【摘 要】隨著投資者對(duì)經(jīng)濟(jì)效益最大的追求，預(yù)應(yīng)力網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在大跨度空間結(jié)構(gòu)中滿足了節(jié)約鋼材、施工方便及建筑造型美觀等各項(xiàng)要求。
【關(guān)鍵詞】預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)；網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)；工程應(yīng)用；特點(diǎn)
一、前言
網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是具有曲面形狀并具有殼體的結(jié)構(gòu)特征的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)即為網(wǎng)狀的殼體結(jié)構(gòu)，是格構(gòu)化的殼體。它是由桿件構(gòu)成的曲面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，可以看作是曲面狀的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。
預(yù)應(yīng)力作為一種技術(shù)手段來(lái)源于日常生活，并陸續(xù)應(yīng)用于工程中，預(yù)應(yīng)力網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)便是其中之一。二十世紀(jì)四十年代，美國(guó)著名的建筑大師巴克明斯特·富勒 （C R. Buckminster Fuller），從一些自然現(xiàn)象中得到啟迪，發(fā)現(xiàn)了自然界的“間斷壓連續(xù)拉”的客觀規(guī)律，將這種規(guī)律命名為張拉整體（Tensegrity ）[1，2]。結(jié)構(gòu)中盡量減少受壓狀態(tài)而使結(jié)構(gòu)處于連續(xù)的張力狀態(tài)，從而使壓力成為張力海洋中的孤島。依據(jù)對(duì)稱性法則，既然宇宙中存在著“間斷壓連續(xù)拉”的原理，就應(yīng)該存在著“間斷拉連續(xù)壓”的原理。實(shí)際上確實(shí)也廣泛存在著“間斷拉連續(xù)壓”的現(xiàn)象。宇宙的星球就是“間斷拉連續(xù)壓”的最好模型，物質(zhì)在萬(wàn)有引力的作用下收縮，又由于內(nèi)部的相互擠壓從而形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)形態(tài)。
二、預(yù)應(yīng)力網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的發(fā)展情況
一種結(jié)構(gòu)型式的產(chǎn)生或者被淘汰都存在一定的條件，而使設(shè)計(jì)能滿足當(dāng)前應(yīng)用的需要是主要的。早期網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的雛形是鋼筋混凝土薄殼，但是鋼筋混凝土薄殼施工時(shí)需要架設(shè)大量模板，工作量很大，施工速度較慢，工程造價(jià)高。因而人們對(duì)之逐漸喪失興趣，開(kāi)始尋求新的結(jié)構(gòu)構(gòu)造形式。與其他傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相類似，預(yù)應(yīng)力網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的發(fā)展首先是依賴于實(shí)際應(yīng)用的需要，在一些大空間、大跨度的應(yīng)用需求下，促進(jìn)了預(yù)應(yīng)力網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的發(fā)展。譬如，體育建筑、會(huì)展中心、交通設(shè)施以及其他公共建筑的需要。
隨著研究開(kāi)發(fā)工作的加強(qiáng)，理論上已取得了一定的進(jìn)展，基本上滿足了工程設(shè)計(jì)的需要。尤其近年來(lái)，我國(guó)陸續(xù)建成預(yù)應(yīng)力拉索鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)十余座，建筑面積達(dá)400余萬(wàn)平方米[4]，建筑造型和結(jié)構(gòu)形式豐富新穎，預(yù)應(yīng)力工藝和布索方式多種多樣，預(yù)應(yīng)力技術(shù)高科技含量顯著，取得了一些國(guó)外沒(méi)有或罕見(jiàn)的科技成果及技術(shù)[5]。目前，預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)正在快速發(fā)展，其主要趨勢(shì)是：現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力技術(shù)的應(yīng)用已從平面結(jié)構(gòu)拓展到空間結(jié)構(gòu)；單次預(yù)應(yīng)力邁向多次預(yù)應(yīng)力；對(duì)結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力的布索趨于靈活高效化；設(shè)計(jì)分析借助新理論和計(jì)算機(jī)更加深入精確化；構(gòu)件制作趨于工廠定型化；施工裝配趨于大型嚴(yán)密化。這些“標(biāo)志著中國(guó)大型建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論和工程實(shí)踐已大步進(jìn)入世界先進(jìn)技術(shù)行列，表明我國(guó)預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)學(xué)科的研究、設(shè)計(jì)和實(shí)踐水平向更深、更高的方向發(fā)展”。
三、預(yù)應(yīng)力網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用
預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)自誕生以來(lái)，已經(jīng)走過(guò)了50年歷程。而在二次大戰(zhàn)后經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高潮中空間結(jié)構(gòu)得到很大發(fā)展，各種類型的薄殼、折板、懸索、網(wǎng)架、網(wǎng)殼和薄膜等空間結(jié)構(gòu)相繼在世界各地問(wèn)世和興建。經(jīng)過(guò)20余年的工程實(shí)踐，各類空間結(jié)構(gòu)都充分顯示了自己的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍，對(duì)那些適應(yīng)工業(yè)化批量生產(chǎn)、整體快速施工和經(jīng)濟(jì)耐用的結(jié)構(gòu)類型，在工程建設(shè)中表現(xiàn)了強(qiáng)大的生命力。
德國(guó)工程師施威德勒對(duì)網(wǎng)殼的誕生與發(fā)展起了關(guān)鍵性的作用，他在鋼筋混凝土薄殼的基礎(chǔ)上提出了一種新的構(gòu)造型式，即把彎頂殼面劃分為徑向的肋和緯向的水平環(huán)線，并連接在一起，而且在每個(gè)梯形網(wǎng)格內(nèi)再用斜桿分成兩個(gè)或四個(gè)三角形，這樣彎頂表面的內(nèi)力分布會(huì)更加均勻，結(jié)構(gòu)自身重量也會(huì)進(jìn)一步降低，從而可跨越更大的空間。這樣的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)即沿某種曲面有規(guī)律的布置大致相同的網(wǎng)格或尺寸較小的單元，從而組成空間桿系結(jié)構(gòu)。1863年施威德勒在德國(guó)建造的一個(gè)設(shè)計(jì)的30m直徑鋼穹頂，是作為貯氣罐的頂蓋之用，由此命名的這種施威德勒形式（我國(guó)規(guī)程稱為肋環(huán)斜桿型）的網(wǎng)殼穹頂，至今仍作為球面網(wǎng)殼的一種重要形式。
近年來(lái)，由于計(jì)算機(jī)的迅猛發(fā)展使曲面形網(wǎng)殼的設(shè)計(jì)與制作大為方便，我國(guó)也開(kāi)始了預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的研究與發(fā)展，興建了一批有代表性的工程建筑物。如攀枝花市體育館多次預(yù)應(yīng)力網(wǎng)殼屋蓋，北京華北電力調(diào)度塔，四川達(dá)竹礦多次預(yù)應(yīng)力輸煤棧橋等。這些標(biāo)志著我國(guó)大型建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論和工程研究已大步進(jìn)入世界先進(jìn)技術(shù)行列，表明我國(guó)預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)學(xué)科的研究、設(shè)計(jì)和實(shí)踐水平向更深、更高的方向發(fā)展。
四、預(yù)應(yīng)力網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)
預(yù)應(yīng)力網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是把現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力技術(shù)應(yīng)用到網(wǎng)殼中，從而形成一類新型的預(yù)應(yīng)力大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)體系，這一類結(jié)構(gòu)受力合理、剛度大、自重輕，制作安裝也比較方便，在近十多年來(lái)得到開(kāi)發(fā)與發(fā)展，并受到國(guó)內(nèi)外科技界和工程界的關(guān)注和重視，也總結(jié)出以下幾方面特點(diǎn)：
1、充分利用材料的彈性強(qiáng)度潛力以提高承載能力
普通鋼結(jié)構(gòu)桿件的受力過(guò)程是從零應(yīng)力開(kāi)始（不計(jì)自重），外部荷載作用后桿件開(kāi)始受力直至應(yīng)力達(dá)到材料的抗拉或抗壓極限。桿件承載力大小取決于桿件截面積A與強(qiáng)度極限f的乘積，即F=A*f。在鋼材抗拉與抗壓強(qiáng)度相等的條件下，先在受拉桿件中引入最大的預(yù)壓應(yīng)力（不計(jì)穩(wěn)定系數(shù)時(shí)），然后承受荷載，則其抗拉能力可提高一倍。普通拉桿的承載力F1是從零應(yīng)力狀態(tài)開(kāi)始的，當(dāng)截面應(yīng)力達(dá)到極限值f后就不再受載。而引入預(yù)壓應(yīng)力時(shí)其承載能力F2是從預(yù)應(yīng)力狀態(tài)-f開(kāi)始的。隨著荷載的增長(zhǎng)首先抵消截面預(yù)應(yīng)力，荷載繼續(xù)增大至截面應(yīng)力為極限值f后而不再能受力。顯然F2=2F1。換句話說(shuō)，非預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)桿件的材料強(qiáng)度最大值只是可以被利用的強(qiáng)度幅值的一半，而預(yù)應(yīng)力桿件在引入與荷載應(yīng)力符號(hào)相反的預(yù)應(yīng)力后，則可提高原強(qiáng)度承載能力一倍。也就是說(shuō)預(yù)應(yīng)力可以大大提高結(jié)構(gòu)的彈性受力范圍。
2、預(yù)應(yīng)力網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)可以改善結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，節(jié)約鋼材
在傳統(tǒng)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中，桿件的內(nèi)力一般為軸力，各桿件的內(nèi)力分布也比較均勻，但是在桿件內(nèi)引入預(yù)應(yīng)力后可以改善其受力狀態(tài)，降低內(nèi)力峰值，節(jié)約用鋼量。例如拉索法預(yù)應(yīng)力網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，它是在網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的不同部位布置高強(qiáng)柔性拉索，借助張拉鋼索在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力的方法。拉索法是目前廣泛使用的一種施加預(yù)應(yīng)力的手段，可使結(jié)構(gòu)達(dá)到較佳的受力狀態(tài)，而且預(yù)應(yīng)力網(wǎng)殼比非預(yù)應(yīng)力網(wǎng)殼的省鋼率一般為30%左右，有的甚至高達(dá)40%以上，自重降低，使預(yù)應(yīng)力網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)可以跨越更大的空間。
3、提高結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性，調(diào)整其動(dòng)力性能
預(yù)應(yīng)力能使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生與外部荷載作用下位移方向相反或相同的預(yù)應(yīng)力位移v0，可以提高結(jié)構(gòu)的剛度。反向預(yù)應(yīng)力位移v0如同結(jié)構(gòu)的起拱，在荷載作用下可先抵消初始撓度，再在水平軸線基礎(chǔ)上計(jì)算結(jié)構(gòu)實(shí)際撓度。同向預(yù)應(yīng)力位移如同預(yù)位移，在荷載作用前因預(yù)應(yīng)力作用而產(chǎn)生撓度，待荷載作用時(shí)，則不再產(chǎn)生新的撓度。換言之，結(jié)構(gòu)大大提高了剛度。預(yù)應(yīng)力還可以改變基本桿件的動(dòng)力性能。根據(jù)預(yù)應(yīng)力體系的選擇與預(yù)應(yīng)力施加力度的大小可以調(diào)節(jié)基本桿件的振動(dòng)頻率與自振周期，從而調(diào)整其動(dòng)力特性。
五、結(jié)論
預(yù)應(yīng)力網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)最大限度地利用了預(yù)應(yīng)力和網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)技術(shù)本身的優(yōu)點(diǎn)，隨著建筑材料、計(jì)算機(jī)技術(shù)和結(jié)構(gòu)理論的進(jìn)步，預(yù)應(yīng)力網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)總的發(fā)展趨勢(shì)是：跨度越來(lái)越大，所用材料越來(lái)越經(jīng)濟(jì)。
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