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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；
2、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. 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 ①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 ②对于受弯构件，先使它反向弯曲；（用曲线配筋，使之作用
3、与原弯曲图相反） 图4 对受弯构件施加预应力 ③对于受压构件，减少无支长度，提高φ值。 图5 对受压构件施加预应力 2. 较少结构挠度 ①梁、刚构反向预应力，可减少挠度； 图6 预应力减少梁的挠度 ②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 ①增加单体刚度，提高自振频率； ②使索结构振动线性化，便于计算控制； ③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
4、力特性 ①可使拉索承受压力；（预应力的损失） ②可使受纯弯曲变成压弯； ③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 ①单索结构：索道、索桥； 图7 单索 ②平面索桁架：拉索撑杆体系； 图8 平面索桁架 ③空间索桁架：车轮式悬索结构； 图9 空间索桁架 ④索网 图10 索网 2. 预应力刚性结构
5、 ①预应力大梁 图11 拉索预应力简支梁形式 ②预应力桁架 图12 预应力轻型桁架示意图 ③预应力门式刚架 图13 预应力门式刚架示意图 ④预应力框架 图14 预应力框架示意图 ⑤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 ①预应力梁、桁架：大多应用于桥梁中 ②斜拉交叉梁系 ③斜拉梁 ④斜拉网架 图16 斜拉结构的布索形式 a)
6、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 ①千斤顶直接张拉法 图18 千斤顶直接张拉法 ②千斤顶推顶法 图19 千斤顶顶推法 ③丝扣拧张法 图20 丝扣拧张法 ④横向张拉法 图21 横向张拉法 ⑤电热张拉法 2. 支座位移法 图22 支座位移法 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
7、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 80×60 负高斯曲率椭圆形索网 17.3（不计圈梁） 1984 天津宁河体育馆 42×42 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 27×27 拉索预应力组合平板网架 47.98（31.82％） 1994 四川攀枝花体育馆
8、 74.8×74.8 八边形双层球面网壳， 周边设8条预应力索 35.0（36.61％） 1995 河南空间结构厂仓库 36×36 对角线拉索预应力正交正放网架 14.58（45％） 1996 郑州碧波园 80×80 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 240.79×192.02 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 35 1997 贵州瓮福磷矿体育馆 54.0×42.0 预应力网壳 29.50 1999 广东连州一
9、中风雨操场 40×36 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 120×120 双向正交空腹桁架体系（非预应力） 694.4 2008 北京奥运会主体育场 （鸟巢） 333.2×296.4 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
10、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
11、一 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 工况二 162.3 166.0 109.1 8.3 150.2 20 工况一 8.49 12.0 -7.5 -0.8 75.4 工况二 155.8 161.8 103.3 7.7 208.2 50 工况一 21.2 30.2 -18.8 -2.0 188.6 工况二 146.0 155.5 94.6 6.7 295.3 100 工况一 42.4 60.8 -37.7 -4.1 377.0 工况二 129.7 145.1 80.1 5.2 440.2
12、150 工况一 63.7 120.2 -56.5 -6.1 565.7 工况二 113.4 134.6 65.6 3.6 586.3 200 工况一 84.9 160.3 -75.4 -8.2 754.1 工况二 97.0 124.2 51.1 2.0 730.4 250 工况一 106.1 200.0 -94.2 -10.2 942.6 工况二 80.7 113.8 36.6 0.4 875.4 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
13、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） 柱顶侧移 （mm） 拉索应力 （MPa） 10 工况一 63.7 120.2 -56.5 -6.1 1242.1 工况二 122.2 140.3 73.4 4.4 1170.9 15 工况一 63.7 120.2 -56.5 -6.1 552.0 工况二 113.7 134.9 65.9 3.6 5
14、97.7 20 工况一 63.7 120.2 -56.5 -6.1 310.5 工况二 104.1 128.7 57.4 2.7 385.4 25 工况一 63.7 120.2 -56.5 -6.1 198.7 工况二 94.5 122.6 18.9 1.8 278.2 30 工况一 63.7 120.2 -56.5 -6.1 138.0 工况二 85.6 116.9 41.0 0.9 213.5 3. 风荷载 风荷载只要不是特别大，那么它对预应力门式刚架梁柱的应力和梁跨中的竖向
15、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 0 0.99 0.99 131.9（178） 33.6（125） 0.14~0.28 0.25 0.99 0.99 131.9（178） 33.8（125） 0.12~0.28 0.45 0.99 0.99 131.9（178）
16、 34.0（125） 0.09~0.28 0.8 0.99 0.99 131.9（178） 34.2（125） 0.04~0.28 1.0 1.09 0.99 154.8（178） 39.1（125） 0.01~0.28 1.2 1.36 1.23 185.8（178） 44.1（125） 0~0.28 1.5 1.77 1.62 232.2（178） 54.6（125） 0~0.28 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
17、 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（％） 24 1988 1884 5 26 2222 2094 6 28 2434 2321 5 30 2916 2633 10 32 3387 3037 11 36 4650 4147 11 5. 门架的间距 随着门架间距的增加，预应力门式刚架的经济性也越来越明显。 表6 普通门架和预应力门架用钢量比较（不同间距） 柱距D（m） 普通门式刚架（kg） 预应力门式刚架（kg） 节约钢材（％） 6 1988 1884 5 7.5 2145 2028 5 9 2383 2183 8 12 2934 2669 9
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