大跨度預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用分析
【摘要】對(duì)于大跨度鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，不能簡單根據(jù)手冊(cè)或者圖集來進(jìn)行設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)結(jié)構(gòu)自身特點(diǎn)選擇合理的承重形式。對(duì)于荷載較大的大跨度鋼桁架，需根據(jù)桁架形式來優(yōu)化布置桿件。根據(jù)鋼筋桁架自承重混凝土板的諸多優(yōu)點(diǎn)，最終選用該承重板形式。本文通過介紹大跨度鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，分析了大跨度預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。
【關(guān)鍵詞】大跨度；預(yù)應(yīng)力；鋼結(jié)構(gòu)；應(yīng)用
近年來，隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，各類技術(shù)也不斷發(fā)展起來，大跨度結(jié)構(gòu)已成為了當(dāng)今經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的需要。大跨度鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用為各類大型橋梁和房屋的建設(shè)造成了極大的便利，為建筑事業(yè)發(fā)展起到了促進(jìn)作用。
1 大跨度預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)概述
大跨度鋼結(jié)構(gòu)是當(dāng)今建筑中應(yīng)用很廣的結(jié)構(gòu)，因?yàn)榇罂缍蠕摻Y(jié)構(gòu)具有承載力高、延性好、剛度大、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，得到了日益廣泛的應(yīng)用。對(duì)于新型大跨結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)整體上是空間結(jié)構(gòu)；其跨度大，可覆蓋巨大的室內(nèi)空間；矢高小、曲率平緩，可有效利用空間；厚度薄、自重輕，節(jié)省材料；形式多樣，可適合于各種形狀的平面組合。對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)來說，其根本不適合用于大跨結(jié)構(gòu)中，其采用的單向板以及雙向板隨著跨度的增大，將會(huì)使樓板的厚度增加，所配置的鋼筋量必然增大，顯然這不適合用于大跨度結(jié)構(gòu)中。近代大跨度結(jié)構(gòu)建筑至19世紀(jì)末已有較大成就。而對(duì)于應(yīng)用于跨度較大的井式樓蓋中時(shí)，其特點(diǎn)就不盡相同了，對(duì)于以上兩個(gè)類型的應(yīng)用中梁的高度相等且一般等間距布置，無主次梁之分，四周承重墻支撐或角柱支撐，可以解決一些大跨度空間的設(shè)計(jì)要求，因此適用于柱網(wǎng)間距或房間平面面積較大時(shí)，多用于門廳、會(huì)議廳，但是把井式樓蓋應(yīng)用于大跨度空間結(jié)構(gòu)中，必然會(huì)使造價(jià)較高。顯然，對(duì)于大跨度結(jié)構(gòu)來說，采用鋼結(jié)構(gòu)明顯優(yōu)于混凝土結(jié)構(gòu)等，而且隨著跨度的不斷增大，這種優(yōu)勢(shì)尤為突出。尤其是對(duì)于柔性屋蓋體系來說，混凝土和鋼-混凝土組合屋蓋暫不適用，而鋼結(jié)構(gòu)則具有明顯優(yōu)勢(shì)。
2 大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)
隨著社會(huì)的發(fā)展大跨屋蓋建筑的數(shù)量和規(guī)模增長非常迅速；對(duì)大跨度預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用的建筑的抗震設(shè)計(jì)重視不夠。并且出現(xiàn)不少樣式優(yōu)美、造型奇特、風(fēng)格各異、但是抗震性能很差的建筑。為此，結(jié)合大跨鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的設(shè)計(jì)實(shí)例，對(duì)于大跨空間鋼結(jié)構(gòu)來說，有許多該注意的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。
鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)相比，最大的不同在于，鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)形式的合理及可靠是保證結(jié)構(gòu)體系安全的關(guān)鍵，一般而言，混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)可以做到完全剛接，故計(jì)算假定與實(shí)際結(jié)構(gòu)基本吻合，而鋼結(jié)構(gòu)則不同，絕大多數(shù)節(jié)點(diǎn)既非絕對(duì)剛接，亦非絕對(duì)鉸接，根據(jù)節(jié)點(diǎn)形式及構(gòu)造的不同，節(jié)點(diǎn)剛度是一個(gè)變量，但通常均將節(jié)點(diǎn)設(shè)定為剛接或鉸接，造成理論計(jì)算與實(shí)際結(jié)構(gòu)不符。還有 ， 鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)造型日趨復(fù)雜，很難按常規(guī)的梁、桿或板單元進(jìn)行計(jì)算，必須采用有限元方法才能找出內(nèi)力分布規(guī)律，避免應(yīng)力集中，保證結(jié)構(gòu)安全。
鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的連接形式主要有全焊連接、高強(qiáng)度螺栓連接和栓焊混合連接。其中，高強(qiáng)度螺栓連接作為新型連接形式，在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用，尤其對(duì)于高層和超高層鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)均采用了高強(qiáng)度螺栓連接方式。在對(duì)摩擦型高強(qiáng)度螺栓連接進(jìn)行抗剪設(shè)計(jì)時(shí)，以外剪力達(dá)到由螺栓預(yù)壓力所能提供的最大摩擦力為極限。設(shè)計(jì)過程中要保證摩擦力完全能承受整個(gè)使用期間外剪力，螺栓桿和孔壁間始終保持原有空隙，使板件間不會(huì)發(fā)生相對(duì)滑移變形。承壓型高強(qiáng)度螺栓連接設(shè)計(jì)只考慮在正常使用荷載作用下剪力不超過最大摩擦力。
按照《鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度螺栓連接技術(shù)規(guī)程》中的規(guī)定，通過計(jì)算來選用高強(qiáng)度螺栓連接類型。通過柱翼緣或腹板上的連接板與梁腹板或翼緣用高強(qiáng)度螺栓連接，同時(shí)在梁翼緣對(duì)應(yīng)的位置設(shè)置柱的水平加勁筋來加固。針對(duì)焊接缺陷，同時(shí)本項(xiàng)目深化設(shè)計(jì)時(shí)盡量使構(gòu)件各部分剛度和焊縫均勻布置，對(duì)稱設(shè)置焊縫，減少交叉和密集焊縫，另外采取合理的施工順序，以減小鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)處的變形。
3 大跨度預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用
在當(dāng)今社會(huì)中，大跨度與空間鋼結(jié)構(gòu)主要用于公共建筑，比如各種橋梁及有名建筑，大跨度結(jié)構(gòu)也用于工業(yè)建筑，大跨度結(jié)構(gòu)主要是在自重荷載下工作，主要矛盾是減輕結(jié)構(gòu)自重，故最適宜采用鋼結(jié)構(gòu)。所以使得鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用更加廣泛。隨著社會(huì)技術(shù)的發(fā)展，在大跨度空間結(jié)構(gòu)中引入現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力技術(shù)，不僅使結(jié)構(gòu)體形更為豐富而且也使其先進(jìn)性、合理性、經(jīng)濟(jì)性得到充分展示。在大跨度屋蓋中應(yīng)盡可能使用輕質(zhì)屋面結(jié)構(gòu)及輕質(zhì)屋面材料，如彩色涂層壓型鋼板、壓型鋁合金板等。
大跨度預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用中通過適當(dāng)配置拉索，可使結(jié)構(gòu)獲得新的中間彈性支點(diǎn)或使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生與外載作用相反的內(nèi)力和撓度而卸載，前者即為斜拉結(jié)構(gòu)體系，后者則為預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)體系。這一類“雜交”結(jié)構(gòu)體系將改善原結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，降低內(nèi)力峰值，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度、技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果明顯提高。目前我國已在80余項(xiàng)大跨空間鋼結(jié)構(gòu)工程中應(yīng)用了預(yù)應(yīng)力技術(shù)，如廣東清遠(yuǎn)市體育館（六點(diǎn)支承，對(duì)角柱跨度89m，六塊組合型雙層扭網(wǎng)殼）在周邊設(shè)6道預(yù)應(yīng)力索后其用鋼量44.3kg/m，約比原方案節(jié)省鋼材32%，其它一些類型的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)后一般都可節(jié)約30%以上的鋼材。目前許多高校對(duì)索托結(jié)構(gòu)，索網(wǎng)結(jié)構(gòu)等以高強(qiáng)鋼索與鋼材為主承重結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)新體系，正在進(jìn)行理論研究，積極準(zhǔn)備工程實(shí)踐，可以預(yù)期新型的預(yù)應(yīng)力大跨空間鋼結(jié)構(gòu)不久即將涌現(xiàn)在各類建筑中。膜結(jié)構(gòu)是當(dāng)前我國正在興起的一種空間結(jié)構(gòu)，其中應(yīng)用較多的是張力膜結(jié)構(gòu)。這是一種以玻璃纖維織物或聚酯纖維織物為基層，以聚四氟乙烯或PVC為涂層的膜材與不同類型的支承體系間的組合，而其支承體系可為索一支柱或索一桿結(jié)構(gòu)，它們常在膜材獲得預(yù)應(yīng)力后協(xié)同工作。
4 預(yù)應(yīng)力張拉施工及質(zhì)量控制
4.1 工程概況
某體育館可以舉辦國際單項(xiàng)賽事和國內(nèi)綜合賽事的大型甲級(jí)體育建筑。建筑高度30m；建筑面積2.7萬m2；比賽場(chǎng)屋面結(jié)構(gòu)為大跨度多重弦支網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)，通過7 根主索桁架、6根次索桁架及其他鋼構(gòu)件組成；主索由 265 根 5 鋼絲束組成，次索由109根 5 鋼絲束組成；比賽場(chǎng)跨度67.2m -87.7m，多重弦支網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力張拉施工是工程施工的難點(diǎn)和重點(diǎn)。
4.2 預(yù)應(yīng)力張拉準(zhǔn)備
（1）預(yù)應(yīng)力張拉施工方案編制的成敗，是預(yù)應(yīng)力張拉的關(guān)鍵工作。為此首先按有關(guān)規(guī)定、程序?qū)κ┕し桨附M織有關(guān)專家進(jìn)行論證、審批。（2）預(yù)應(yīng)力張拉施工監(jiān)控。預(yù)應(yīng)力索張拉過程中，按照監(jiān)控方案選取有代表性的三榀主桁架進(jìn)行了監(jiān)控，并與施工油壓表換算預(yù)應(yīng)力張拉值進(jìn)行比對(duì)，判定誤差滿足要求（-2%～5%）。（3）對(duì)張拉工器具特別是油壓表的標(biāo)定進(jìn)行檢查驗(yàn)收。
4.3 預(yù)應(yīng)力張拉
預(yù)應(yīng)力索設(shè)計(jì)張拉力，主索： 1294kN；次索： 582kN。張拉力分8 級(jí)進(jìn)行，第一級(jí)為設(shè)計(jì)值的30%，余下各級(jí)為10%，各級(jí)實(shí)際張拉力與設(shè)計(jì)張拉力誤差 +5%～-2%。應(yīng)用大型有限元分析軟件 ANSYS 對(duì)施工工況分析，給出了各索施工理論（ 方案） 張拉力及變形值，見表 1。張拉過程分五級(jí)： 0% →25% →50% →70% →90% →100% （ 按施工張拉索力） 第五級(jí)張拉完成后，考慮到錨固預(yù)應(yīng)力損失，在理論施工張拉力的基礎(chǔ)上，超張拉至 105%。施工理論（ 方案） 張拉力與實(shí)際張力見表 1。預(yù)應(yīng)力張拉全過程對(duì)主桁架跨中豎向位移，支座水平位移，用全站儀進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，見表2。為了核實(shí)張力值由第三方監(jiān)測(cè)單位，按照提前制定的監(jiān)測(cè)方案，抽取有代表性的三榀主桁架進(jìn)行監(jiān)測(cè)，見表1。
5 結(jié)語
綜上所述，在大跨度預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用中，隨著體外預(yù)應(yīng)力束編束的增加 （ 即預(yù)應(yīng)力度的增加） ，組合梁橋的自振頻率就會(huì)隨之增加，從而承重能力就會(huì)增加， 同時(shí)預(yù)應(yīng)力度對(duì)不同振型的頻率影響不同。本文從比較混凝土結(jié)構(gòu)、組合結(jié)構(gòu)以及鋼結(jié)構(gòu)出發(fā)，分析比較鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用于大跨度空間結(jié)構(gòu)中的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，可為大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考借鑒。
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