《预应力钢结构简介.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《预应力钢结构简介.doc（13页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、预应力钢结构简介摘要：本文简述了预应力结构的原理、作用、施加预应力方法、工程应用分类、经济性比较等，特别重点分析了预应力门架的影响经济性的各种参数。一、预应力结构原理 何谓预应力？预应力就是工程结构在承受荷载前、或在承受部分使用荷载时，人为地给结构施加了一种力，使其在使用阶段的受力性能得到改善。这种技术即谓之预应力技术。 我们祖先最早发明了预应力技术，如： 1. 木桶打箍：预加环向压力，以消除使用阶段或水产生的外张拉力；a）水张力 b）预压力图1 木桶打箍 2. 木锯张紧索：用于固定据条； 3. 弓弦：用于引发发射弹力； 4. 帐篷：边索施加预应力，使帐篷布撑开、固定，并能承受一定荷载； 5.
2、 雨伞：用减少两组铰接撑杆一端的距离，使上复板层受张力而张开，并能承受一定风荷载。 a）未打开 b）打开图2 雨伞二、预应力的作用 1. 增加承载力 对于受拉构件，先加压力；（用高强材料代替低强度材料）图3 预应力组合拉杆示意图1-高强钢索(f=)；2-槽钢；3-盖板；4-缀板 对于受弯构件，先使它反向弯曲；（用曲线配筋，使之作用与原弯曲图相反） 图4 对受弯构件施加预应力 对于受压构件，减少无支长度，提高值。图5 对受压构件施加预应力 2. 较少结构挠度 梁、刚构反向预应力，可减少挠度；图6 预应力减少梁的挠度 索网的反向索预应力，可减少正向索使用阶段的挠度。 3. 调节振动特征 增加单体刚
3、度，提高自振频率； 使索结构振动线性化，便于计算控制； 局部施加预应力，可改变整个结构振动特性，如结构振动控制中的钢弦控制方法。 4. 改变结构受力特性 可使拉索承受压力；（预应力的损失） 可使受纯弯曲变成压弯； 可使轴心受压变成偏心受压。 5. 使结构成形 对索网与张力结构，不加预应力，就不能构成形状固定的结构。三、预应力钢结构工程应用分类 1. 预应力柔性结构 单索结构：索道、索桥；图7 单索 平面索桁架：拉索撑杆体系；图8 平面索桁架 空间索桁架：车轮式悬索结构；图9 空间索桁架 索网图10 索网 2. 预应力刚性结构 预应力大梁图11 拉索预应力简支梁形式 预应力桁架图12 预应力轻型
4、桁架示意图 预应力门式刚架图13 预应力门式刚架示意图 预应力框架图14 预应力框架示意图 预应力网架、网壳与Tensegrity体系图15 准Tensegrity体系Suspen-Dome 3. 预应力斜拉结构 预应力梁、桁架：大多应用于桥梁中 斜拉交叉梁系 斜拉梁 斜拉网架图16 斜拉结构的布索形式a)放射式；b)竖琴式；c)扇式；d)星式图17 英国伯明翰国家工程中心展厅屋盖四、施加预应力的方法 1. 拉索法 千斤顶直接张拉法图18 千斤顶直接张拉法 千斤顶推顶法图19 千斤顶顶推法 丝扣拧张法图20 丝扣拧张法 横向张拉法图21 横向张拉法 电热张拉法 2. 支座位移法图22 支座位移
5、法 3. 弹性变形法图23 弹性变形法预应力梁内力图五、预应力钢结构与非预应力钢结构经济性比较实例表1预应力钢结构工程用钢量及其非预应力钢结构工程用钢量比较表建造年代工程名称建筑尺寸(m)采用的结构形式用钢指标(kg/m2)节约钢材(%)1967浙江省体育馆8060负高斯曲率椭圆形索网17.3（不计圈梁）1984天津宁河体育馆4242正放四角锥网架，用支座位移法施加预应力31.61（12）1988汉城奥运会主体育馆D=119.79拉索压杆体系14.6（不计压环）1992上海国际购物中心2727拉索预应力组合平板网架47.98（31.82）1994四川攀枝花体育馆74.874.8八边形双层球面网
6、壳，周边设8条预应力索35.0（36.61）1995河南空间结构厂仓库3636对角线拉索预应力正交正放网架14.58（45）1996郑州碧波园8080八面锥形网壳（局部三层，变高），周边设4条预应力索43.5（15）1996亚特兰大奥运馆乔治亚穹顶240.79192.02空间拉索撑杆体系（支撑在圆形环梁上），将脊索由辐射状改进为交叉联方网格，空间性能更好351997贵州瓮福磷矿体育馆54.042.0预应力网壳29.501999广东连州一中风雨操场4036双层扁网壳，四边各设一预应力索21.2（23）典型的非预应力钢结构工程用钢量指标2008北京五棵松篮球馆120120双向正交空腹桁架体系（非预
7、应力）694.42008北京奥运会主体育场（鸟巢）333.2296.4平面交叉桁架体系（中间无屋顶），结构自重/活载14倍（非预应力）726图24 汉城体育馆（1988）图25 乔治亚穹顶（Georgia Dome）体育馆（1996）图26 浙江黄龙体育中心体育场挑蓬钢结构a)斜拉索布置；b)稳定索布置图27 浙江省人民体育馆（1967）图28 北京奥运会主体育场图29 北京五棵松篮球馆六、预应力门架的影响因素及其经济性图30 预应力门式刚架简图 1. 拉索的初拉力增大拉索的预应力可以减少刚架的最终变形和内力，提高结构的承载力。当然，拉索预应力增大，刚架梁的轴力也增大，这对梁的稳定是不利的，从
8、梁的稳定来看，拉索的预应力不宜过大。表2 预应力门式刚架的应力和变形（不同的初拉力）拉索初拉力T0（kN）工况柱应力（MPa）梁应力（MPa）梁跨中挠度（mm）柱顶侧移（mm）拉索应力（MPa）0工况一0.00.00.00.00.0工况二162.3166.0109.18.3150.220工况一8.4912.0-7.5-0.875.4工况二155.8161.8103.37.7208.250工况一21.230.2-18.8-2.0188.6工况二146.0155.594.66.7295.3100工况一42.460.8-37.7-4.1377.0工况二129.7145.180.15.2440.215
9、0工况一63.7120.2-56.5-6.1565.7工况二113.4134.665.63.6586.3200工况一84.9160.3-75.4-8.2754.1工况二97.0124.251.12.0730.4250工况一106.1200.0-94.2-10.2942.6工况二80.7113.836.60.4875.4 2. 拉索的截面积 增大拉索的截面积可以增强结构的整体刚度，减少刚架的变形和内力，提高结构的承载力。当然，从经济性的角度考虑，拉索的截面积不宜选用得太大。表3 预应力门式刚架的应力和变形（不同拉索截面积）拉索的直径d（mm）工况柱应力（MPa）梁应力（MPa）梁跨中挠度（mm）
10、柱顶侧移（mm）拉索应力（MPa）10工况一63.7120.2-56.5-6.11242.1工况二122.2140.373.44.41170.915工况一63.7120.2-56.5-6.1552.0工况二113.7134.965.93.6597.720工况一63.7120.2-56.5-6.1310.5工况二104.1128.757.42.7385.425工况一63.7120.2-56.5-6.1198.7工况二94.5122.618.91.8278.230工况一63.7120.2-56.5-6.1138.0工况二85.6116.941.00.9213.5 3. 风荷载 风荷载只要不是特别大
11、，那么它对预应力门式刚架梁柱的应力和梁跨中的竖向挠度没有什么影响，但对柱顶的侧移和拉索的最小应力有一定影响。当风荷载特别大时，刚架的应力和变形都有较大的变化，而且拉索的应力可能变为零，即拉索在较大风荷载的作用下可能处于失效状态。表4 预应力门式刚架的应力比和变形（不同风荷载）风荷载(kN/m2)柱应力比梁应力比梁跨中挠度(mm)柱顶侧移(mm)拉索应力比00.990.99131.9（178）33.6（125）0.140.280.250.990.99131.9（178）33.8（125）0.120.280.450.990.99131.9（178）34.0（125）0.090.280.80.990
12、.99131.9（178）34.2（125）0.040.281.01.090.99154.8（178）39.1（125）0.010.281.21.361.23185.8（178）44.1（125）00.281.51.771.62232.2（178）54.6（125）00.28 4. 门架的跨度 随着门架跨度的增加，预应力门式刚架的经济性越来越明显。表5 普通门架和预应力门架用钢量比较（不同跨度）门架跨度L（m）普通门式刚架（kg）预应力门式刚架（kg）节约钢材（）241988188452622222094628243423215302916263310323387303711364650414711 5. 门架的间距 随着门架间距的增加
