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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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