预应力钢结构简介.docx

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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:

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

木锯张紧索:用于固定据条;

弓弦:用于引发发射弹力;

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;

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

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)

A

F F

A

1 2 4 3

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

A-A

②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)

eT

e

T

l

T

M =ql2

1max8

M=T·e

0

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。

TTT

T

T

T

T

M

2max

=ql2-T·e

8

挠曲线 T T

挠曲线

N N

a) b)

图5对受压构件施加预应力

较少结构挠度

①梁、刚构反向预应力,可减少挠度;

v0

v

0

T

图6预应力a)减少梁的挠度

F

②索网的反向索预应力,可减少正向索使用阶段的挠度。

调节振动特征

①增加单体刚度,提高自振频率; v

0

T

b)

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。

改变结构受力特性

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。

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

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;

④索网

图9空间索桁架

图10索网

预应力刚性结构

①预应力大梁

d)

e)

f)

图11拉索预应力简支梁形式

②预应力桁架

a)

b)

c)

图12预应力轻型桁架示意图

③预应力门式刚架

b)

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

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

b)

d)

图16斜拉结构的布索形式

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

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

T

T

l Δl

a)

δ

δ

P

l

b)

图21横向张拉法

⑤电热张拉法

支座位移法

+ =

图22支座位移法

等值回弹力弹性变形法

等值回弹力

1) 2)

3) 4) 5)

+-

+

-

+

-

-

- -

+ +

+

-

+

-

+

1)初始预应力,2)强迫预应力,3)合成预应力,4)荷载应力,5)截面终应力

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

建造年代工程名称建筑尺寸采用的结构形式

建造年代

工程名称

建筑尺寸

采用的结构形式

用钢指标(kg/m2)

1967

浙江省体育馆

(m)

80×60

负高斯曲率椭圆形索网

节约钢材(%)

17.3(不计圈梁)

1984

天津宁河体育馆

42×42

正放四角锥网架,

31.61(12%)

用支座位移法施加预应力

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

74.8×74.8

八边形双层球面网壳,

35.0(36.61%)

周边设8条预应力索

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),

43.5(15%)

周边设

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