “塔柱拉索”横向风非线性风振计算分析与设计 9 “塔柱拉索”空气动力失稳驰振分析与设计 10斜拉索风雨激振计算分析与设计 11 “塔柱拉索”风振控制研究与可实施技术、构造、设计方法研究 12 “塔柱拉索”微风共振概念与计算分析设计 13 “塔柱拉索”结构疲劳计算分析与构造设计 14 “塔柱拉索钢管桁架”体系地震分析与设计 15节点板弹塑性有限元；索销轴接触应力分析与设计一、预应力钢结构体系技术设计范围及职责划分 预应力钢结构体系设计技术包括三个方面： 1预应力钢结构体系设计： （1）结构在各种荷载：静、活（雪） 、风、震、裹冰、温度、施工误差等及组合工况下结 构强度、变形（刚度） 、

3、稳定计算分析与设计 （2）该项工作由设计院全部完成，并承担技术责任 2预应力张拉过程结构安全设计 （1）预应力张拉施工过程对预应力钢结构体系的形成及最终内力产生影响。 a “塔柱拉索钢屋盖”体系；张弦梁结构体系；弦支穹顶结构体系；索穹顶结构体 系；钢索膜结构体系为柔性结构体系。空间索网张拉过程同时是体系由可 变机构演变为稳定结构的过程。每个张拉过程阶段均需对体系结构强度、刚度、稳 定进行计算分析设计。必须对施工全过程进行技术质量控制。 b体内预应力钢桁架体系；预应力网架（壳）结构体系；预变形预应力钢结构体系2预应力张拉次数，预应力度对结构内力及构件均产生影响。同样是设计必须考虑的 结构分析工况

4、。 （2）由上可见，预应力钢结构施工过程亦是结构安全必须计算分析设计的工况。必须注意 下述两个内容： a对预应力钢结构对施工资质必须独立设定，严格检查，并明确规定要求（如同预应力 砼结构施工） 。 b设计单位应与施工企业共同对施工全过程进行结构安全技术质量控制，双方共同承担 技术责任。 c设计施工一体化，作为专项技术应成为发展趋势。 3索体单元结构设计 含索、索具两项内容。最主要为索具，一般为铸、锻件。目前工程实际情况，该部分 技术设计和责任由生产安装企业单位承担。设计院应关注如下内容： （1）成品索、索具一般须经过行业技术鉴定，并定型生产，安全质量可得到保证。但 不可忽略施工偏差因素，几十、

5、上百米长对索具两端节点不产生偏差是不可能的。索与 连接耳板发生 60甚至以上的偏差。设计院须向加工制作单位明确：必须考虑上述不利因 素进行设计。同时设计院应对此状况下索、索具受力机理进行分析。 （2）索索节点“索夹”的设计在主支承结构之外，设计院易忽略。该节点的重要性 决定了设计单位须参与设计。对索夹的尺度、材料的非常规性、受力的复杂性，应予以 高度重视。其技术设计和责任，设计单位不可无关。 二、索体单元及相关技术的深入理解 主要技术内容： a 索材料非线性本构关系的深入理解 b 索结构安全系数的取值 c 索节点钢材性能要求及设计方法 （此部分由工厂负责设计制作，设计院应理解原理、方法并控制质

6、量） d 索索节点“索夹”的材料性能，构造设计及计算方法研究，弹塑性有限元及接 触应力分析（理由同前） e 索结构的防腐技术要求 f 不同电算软件对索单元非线性的技术处理及适用性1索单元材料非线性本构关系 （1）钢索在其自重作用下的垂度引起索单元的非线性性质：即索的等效（实际）弹性模量 随着其应力水平而显非线性变化的性质。索单元等效弹性模量323212)(112)(1ELETEALAEEeq E索的弹性模量（满应力状态下） ；A索截面面积；L索跨度； 索的比重（应考虑防腐护层及裹冰） ；T索的张力；索拉应力的计算是一个逐次迭代过程，经若干次迭代运算直至所要求的收敛值为止。根据eqE计算分析，结

7、构跨度不大时，非线性影响较小，可忽略。对跨度大、刚度小的结构，应进3行索单元非线性分析。 （2）索弹性模量的减小性质 组成索体的高强钢丝弹性模量在 1.90Mpa 数量以上。在组成索的过程中，随着钢丝缠 绕重复次数增多，捻倾角加大，索体弹性模量逐渐减小。经验公式如下：E索Ecos4cos4 角钢绞线对钢丝绳纵轴倾钢丝对钢绞线纵轴夹角由钢丝加工制作成本的工艺不同，工程用索主要有三类： a 挤包护层纽铰型拉索： 钢丝束同心向左绞合而成，最外一层绞合角 300.50 E索Ecos43E 索弹性模量未受减小 b. 绞线：弹性模量 E绞（0.650.85）E c. 钢丝绳 弹性模量 E绳（0.350.5

8、0）E （3）索抗拉强度的减小性质： 单根钢丝的抗拉强度可达 16001800Mpa。索的抗拉强度一般小于各股线材强度之和。 降低幅度 1020。 折减系数取决于线材的绞合方式，详见厂家技术手册。 2索结构安全系数的取值 目前国内对建筑结构的索单元安全系数无明确规定。建议对在各种荷载不利组合工况 下的最大内力 Nmax，斜拉索的最终应力取 0.40.5Nmax，即安全系数为 2.02.5。是否合适？ 体系稳定承载力 5.0 以上，而索稳定索的破断会造成体系失稳，尤其平衡索单元进行拉伸 塑性阶段后，缺乏钢结构体系内力重分布的机制。因此笔者认为索不应是构件设计准则。原因不利影响施工偏差对索、索具的

9、成应力集中；索具不可避免地对索造降低较多；高强度钢对疲劳承载力曲应力；钢索实际可能存在的弯、意外荷载影响大；索自重轻，受可变荷载3 （预应力钢结构用）斜拉索单元材料性能及索单元结构设计 （1）斜拉结构（拉索）索单元两端固接了冷铸锚具的构件产品。 a索单元：由若干根高强度钢丝并拢经大节距纽绞、绕包，在其外挤包单护层或双护 层而形成。 b冷铸锚具：运用冷铸工艺将其与拉索固接并能传递载荷的部件。 c纽绞：钢丝束应同心左向绞合而成，最外一层钢绞合角为 300.50，钢丝束最大直 径 d 应收到控制。 d绕包：钢丝束外加绕包带。单层重叠宽度应小于带宽的 1/3。绕包层应齐整致密， 无破损，重叠层数不应超

10、过 4 层。 e挤包护层：经绕包的钢丝束外挤包黑色 PE+彩色 PE 双护层。护层应紧密包覆在正 常生产、运输、吊装过程中不松脱。护层外观光滑平整、无破损。护层厚度偏差小 于1mm。 f锚索联接：锚索与索体固接，其锚固能力应符合标准破断荷载的 95。 （2）主要原材料物理力学性能要求详产品技术说明书。4（3）预张拉： 每根拉索均须经过预张拉。预张拉载荷为拉索标准破断下载荷 Pb的 0.450.65 倍；预 张拉后，冷铸锚中锚板回缩值不大于 6mm。 （4）交货（下料）长度： 成品交货长度为设计长度。误差 LLLLL 0002. 0m100mm20m100 ；索长（5）静载破断载荷 P 应不小于

11、拉索标准破断载荷 Pbmin的 95。 （6）抗拉弹性延伸率（）应不小于 2。 （7）抗拉弹性模量（E）不应小于 1.9105MPa。 （8）疲劳性能： 经 2.0106次循环脉冲加载试验，钢丝破断数应不大于索中钢丝总数的 5。经 2.0106次循环脉冲加载试验，拉索护层不应有明显损伤。锚具无明显损坏，锚杯 与螺母旋合正常。 4索具与索索节点索夹的结构设计 （1）索具、索夹设计及相应技术责任由索厂完成。 （2）设计院应掌握索具、索夹设计原理及设计方法，并进行技术审定。 （3）设计院提技术条件时要求厂家必须按偏差 70施工误差设计索具，确保工程安全。 （4）设计院对索夹等非标准且受力复杂的构件，

12、应全过程参与技术设计，确保结构安全。 5索单元的电算模型输入 （1）SAP84 程序： 目前完全不考虑索单元；索预应力以温差来模拟。 （2）STAAD/CHINA 程序： 可根据初始预应力值对柔性索进行刚化，算出等效弹性模量。对索单元材料非线性有 所考虑，且索单元为只控不压杆。但该程序不考虑荷载作用后索内力增减对索单元刚度的 影响；因此在某些工况下（卸载）误差会很大。 （3）ANSYS 程序： 可根据索内力值随时对索单元刚度进行非线性计算并收敛。对索单元的计算是精确的。三钢结构预应力的概念及其实现过程砼结构的预应力概念是“实”的（确定值） 。钢结构的预应力概念是“虚”的（基本不可测定的） 。

13、1 砼结构预应力（后张）： 砼结构预应力是在已有砼刚性结构上，将预应力筋（索）穿过预留孔道，张拉预应力 达到预定值后，回放并固定于端部锚具上。在此过程中，预应力值是可读、确定的 （体内预应力钢桁架基本同理） 。 2 钢结构预应力： a预应力钢结构体系的张拉过程是体系由几何可变的机构到几何稳定的结构变化过程。 所谓的“预应力值”总是存在于结构某一（荷载组合）工况下的组合内力中。而不可 直接测量“预应力值” 。若想判定索的预应力值，只能通过测量体系在某荷载组合工况5下索内力值是否与理论计算值相吻合来衡量。该过程要考虑材料及几何非线性，分析 过程复杂。 b既然测不出索预应力值，如何进行索的预应力值设

14、计及施工？预应力钢结构采用 “定长索”法设计预应力值即根据电算模型中虚拟的索预应力值确定索的下料长 度索的制作长度（索体、索具总长） ，为设计预应力状态下的尺寸并应进行温度校 正。通俗地讲，先将索切短再拉长到预定长度，该过程施加的力即对应到设计预应 力值。c钢结构预应力值的影响因素 施施 初始温度为电算模型中温差应力的温度差：下料时的温度与施工时电算模型采用预应力值TTTP003预应力钢结构主要目标 增强结构体系稳定性用要求减小变形、满足正常使力、减小构件尺寸调整构件内力、支座反预应力砼结构主要目标 控制裂缝同“钢结构”同“钢结构”四、钢结构预应力度的概念与设计方法： 1概念：前节叙述了单根索

15、的预应力设计值概念及工程实现过程（方法） 。 钢结构预应力度的概念即拉索结构体系中索系预应力的最优状态，其目标是构造索的 最小预应力与结构最大安全度（变形小，应力小）双目标函数。 2索截面尺寸的设计 一般可根据所有索系预应力为零状况下，不利组合工况下索内力。根据设计允许应力 初定索截面尺寸。 对各索取 0.4 倍左右（设计允许拉力）作为预应力值。重新进行荷载组合计算。各 种最不利组合工况下，索内力不能出现零应力；同时不能超过设计允许拉力。 3 预应力度的设计： 对于预应力拉索钢结构体系，具有与普通钢结构不同的设计特点。当所有结构部件确 定后，仍可利用索系的预应力调整结构体系的内力和位置，使结构达到最优的内力和位移 控制，并获得安全经济双重效果。 （1）定义斜拉索结构中有 n 根可调节预张力设计变量的索，并存在 m 个与索预张力有关 的指定变量。当第 i 根索产生单位张力时，使第 j 根索内力、位移的状态变量产生改变，定 义其为 Aij，则在索（i）张力 Xi作用下，其状态改变值为 AijXi，当结构在总荷载作用下， 处于弹性状态时，则满足叠加原理。所有索张力作用下，第 j 根索状态变量改变总值为； niiijXA1结构工程设计要求满足下述方程： （1）jniiijojAXAA16除索预张力外其它所有荷载作用下第 j 根索内力或位移的状态变量最