预应力钢结构技术讲座_4_1_预应力钢平面结构体系

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1、技术讲座预应力钢结构技术讲座 ?一? ?预应力 钡结构平面结构体系陆赐麟?北京工 业大学?以洲 ? ? ?平面结构体系的分类与特征, 一?,只考虑在二维空间承受荷载的结构称 为平面结构体系,其中有些是在实际工 程中只在结构平面内受力,不承受平面外荷载。而多数结 构在实际中是可能三维受力的,但因其侧向刚度 小 或简 化计算方法等原因,不考虑其平面外的承载功能,视作平面结构体系进行计算和分 析。预应力平面体系大都是在非预应力平面体系 的基础上发展起来的,也就是说在传统的平面体系上局部或整体地引人预应力。因此其经济效益并不显著,一般钢材节约率在? ?一? ?左 右?表? ?。这类预应力结构的特征是保

2、持了传统平面结构的组成形式及外形轮廓,沿杆件本身或在结 构 平面内进行廓内或廓外布索,局部或整体地 施加预应 力以改善个别或大部杆件的受力状态。但与此同 时也会加大部分杆件的荷载内力,恶化其受力条件,为此增大的材料消耗与其它受益杆件的材料节约相抵消后才是预应力产生 的经济效益。在传统平面结构体系 中引入预应力虽可节约钢 材,但在材 料上 的得失矛盾却是永恒的。因此不当的预应力方案经济效益甚微,错误的预应力 方案适得其反,其得失间的比例大小确定了所选预应力方案的经济效益。表?预应力平面钢结构经济效益建成年份国别结构名称及特征省钢 率? ?印? ? ? !比利时前 苏联美国前 苏联中国中国布鲁塞尔

3、屹机库大 门主析架? ? ?两套预应力索系罗斯托夫?跨连续 实腹钢梁桥?、? ?,的形拉索芝加哥国际机场机库悬臂钢析架,臂长 ? ?,上弦重叠布索阿拉木图机库大门双跨简支析架? ?,下弦局部布索本溪钢铁公司输煤栈桥平行弦简 支析架? ?廓外布索四川渡口市洗煤场栈桥双跨简 支平行弦析架? ?, ?多次预应力? ? ?除实腹梁柱结构外,预应 力平面结构体系主要包括有精架、刚架、拱架、悬索及吊挂结构体系。下面将分别介绍各类结构的组成、构造、设计等特征及研究 应用情况。作者?陆赐麟男? ?年?月生副博士教授收稿日期? ?一? ?一? ?角尺寸由?减小到?是可行的。参考文献? ?一? ?钢结构工 程施?

4、几及验 收规范?第一版?北京?中国建筑上业出版社,? ? ? ?一?钢结构设计规范?第一版?北京?中国计划出版社,? ?罗邦富,魏 明钟,沈祖炎,陈明辉编?钢结构设计手册?第二版?北京?中国建筑业出版社? ? ?赵熙元主编?建 筑钢结构设计手册?第一版?北京?冶金?几业出版社,? ? ?王国周,瞿履谦编?钢结构?第一版?北京?清华大 学 出版社,? ?件?冶金部建筑研究总院?武钢三炼 钢厂? ?钢 厚钢板吊车梁的疲劳性能研究? ?陈绍蕃?钢结构设计原理?第一版?北京?科学 出版社,? ?肠?冶金部建筑研究总院?厚钢板全焊 吊车梁试验研究?陈绍蕃,钢结构设计原理?第一版?北京二科 学出版社,?

5、!? ? ? ?陈绍蕃?钢结构设计原理?第一版?北京?科学 出 版书?,? ? !滩?一?日? ? ? ? ?一?钢结构施?及验收规范?第一版?北 京?中国计划出版社,?卯? ? ?钢结 构?望到?年第?期第? ?卷总第? ?期陆 赐麟?预应力钢结 构技术讲座? ?一? ?预应 力平面析架体系? , ? ?平面析架是预应力钢结构领域中研究得最早,最 广泛的一种结构。因此在许多工程领域中都得到应用。其中尤以简支析架、连续析架、悬 臂析架、拱式柑架和立体析架研究和应用较多。绝大多数是借助 张拉 锚固于支座和节 点 间的拉索而 引入预应力的,所以又称其为拉索预应力析架。? ?析架的形式柑架的形式取

6、决于跨 度、荷 载及 功能的要求外,还要考虑预应力的经 济效益 与工艺可能。一般单跨时采用平行弦析架,制造安装方便? 图?,?、? ?,或采用坡面柑架便于排水和施加预应力?图?,?、?、? ?,跨度较大时采用弧形彬 架?图?,? ?,内力分布 合理。预应力索的布置有两种方案,一是局部布索,拉 索位于个 别 杆件上 ? 图?,?、?、? ?,预应力只影响布索杆件。二是整体布索,它又分为廓内布索?图? ,?、?、? ?和廓外布索? 图?,?、?、? ?两种,张拉钢索时对析架大部杆件卸载,对小部分 杆件 增载。局部布索效 果明确,杆件可在工厂预制,工地装配,但锚头增多、节 点构造 复杂等原因使析架整

7、体经济效益不高。所以只有 当跨度大,荷 载重,每根杆件都是单独运送单元 时采用局部布索才是合理的。整体布索时众多杆件皆可卸载,预应力工艺简捷,用料少,所以其经济效益比局部布索要大。但它仍对部分 杆件增载,所以整? ? ? ? ? ? ?,? ? ? ? ? ? ? ? ?回回? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙冈冈爪爪团团冈冈口口囚囚爪爪? ? ? ?阅?仪? ? ? ? ? ? ? ?图?预应力析架形式体布索方案与析架形式的选择会

8、直接影响彬架的总时宜取拉索至跨中上弦高度为?一?跨长,多次体经济效果。廓外布索可加大预应力的力度与效 果预应力析架高度应更小,可以达到? ? ?跨度或更小。?图 ? ,?、?、? ?,净空允许时,它不失 为可供选择的良好?析架的构造方案。局部布索时一般将索 布于受拉的杆身,如 悬根据杆件的内力大小选择合适的型钢截面。一臂析架位于上弦,简支析架位于下弦。跨度大,荷 载般可选用成对热轧角钢组成的截面 ?图?,?、?、? ?,但重时,可按杆 件受力大小重叠布索?图?,?、? ?以节约条件允许时采用封 闭截面更为合适,如圆管、方管 或索材。连 续析架布索一般亦 位于受拉 弦 杆?图?,对焊角钢截面?图

9、?,?、?、? ?,不仅便于拉索的 维护,?,也可 用整体布索方 式改善较 多杆 件的受力条件而且减少拉索锚头的数量。并且这种对称封 闭截面?图?,?、?、?。连续析架属静不定结 构,还可利用支具有等稳定性,能承受 较大 的预压应力。轻型钢结座升降法调 整内力。如果工艺条件允许可设计多次构可选用单角 钢或冷 弯薄壁型钢?图?,?、?、? ?。重预应力柑架?图? ,? ?,多次预应力的经济效益比单次型析架时则选用工字钢和槽 钢组成的截面 ?图? ,?、预应力的还要高出约? ?见表? ?。?、?、?,便于拉索的设置和监护。双腹 板的焊接封预应 力析架的高度理应不大于非预应力柑 架的闭截面 ?图 ?

10、 ,? ?具有较好的稳定性,适于较大 内力 的高度尺寸,一般不大于? ? ?一? ?跨长。廓外布 索受压杆件,只是设置? ? 板不便。 认恤厄伙勺特?田图?杆件截面的各种形式?表示拉索位置?让?伽? ? ? ? ? ? ? ,? ?,? ? ?技术讲座为保 证 杆 件与拉索的共 同工作,要 每问 隔? ?一? ?倍截面最小回转半径 的距 离用 隔 板将 拉索与杆件相连。月扁板沿接 触 边与杆肢 焊 牢,月扁板上设孔洞允许拉索穿越。孔 与索的间隙 尽可能小些?一? ?,既 可允许拉索在 幅 孔中纵 向 自由伸缩,又可保证拉索与杆件横 向共同工作。也可用圆管段或角钢段代替隔板,构 造简单,但其加固

11、效 果不如月戛板。局部预 应力的拉索沿杆长布置时应位于杆 件截面的重心或 轴对称 位置以保证施加预应力时杆 件轴向受力。整体预应力的拉索布置要考虑在柑架中产生最大 的预应力效益,即其布索方 案可以产生最 多数量的卸载杆,最少数量的增载杆和中性杆。其拉索穿越杆件截面时仍应遵守轴 对称布置 原则,以防止张拉 时在析架平面外失稳。在预应力张拉和承 受荷 载的任一阶段,受拉杆件 会出现受压情况时,必 须按照 压杆的设 计原则进行计算,要验算其强度和稳定性。拉索锚固节点和转折处节点是析架关键节 点,节 点的构 造及焊缝必 须保证安全可靠地传递拉 索力,并要 考虑拉 索各肢 的合力通过 杆件截面重心。要加

12、固节点板保证其局部稳定性,在拉索转折处 要增设弧形板以使集中荷载均匀传递。在拉索转折处要考虑拉索强度 的折减和减少摩阻力的措施。? ? 单次预应 力析架的计算与设计单独 杆件局部预 应力的析架计 算与普通析 架同,其预应力杆件的计算方法已在讲座 ? ? 中介绍。拉索整体预应力柑架的计算视为静不定体系进 行,拉索内力作为冗余力按力法求解。一般情况下对?次 超 静 定体系中设 置?根拉索时,结 构可视为?十?次超静定体系,体系 中未知数可取索 中拉力?和析架冗杆 内力?。根据力法可列 出? ?个方 程式如下并求解 出? ?、和?、孔。、?叫占一?一?占?一?占?。戈?占一?。十?“一?”占?,、?

13、乙?占。?一?石。?一?占,。戈?占。?。十一?“占。?。、?乙。?一?占?。?、?,?一?占?。?、?凡?占?。?、? ? ?占?。? ,十l)21 +”占。十* )(。十*)z*+乙(。十*)p =式中为nj l占!。lp占叩由于x!=1在义1瓜方 向产生的位移; 由于荷载在x、寿方向产生的位移。如果是在静定结构体系上增设n根拉索,则 视次超静定结构,其力法方程式如下:匀x l+乞2凡十” “ 十占】。戈+式p二o入l x l十饥2凡十”+姚。戈十八p二0(4一2)求进行设计。2 .4预应 力立体析架的特点与设计 4立体析架有三边及四边截面两种形式 (图 3 ),可简化成平面析架计算,具有

14、设计、制造、安装简单,双向刚度大,省钢材,无特殊工 艺要求等 特l飘,其 耗钢量 约为平面析架的 8 0 %8 5 %左右与平 板网架相近,兼有二者的优点,适用于我国广大城乡地区。近年来在我国许多地区及援外工程中都采用过立体析架。、.!、rt|石。一XI+J。2X2+“”+占。 。x。 +j叩=0对单跨简支析架只设一 条 拉索 时,可按 一次 超静定结构求解,其方程如下:乞l x +l P=0(4一3)因此荷载下拉索内力为二=_卫坚 占、 !(4一4)拉索中的总 内力 为荷载下 自应 力拉 力X,万预应力张力X之和根据初选拉索截面可求出拉索承载力从,所以预应力最大张力为:X=N 一X.(4一5

15、)初选的杆件截面是否合适要经过荷载阶段与预应力阶段内力状态的验 算,对任 何 阶段出现 压力 的杆 件不仅验算强度,还必须验算 稳定性 并按 压杆要图3立休行示架类形(a )一二边形 截面;(b )一四边形截面2 . 4 . 1立体析 架的截面形式三边形立体析 架的截面几何形状 为不变体系,自身稳定。而四边形 的截面形状儿何不变性则需增58钢结构19 99年第4期第1 4卷总第4 6期陆赐麟二预应力钢结构技术讲座 (4一l )设横 向支撑来保证。所以三边形柑架要比四边 形 的节约钢材r o% 左右。就采用预应 力技术而言,倒三边形截面比四边形的更 易于在廓 内布索,具有 较大的卸载力臂,构造合理,方便施工。所以采用倒三角形截面形式是廓内布索的预应力立体析架的合理选择。如果是采用廓外 布索以增大预应 力的经 济 效益,由于上下 弦受力状态的转换,采用正三角形截面是适宜的2 . 4 . 2立体析架的儿何尺寸与腹杆体系根据最 小用钢量准则,平面析架的经济高 度h=(1 / 1 0一 1/12 )L左右;平板网架 高 度一般 取( l /1 0一1 /2 0 )LZ。之所以后者选 用高 度 较 小是因为空间结 构具有较多数量 的腹杆,结 构高