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    钢结构预应力技术的特点及应用

    发布时间:2020-03-31

    钢结构预应力技术以其众多优势在建筑工程中倍受青睐。钢结构预应力技术类型众多,且特性鲜明,在实际应用中应把握其特性,对其进行合理利用,以发挥工程效益。本文主要分析钢结构预应力技术的特点,并结合实例分析其具体应用。 
    【关键词】钢结构预应力技术;特点;应用 
    引言 
    近年来,钢结构预应力技术在建筑工程中得到广泛应用,与传统钢结构混凝土结构相比,其在提高建筑结构承载力、增加结构稳定性、创新结构体系等方面发挥着巨大作用。经过多年的发展创新,预应力钢结构的应用范围几乎已覆盖了全部钢结构领域,在很大程度了促进了建筑行业的发展和进步。 
    1 预应力钢结构的发展现状 
    预应力钢结构类型众多,按照按结构受力体系来分,可分为平面预应力钢结构和空间预应力钢结构。平面预应力钢结构主要适用于预应力轴向受力钢构件,例如:预应力支撑、预应力柱等;预应力受弯钢构件,如:预应力实腹梁、预应力钢桁架;平面索拱结构、索桁结构、张弦梁,如张弦桁架;平面吊挂及斜拉结构等。空间预应力钢结构则在预应力网架、预应力网壳、空间张弦梁(张弦桁架)、正交(或斜交)索拱结构等方面比较适用。随着我国的建筑行业的发展,钢结构预应力技术也表现出其极大的实用性,如:对于需要大跨度及大体量无阻挡空间(体育馆、歌舞剧院等)皆应用预应力钢结构来提高其稳定性和承载力。 
    2 钢结构预应力技术的特点 
    2.1 耐火性差 
    对于预应力的钢结构来说,温度到达300℃左右会出现由徐变现象,对建筑结构产生较大影响,例如:造成预应力松弛的问题,进而引起结构内力重新分布,对整个建筑结构造成破坏,且随着预应力的增大,其耐火性越来越差。因此,在应用钢结构预应力技术时,应充分考虑其防火设计,根据工程防火等级制定严格的设计方案,以减少这种不利影响。但是目前对预应力钢结构耐火问题的研究几乎空白,因此,这一特性在一定程度上限制了其发展。 
    2.2 形成新的结构体系 
    钢结构预应力技术的一大特点是可以构成新的结构体系,具有比较广泛的适用性,例如索穹顶结构,如果没有预应力技术,就没有索穹顶结构,另外预应力技术还可以作为预制构件(单元杆件和组合结构)装备的手段,从而形成一种新型的结构,如弓式预应力结构,还有采用预应力技术后,可以组成一种杂交的空间结构,或者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,具有明显的经济效益。 
    2.3 监控和索张拉 
    首先,预应力施加完成前结构尚未成形时,钢结构整体刚度较差,因此一般都会边施加预应力边用有限元软件进行仿真验算,同时进行张拉力和位移的监测,以确保钢结构顺利的建成。其次,钢结构预应力施工会有阶段性,可以是嵌套形式;另外还需要确定一个形状控制为索张拉目标,目标实现时的索力为目标控制索力,在实际应用中,必须使用少数设备实现目标控制索力,以降低成本。 
    3 刚结构预应力技术在建筑工程中的应用――以某图书馆为例 
    3.1 工程概况 
    某体育馆在建设中应用到钢结构预应力技术,其概况如下:整个体育馆为五层结构,地上四层、地下一层,主要由比赛区,热身区,外围附属用房,地下车库这四个分区组成。热身区以及赛区的屋顶构成一个钢结构整体,钢结构屋盖为单曲面、其形式为双向张弦桁架钢结构,上弦为平面桁架,且其正交正放,下弦形成双向张拉索网结构。 
    3.2 设计方案 
    根据实际应用特点和施工现场的实际情况,决定采用以下设计方案:比赛馆屋面呈南高北低波形曲线,结构最高点标高为42.454m。屋盖上层采用正交正放桁架结构,桁架双向间距8.5m,结构截面高1.518~3.973m。上弦面内的全部杆件或者腹管均为圆管,圆管截面为159×6mm~480×24mm,采用无缝钢管,下弦面内所有杆件为焊接矩形管,截面范围为350×200×8×8~450×275×25×20mm。上弦采用带肋焊接球节点,截面范围D500×18mm~D700×35mm。下弦采用铸钢节点。屋盖钢结构在比赛区区域的尺寸为114m×144.5m。纵向有B~Q轴共14榀平面桁架,两侧边6榀桁架不布索,E~M轴共8榀,为预应力索张弦纵向桁架。横向有7~24轴共18榀平面桁架,两侧边各2榀不布索,9~22轴为预应力索张弦横向桁架,见图1。预应力索为上下两层结构,纵索采用单索结构,且处在上面,横索为双索,且在下。桁架预应力钢索采用缆索,其型式为挤包双护层大节距扭绞型,定位撑杆(撑杆为圆管,截面为219×12mm,最长为9.248m)。上端与桁架结构的下弦连接,其切采用万向球绞节点,下端与索连接,采用夹板节点,纵横向索穿过钢撑杆下端的双向节点,形成双向张拉空间索网,索端与钢结构采用铸钢节点连接。 
    图1 张弦桁架轴测图 
    3.3 钢结构预应力技术的应用 
    3.3.1 预应力索张拉 
    考虑到实际工程的特点,决定采用以下设计方案:张拉施工由两端逐渐向中间进行双方向对称施工,且分3级进行。第一张拉至设计索力要求的80%;第二次张拉全部设计索力,并超张拉5%;第三级微调索力,使其达到设计要求。具体分析如下:第一次张拉9、22,E、M轴线张拉到80%设计力,分别为980、1060、1360、1360KN。第二次张拉21,F、L轴线张拉到80%设计力,分别为1110、1750、1640、1640KN。 
    3.3.2 预应力监测 
    在张拉中,钢结构屋架向上拱起,在张拉完成后,屋盖与支撑塔架脱离,完成卸载的过程。屋盖中心起拱采用吊线坠与全站仪两种监测方式,屋盖中心起拱设计理论计算值为177mm,实测为159mm,偏差18mm。按设计计算,若起拱值达到理论计算值的50%(即89mm),在屋面全负荷状态下仍可满足承载力和正常使用要求,因此,起拱159mm与设计理论值177mm吻合较好,完全满足设计要求。 
    4 结束语 
    在建筑工程中,钢结构预应力技术已经逐渐发展为比较成熟的一项施工技术,今后在不断的发展中,还将继续完善。众多工程实践说明,预应力技术以种种优势,在钢结构中有着强大的生命力和竞争力,今后应不断扩大其应用范围,充分发挥其优势和作用。 

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