（道路与铁道工程专业论文）关于预应力钢结构锚固体系和成型技术的研究.pdf

摘要 l 拉索预应力钢结构作为一种方兴未艾的结构形式，在我国的应用日盏广泛。对这种结构 形式的理论研究业已深入展开。然而，对于拉索预应力钢结构一# 关键环节的锚固体系，以及 对指导旌工实践有重要意义的结构的成型技术的研究却还停滞在一个刚刚起步的阶段，很难 形成完整的理论体系，这势必会影响到拉索预应力结构的进一步推广和应用。本文的研究有 望推动这龟大的课题深入的开展。o 奉文通过预应力钢结构的一般原理阐述，总结了预应力钢结构的功自锵点以及分类方式， 并且介绍了国内外预应力钢结构的应用水平及发展动向。( 通过对我国预应力钢结构工程中存 在问题的分析，指明了系统地研究锚固体系和成型技术的迫切性及其重大意义。，厂 本文从预应力锚固体系的特点出发，分析了锚固体系各组成部分的功能和特点。在锚固 体系锚具的研究中，汇总了预应力钢结构工程中应用到的四种卜要锚具类型，从经济性、可 靠性、： 艺性等角度详细分析了每种锚具的优缺点及其适用范围。在锚节点的研究中，分析 了预应力钢结构中锚节点特点和功能，介绍了锚节点的选型原则和构造措施。并且从承载力 的角度，建议了锚节点构件的静荷载作用下的承载力计算式。在结合工程的算例中，通过对 三种锚固体系的设计过程的介绍，阐述了预应力锚固体系的设计方法，并h 对这三种不同的 锚具类型进行了分析总结，归纳出一些有意义的结论。 在预应力钢结构的成型技术的研究中，本文侧重干工况对结构成型影响的研究，并用专 门的章节论述了多根拉索分批张拉时施工工况对索力影响的问题，详细分析了索力发生褶互 影响的机理以及目前国内解决的方法。f 在对目标索力的研究中，本文综合考察了诸如锚具回 缩、拉索徐变、摩擦等引起索力损失的因素，允绍了一系列因素的考虑方法和消除措施从 而为目标索力的确定提供了计算设计依据。7 0 在本文中还在引入了拉索单元的基础上，介绍了适用j ：大跨结构的非线性有限元理论， 并且应用基于非线性有限元理论的数值分析方法，对实际工程中工况变化对结构成型的影响 进行了有限元分析，获得了有指导价值的数据材料。向生对索力相互影响的工程分析中，提出 了采用拉索逆顺序卸除索单元的方法解决超张拉力求解的问题。通过计算表明该方法能够极 大地提高一次张拉时拉索施工张拉力的求解效率。 最后，本文对锚固体系及成型技术的进一步工作提出了建议。尸一 关键词：预应力钢结构，p 固体系再具，锚节点，成型技术，分批张拉，( 相互影嘭，7 预应力损失，拉索单元， 非线性有限元f 顺序 a b s t r a c t a san o v e ls u - u c t u r a ls t y l e ，c a b l e - p r e s l r e s s e ds t e e ls u u c t u r e ( c s s ) h a v eb e e nw i d e l ya p p l i e di n c h m , a 、a n dp r o s s e s sc a p a c i o u sp r o s p e c ta l t h o u g ht h er e l a t i v er e s e e hh a sb e e ne a r n e do u ta n d o b t a i n e ds o m ca c h i e v e m e n t s ，t h es t u d yo fa n c h o rs y s t e m , w h i c ha t et h ek e y e l e m e r l t so fc s sa n d h a v ei m p o r t a n tv a l u ei ng u i d i n ge x e c u t i o np r a c l i c e ，s t a y i nt h es t a r t i n gp o 吼a n dc a n f o r ma t h o r o u g ht h e o r ys y s t e mt h i ss i t u a l i o nw i l lo b s l l l 1 c tf l l r d 3 e ra p p l i c a t i o no f c s st h ew o r ko ft h i s p a p e r t r i e si t sw a yt od e v e l o pt h er e s e a r c ho nt h es u b j e e t t h r o u g he x p o u n d i n gt h eg e n e r i ct h e o r y o fh ep r e s t r e s s e ds t e e l s m i e t u r a l , is u l n m a r l z et h e o e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c s 、a n dc l a s s i f i e dm a r l l l e ri nr e s p e c to fp r e s t r e s s e ds t e e l s l l l j c t u r ej r lt h e p a l p c r 1 h r o u g _ lc o m p u t i n g t h ep r o b l e mi nt h ep r e s t r e s s e ds t e e ls 血 u c t u r a l , i ti si m p o r t a n ta n di n s e t t os t u d ys y s t e m a t i c a l l yt h ea n c h o rs y s t e ma n df o r m i n gt e c h n o l o g y b e 鲫i n gw i t ht h ef e a t u r eo fp r e s t r e s s e dm l e h o rs y s t e m , e a c hc o m p o s i t i o no fa n c h o rs y s t e mi s a n a l y z e d0 1 3t h em a t e ro ff l l n 商o r la n dc h a r a c t e r i s t i c st h r o u e , ht h es t u d yo f a n c h o rs y s t e m , f o u r t y p e so f a n c h o r a g e w h i c hm u s e di np r e s t r e s s e ds t e e ls l r u c t u r e , a t es u m m a r i z e ds o m e p a r a m e t e r s o f e a c h c h o r a g e , s u c h a sa d v 日a l t a g e , f a i l i n ga n d a p p l i c a b l er a n g e ，a r ea n a l y z e a i nd e t a i la tr e s p e c t o fi * , o n o m i cf 函m 鞠d t e l 试i 1 畸a n ds o0 1 3a m o n g t h es t u d yo fm e h o r a g eb e a r i n gj o i n t s , t h e f u n e l i o e aa n dd kf e a t t eo f t h e m l c h o r a g eb e a r i n g j o i n t s a n a l y z e di np r e s t r e s s e ds t e e ls t r u c t u r e s o i n t op e a a m e l e r so f a n c h o r a g eb ；妇gj o i n t s , s u c ha st h ep r i n c i p l eo fe l e c t r o t y p ea n ds m | c 涮 n 幛a 飘麟黜i n t r o d u 。e c ta t r e s p e c t o f b e a r i n 8 c a p a c i t y , d e s i g n f o r m u l a f o r d e a d l o a d o f a n c h o r a g e b e 醯l g j o i n t si ss u g g e 曲。dc o m b i n i n g w i t h e x a m p l eo f e n g m e e n n g , d e s i g np r o c e s so f t h r e ea n c h o r s y s t m mi si n l r o d u e e d , w i dd e s i g nm e t h o do fp r e s t r e s s e da n c h o rs y s t e mi se x p o u n d e dl l a et h r e e d i t f e r m tt y p e so f 蚓幻m g ea 埔l a 嘲a n d m m 捌，a n ds o m es e n s i b l ec o n c l u s i o n sf i r e i n d u c e d m 她s t u d y o f f o r m l n 8 把c i m o l o s y f o r p r e s t r e s s e d s t e e l 曲m j m i t h er e s e - c h f o r t h e e f f e c t o f m o d e o ns t r u c t u r a lf o n 面n gi s 讯1 p o f 咖蛆ys t u d i e di nt h e 球p e r _ i ns p e c i a l i z e dc h a p t e r , t h ee f f e c to ft h e e x e c u t i o nm o d e0 1 1t h ec o r df o r c ei sd i s s e a e d , w h e n r o o t , b r a c i n gw i r ei ss t r e t c h e dg r o u pb y8 r o u p t h er n o e h m i s mo fl a a ec o r df o r c ei n t e r p l a yi s a n a l y z e di nd e t a i l a n dt h em e t h o di n c o u n l r yi s m 慵嘲i n d e t a i li nt h e s t u d yo f t a r g e tc o r df o r c e , t h ef a c t o r st h a tc o r df o r c ei sr e s u l t e df r o mt h e s e p a l a m e m s , s u c h t h es 1 3 1 i n k a g eo f 卸曲啦獬t h ec r e e po f b r a c i n 8w i r e ，f r d 血o na n ds oo n , a r e e x a r a e di n 娃1 ep e i 附s i 廊lf a c t o r s s u c ha sf a h er t l c f h o dh o wt ob ec o n s i d e r e da n dt h em c a s l l r eh o w t ob ei r o n e do u li si n l r o d u e e di nt h ep l t p e l t w h b yt h ee o m p u t l o m jd e s i g nr e f e r e a l c ei sg i v e nf o r t h e d e f i n i t i o n o f t g e t c o r d f o r c e b a s 吨0 1 1 妇e l e m e n to fb f a c 咄w i r e ，n o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n t 怕嘣w h i c hi sa p p l i c a b l et 0 l a r g e - s p a ns l m e t l e , i si n l r o d d i nt h i s1 3 8 p 日o nt h eb a s i so f t h en o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n t m e t h o d s , & n - m 8 l l e t u a l a 培h 血吕t h ee f f e c t o f t h e v a a t , a m e eo f m o d e 0 1 3 t h es t r u c t u r a l f o r m a t i o n i sg i v e na s l 自r m a t i o ns t t l d y t h ed a t em a t e m , w h i c hh a sd i r e c t i o nv a l u e ，i so b t a 砌i n t h e 班h 抽gs t u d y o f c o r d f o r c e 1 t e f p t a y , l t a em e 出o d , w h i c ha p p l yo p p o s 如s e 叩l | c e 碰s c 姆c o r de l e m e n t st os o l v e o v e r - t e n s o r u n g ，i sg i v e na c c o r d i n g t ot h er e s u l to f c a l c t d a t i o n , w ec a nt a k et h em e t h o dt oa d v a n c e t h es o l u t i o ne f f e c t i v e n e s so f c o r da d i 噍m s t r e t c h i n gf o r c ev a s y d u r i n g o n c es t r e t c h i n g i n t h e l a s t p a n o f p a p e r , s o m es 啪堪辫她，s o m ia s a n c h o rs y s t e m a n d f o r m i n g t e c h n o l o g y , a r e r e f e r e e d k e y w o r d s ：p r e s 打e s s e ds t e e l 曲m c n j r e ，a n c h o rs y s t e m , a n c h o r a g e ，f b 哪i n gt e c h n o l o g y ，s l r e t c hg r o u p b yg r o u p ，i n t e r p l a y , p r e s t r e s s e dl o s s ，n o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n t , o p p o s i t es e q u e n c e 关于预应力钢结构锚固体系和成型工艺的研究 l 绪论 i i 预应力钢结构的产生和发剧1 | 1 2 1 【3 ” 人类从原始社会利用洞穴、树木等自然屏障遮风挡雨到利用犬然土、木、石搭建房屋延 续了数干年。真正意义上的现代建筑结构是随着1 8 、1 9 世纪水泥 ：业和钢铁l 1 ：业的发展才出 现的，而将预应力技术应用到现代的建筑结构中又是人类智慧的伟大创举。 长久以来，多少代结构师只注意将预应力技术同混凝土结构联系起来，预应力主要用来 弥补混凝土抗拉强度较低的缺陷。实际上，预应力运用与钢结构工程中是一种更完美的预应 力形式，它能够更好的发挥钢材轻质高强的特点，而且可避免压杆失稳问题而引起的强度浪 费，提高结构的整体刚度和稳定性能、减轻自重、减少用钢量、节约土建开支。 i i t 预应力钢结构的发生和发晨j 1 j 1 3 h 4 5 预应力钢结构技术最早出现在十九世纪末。1 8 9 7 年俄国人茹霍夫( b 工1 m y x o b ) 设计 的莫斯科百货商场屋盖结构上采用了预应力形式，这是世界上最早的预应力钢结构之。 1 9 3 5 年德国的狄兴格 ( d i s c 】血增陋) 教授首先提出在钢 桥中采用高强度钢索旖加预应力 的方法。在随后的几十年中，欧 美及前苏联等国家对预应力钢结 构进行了广泛的研究，并进行了 大量的工程实践活动。如1 9 4 8 年 前苏联的工程师伐霍尔金 ( b m b a x y p w = 1 4 h ) 等建成了 嬖墼i 追 | 、， 1 8 咖 莫斯科百货商场 一座预应力跨路钢桥；1 9 4 9 年苏联科学技术副博士1 0 b 格依达罗夫进行了双槽钢组成的箱 形截面施加预应力的实验，并证明了钢结构中采用预应力可节省钢材的优点。比利时马涅尔 ( g m 哪e 1 ) 教授也为预应力技术在钢结构中的应用做出了很大的贡献。1 9 5 0 年他主持，一 1 4 ，3 3 米跨的预应力钢桁架进行了实验研究，并发表了论文，引起了工程技术界的极大关注。 1 9 5 3 年，马涅尔教授在研究和实验的基础上建立了布鲁塞尔机库大门的预应力双跨连续钢桁 架。同年在美l 虱建成了著名的雷里竞技馆。1 9 6 3 年，前苏联功勋科学家e 9 i b e m h n 教授 的专著h p e b a p m t k h b h o h a h p h x e h h n eh e c y m 4 em e t a b q e c k m ek o h c t p c 明( 预 应力承重金属结构，p r e s t r e s s e dl o a d - b e a r i n gm e t a ls t r u c t u r e s ) 的出版，为预应力钢 结构这门结构工程中的学科的全面发展奠定了基础。随着研究的不断深入，预应j 钢结构学 科得到了大大的丰富和提高，并且日益系统化和全面化。 2 0 世纪7 0 、8 0 年代预应力钢结构迎来了蓬勃发展的时代。由于通常意义的结构形式已 经不能很好的胜任当代八对建筑物、尤其是大型公共建筑的覆盖面积和空间造型等各方面的 需求。而预应力钢结构逐渐以其卓越的功能性和经济性引起了世人的注目，各国都致力十对 预应力钢结构形式的研究和建设。此时的结构理论得到空前的发展，并且成熟的计算机技术 也在预应力结构中得到广泛的应用，一些美妙的设计构想也在人们的探索和尝试下获得了成 功。终于涌现出大批极具时代特色的著名建筑。同时越来越多的工程实践都证明厂预应力 东北林业大学硕士学位论史 钢结构是1 种先进的、可靠的、充满活力的结构形式。在新的# 纪预虑力钢结构作为一种方 兴术艾的结构形式势必会获得更深勋一的应用。 1 1 2 我国预应力钢结构的发生和发展4 1 1 5 ”i i 嘲 我1 日对预虑力钢结构这新学科的研究和应用起步也较v 。：i 世纪5 0 年代中期【三经集 ，l ，了国内l 要科研力最攻关将此课题列入国家重点科学研究项目，取得了重要成果，出版 r 有天专著。1 9 5 9 年的山西大同煤矿四老沟矿的输煤栈桥是我国的第。座预戍力钢结构构筑 物，这也褐”f 我阔预应力钢结构实践发展的序幕。 i 1r 钢产量及历史原因，我国在7 0 、8 0 年代的预应力钢结构发展明显落后于国外的水平。 | 8 0 年代后期9 0 年代以来，我国兴建r 一+ 批预应力钢结构工程。在数量和质量上与国际相 比毫不逊色( 表格1 - 1 所列) 。其中较先进的有攀枝花市体育馆西昌铁路分局体育中心和广东 商要f 体育馆等【j 警。攀枝花体育馆采用了多次施加预应力的设计思想并成功的进行j ，工程 实践，高要前体育馆则为我国露天体育场的改建提供了r 个经济，快捷。高技术方面的典范。 表1 - 1 ，国内典型预应力钢结构 建成 程名称平面尺寸( - )结构形式预应力特征 争盼 北京旺运会大悬臂柱吊挂斜吊索局部预应力降低 桁 1 9 9 0b 0 u 2 综合馆双层钢嘲壳架设计内力 呼和浩特吊索预应力降低平面 1 9 9 l4 0 6 0 吊挂式钢屋架 民航机库桁架峰值内力 新加坡1 2 0 9 0吊索平板同架吊索形成中间弹性支座， 1 9 9 3 港务局仓库 9 6 7 0 组合结构减小结构跨度 攀枝花d = 柏，对角线八点支承八边形沿八边构件下布索， 1 9 9 4 体育馆长6 4 9 米双层穹项钢网壳j 次张拉预应力 上海国际 t 9 9 4购物中心2 7 x 2 7 正方形平扳i 碍架沿四条下弦局部 棱层结构 切去一角布索张拉 清远县六点支承六边形相邻支座节点阃布索 1 9 9 59 37 8 1 1 体育馆双层扭网亮二次张挝预应力 厦r 】太古平板碍椠与拉杆拱拱脚处张拉拉杆 1 6l s 4 7 0 机摩组合结构引入预应力 北京西客站四辊平面重型桁架局繇布索分两批 1 9 9 54 5 2 矗8 f 1 厅高跨比达l 5 6先后张拉 四点支承网边矩形相邻吏座节点间布索一次张 t 9 9 6高要律张，i 9 6 9 3 双层扭两壳 拉引入预应力 南京体院 8 6 6 2 两边露空间 多次张掩空间桁架端 1 9 9 6桁集支承条形 体育锯( 椭圜形)节点斜拉索讽整内力 平扳网絮 广东阳山中央局部单层沿四边布索一次张拉 1 9 9 64 4 5 6 体育馆扁髓架八柱支承引入预应力 郑州碧波园摄 异形同集，对角线方向为 沿四边布索张拉 1 9 9 6蜘柏 i 知l 三强禁井 乐中心引入预应力 起拱l & 5 m 西昌妓略 1 9 9 7 分局体育 4 2 7 5 9 7 双层球壳+ 筒壳 短向布索四道同步张拉， 三次蘸加藕应力 话动中心 一2 关r 预应力钢结构锚固体系和成型丁兰的研究 9 0 年代末国家对钢结构的发展进一步作出战略部署。2 0 1 5 年发展规划纲要( 草案) 中提 出：2 0 1 5 年建筑钢结构的发展月标是每年的建筑钢结构的用量达到钢材总产量的百分之六。 1 9 9 8 年1 0 月建设部发文关于建筑业推广应用1 0 项新技术的通知将钢结构技术作为推广 新技术之。不难预测我国的预应力钢结构建设会有个美好的未来。 1 2 预应力钢结构的概况 i 2 1 硬应力钢结构的般原理1 1 1 1 6 1 l t g 1 9 i r l o i 预应力钢结构的基本原理，就是针对普通钢结构的特点，采用人为的方法在结构或构件 较大受力部位，引入与荷载作用下符号相反的预应力，使结构承受使用荷载后，构件的内力抵 消一部分或大部分，变形也相应随之减少，实现结构形式更合理、更经济的目标。 图1 - 1 、1 - 2 分别是一例简单的预应力钢构件形式。在第一种结构中，构件在“i ”型 钢梁下方摘加适当的预应力，使结构产生预定的变形。当结构承受荷载后，外荷产生的作用 效果首先要和构件先前承受的预应力相抵消，从而达到增大承载、减少变形的效果。图1 - 2 例是一种预应力钢柱的结构形式。1 、2 索建立的预应力效果，通过钢构件3 、4 的传递，作 用在钢拄的柱中。当钢柱承受荷载发生变形时，虽然 嗦不能帮助钢柱承受竖向的作用，但 拉索在钢柱两侧提供的水平压力可以有效地约束钢拄的水平位移，构件3 、4 起到了类似两个 支座的效果，从受力的角度讲，预应力效果改变了钢柱的计算艮度使其由。变为厶( 厶 幻i 2 ) ，可以有效地避免因屈曲而导致的强度浪费。并且索1 、2 形成了，一个自锁体系，具 有随钢柱弯曲而自调应力的功能，从而增加了钢柱抗轴向偏心以及抗振动的效果。 p j ( 4 ) f 气、 e ；i i ! ! ! i 手； 图1 - 1 ( 1 ) 结构形式( 2 ) 仅受荷载作用时的效果 ( 3 ) 仅受预应力作用时的效果 ( 4 ) 预应力和荷载共同作用时的效果 i 预应力拉索 l 强应力铜结构的分葵1 拍1 1 7 】嘲【9 h 1 钮1 1 牝1 1 1 3 】 1 4 f 1 5 t 1 1 ” 预应力钢结构发展至今已经形成一个庞大的结构体系，一方面它继承了传统的结构形式 3 - 鸯 东北林业大学硕士学位论文 另方面它更宵独到的改良和创新。从不同的角度预应力钢结构大体有以下几种分类方式。 1 2 2 1 同钢种璜应力钢结构和异钢种预应力钢结构 从预应力部件所采用的材料上分，预应力钢结构可以分为同铡种预应力钢结构和异铡种 枷避力铡结构暇火类。 一、同钢种璜应力钢结构 i j 钢种预应力钢结构是研究最早与传统预应力结构概念最栩近的结构类型。它的特点是 小引入其他高强材料来对结构施加预应力，预应力的效果足使结构在承受使用荷载前，就发 7 卜r 弹性范闹内的对抵抗的使用荷载有利的应力分布，从而改善结构整体的性能。 同钢种予贞应力的方法一般适用于内力分布不均匀的结构体系，如实腹式简支钢梁、连续 钢梁等。臆加预应力的作用是调整结构的内力分布，发挥材料承载力。一般的预应力钢结构 的有这样的特点：结构本身是超静定的自平衡的结构体系。所以通过预应力来降低部分构件 内力的是以牺牲其他非预应力构件的强度储备为条件的。由于在同钢种预应力结构不引入其 他材料，依靠材料强度较低的构件来承担应力重新分配任务，显然是不经济的。由于这种类 型的预应力钢结构省钢率低，建立预应力方法以及结构自身的跨度尺寸等均有限制，现在在 实际l 1 应用得较少。在实际工程中应用得最广的，研究得最多的是异钢种预应力钢结构中拉 索预应力钢结构。 二、异铜种预应力钢结构 异钢种预应力钢结构，是在结构体系中替换或增l 绽些高强度的构件，张拉这些构件， 使结构中产生一种和使用时反号的预应力，从而实现改善体系的内力分布和变形性能的效果。 目前研究最多的、应用最广的拉索预应力结构体系就是此类结构形式的代表。异钢种预应力 钢结构的特点是增设了预应力高强构件，具有更好经济性和适用性。 1 0 0 工平面鲼鞠和空润结构6 】1 7 聃l 【9 1 1 0 耶1 0 2 1 d 3 1 4 i l 1 6 1 从预应力钢结构的受力特征一i - 分，可将预应力钢结构分为平面结构和空间结构两大类 型。 一、平面结构体系 平面结构体系是在结构分析中只考虑在二维空间承受荷载的结构。平面结构的t 要特点 是受力和变形仅考虑发生在平面内。预应力实腹梁柱结构、预应力铜桁架、刚架、拱架、预 应力悬索结构、平面吊挂结构均属于此类结构形式 平面结构大多保持了传统平面 钢结构的风格，预应力索的布置一 般是沿杆件本身或在结构平面内进 行廓内或廓外布索。局部或整体地 施加预应力以改善个别或大部分杆 件的受力。传统平面结构体系应用 很广。早期主要用来解决普通平面 钢结构中跨度较大、荷载较重的问 题，大多是应用在工业 i k t 姗i 一一- 。一1 矾? i 一 慕尼黑1 5 1 2 米双跨机库 圈i3 项目中，比如大型的 蜷栈桥、铁路的钢桁架桥等。平面结构体系在应用中不足在于跨越能 力不强、钢材用量较低不大。但近年来出现的斜拉、单曲悬索、悬挂等结构具有不错的跨越 - 4 一 关于预应f j 了钢结构锚固体系和成型j = 艺的研究 能力，被应片j 到一些大 跨度空问结构中。如我同的呼和浩特民航机库，其承重结构为钢桁架的斜拉预应力结构，甲 i 酉外的纵向支撑忽略不计，可按平面考虑。这类结构的计算简图见图i - 3 ，图i - 3 中内拉索施 加预戍力减少了嘲玄的压力，下弦的拉力并增加了结构整体阿目度。外拉索作为平衡索，外_ 匕 拉索平衡r 内拉索的水平力，而外下拉索抵消丁部分柱轴力，为r 减小柱脚的水平力，可以 做成垂真的外下拉索或在柱脚做预应力拉索。 二、空间结构体系 宁问结构体系是将空间结构概念与预应力技术结合而衍生的结构类型。起步虽然较晚但 成用推广却很迅速。空间结构体系+ 方面具有结构分析计算复杂、施工繁琐困难等对 - 程应 用不利的因素，另一方面又因其无可比拟的优越性受到设计者和使用者的钟爱。良好的覆盖 和跨越能力、灵活的布置方式、优异的经济性能是满足现代建筑的优美造型、功能要求的绝 佳方案，同时它也代表当代建筑商精的发展方向。 从构形方式上，空间结构又可分为四大类型：传统空间结构，双曲悬索结构，吊挂式空 间结构和整体张拉结构。 传统空间结构是在已有的空间钢结构体系基础上施加预应力，以降低结构内力峰值，调 整内力，提高刚度与承载力，具有代表性的结构类型为预应力网架、网壳。这类结构在7 0 、 年代就得到了广泛的应用和普遍的认同。它的优势得益于人们对传统空间的研究和了解， 有相对完善和成熟的结构理论。 双曲悬索( 悬膜) 结构是由一系列高强度钢索组成的一种张力结构。不同的支承结构形 式和钢索布置，悬索结构可以有多种形体以适应各种平面形状和外形轮廓的要求。悬索结构 的承重钢索受拉。能够充分发挥材料的强度，因此用料经济，能跨越很大的跨度。俄罗斯圣 比德堡体育馆采用的悬索结构的跨度达到1 6 0 米。 吊挂式空间结构。与平面吊挂体系样，空间吊挂体系也由支承结构、吊索系和屋盖空 间结构组成。所不同的是来自二维或三维空间的吊索吊挂着空间结构的屋盖。因此它的空间 刚度与稳定性比平砸体系好，经济效益也高。由于此类结构具有高耸的支承结构以锚固吊索 系，屋盖以上大部构件暴露于大气中，所以又称暴露结构。 整体张拉结构是由压杆群与拉索系组成的全新空间结构，它的几何形状和刚度与体系内 部的预应力大小直接有关。张拉整体结构体系可以设计成由尽可能多的受拉索组成，因此能 最大限度地利用材料的特性，以减少的材料建造大跨度空间结构。张拉整体结构是目前国际 上正在研究并推广的一种新结构体系。著名的美国亚特兰大奥运会主体育馆的张拉整体结构， 平面为2 4 0 m 1 9 3 m 的椭圆形。 1 0 0 3 嘲性鳍构、黍性绩橱和半翻性结构【1 3 1 4 1 【l s l l l 6 i 按照预应力索对结构刚度的贡献的大小，预应力结构可分成刚性结构、柔性结构和半刚 性结构。 刚性结构的最著特点是结构去除拉索后仍为静定或超静定结构。预应力的效果主要是产 生与结构外荷载反号的威力，达到提高承载力的作用。结构本身具有较强的刚度，预应力索 对结构的刚度影响的相对较小。预应力桁架、剐架、网壳、网架等传统结构均属此类型。 在柔性结构中，拉索杆件是主要的承力构件和结构重要组成部分，一般地讲，它不仅承 受结构大部分荷载，同时还为柔性体系提供必不可少的结构剐度。索力的大小决定结构疔勺彤 一5 日( - i l 林业犬学碰 学位论文 状和承载能力。最媳型的柔性结构足张拉整体结构，这足极具想象力的空问结构，懋索结构 和m 持结构也是这种类型结构典裂代表。 半月性结构又称为杂交结构，足种介j ：刚性和柔性结构之问的组合形式，它既可以通 过政变纯柔性构件的性质构成，比如半刚性的悬挂构件；义可以是由刚性体系和张拉柔性体 系组合而成。应用较多的是在刚性框架中用索控制刚性构作的应力和变形，与整个刚性结构 j 日组成自f 衡的受j 体系。比如1 9 9 7 年落成的l j 本宫崎体育馆，l b 大型连续的人字型框架 的屋顶产生的推力就是通过增加拉索组成自平衡体系来抵消拉索的增加还有效地调节杆件 t l j 的内力。2 0 0 0 年3 月完成的s 眦a r n a 广场，其1 6 0 米的屋盖体系边缘是用索组成的1 3 0 米 的索粱体系来控制框架结构的变形。 1 2 3 预应力在钢结构中的作用 多年的理论研究和工程实践都证明r ，预应力钢结构的确具有良好的经济效果和社会效 应。这是与合理的预应力技术密不可分的，预应力在预应力钢结构中的作用可概括如f ： ( 1 ) 预应力可以建立或提高结构的刚度，起到维持结构设计形态或减少变形的作用。 ( 2 ) 高强材料的引入和预应力的建立，能够改善原结构的承力体系，提高结构的承载力。 ( 3 ) 调整结构的内力分布，降低局部构件的应力峰值，从而改善结构的整体性能。 ( 4 ) 通过预应力的调节，可以充分利用材料的强度幅值，发挥钢材的潜能。从而减少用钢 量，减轻自重，实现良好的经济性能。 【5 ) 良好的预应力体系是预应力拉索与结构的自平衡体系，它会降低对支撑体系等相关结 构的负担，进一步改善结构的整体性能和工程造价。 从上面的概括可以看出预应力对结构可以产生效果是非常有益的，并且预应力在结构的 作用往往多种效果一起发生，因此预应力的合理与否将是评价预应力工程的重要指标。 1 3 本文的工作 我国预应力钢结构中还存在不少问题。最突出问题的是至今还无类似于规范的技术标准 作为工程指导。更缺乏系统、可靠的工程设计与施工技术参考资料可供参考。工程的好坏往 往取仅决于设计单位的水平和施工队伍的素质，导致工程质量良莠不齐，有精品，也有败笔。 因此对预应力锕结构进行全面系统研究已刻不容缓。 预应力钢结构的锚固体系和预应力钢结构的成型技术是预应力得以建立的必要保证，也 是影响整个工程质量和安全可靠度的关键环节之一。国内对此研究的较少，也缺乏必要的成 果总结，因此难l ；王形成系统的技术体系。本文将围绕着这个主题进行如下的一些工作。 ( 1 ) 锚固体系的特点、功能及其分类的阐述，建议锚固体系计算公式；结合工程实例对几 种锚固体系的设计和特点展开讨论。 ( 2 ) 预应力钢结构的工况变化概念的阐述，分析工况变化对预应力钢结构和目标索力的影 响。结合具体的工程实例整理出可供工程参考的数据材料。 ( 3 ) 深入研究麓工工况中索力搬苴影响现蓦及其原理，概括国内对索力相互影响的分析思 路和解决方法。在本文中尝试应用有限元技术对实际施工工况的模拟，来分析和解决索力相 互影响的问题。结合工程实倒整理出可供工程参考的张拉方案和计算数据。 6 关于预应力钢结构锚嗣体系和成型工艺的研究 2 预应力锚固体系 2 1 预应力钢结构锚固体系的基本概念”“ 用以实现 索锚吲的一系列构件组成丁预应力锚固体系。 从功能i ：分，锚固体系可分为锚具和锚下构造两大组成部分。锚具是定位锚头和锚固预 应力拉索的主要构件。锚下构造是指布置在锚具f 面用以支承和固定锚具的一系列构件的总 称，闲为锚下构造较比整个硼盘力钢结构的尺寸要小得多，所以工程中又称之为锚结点。它 是锚匠i 体系解决锚固端的局部承压和张拉端部的扩孔成型的重要部分。 锚固体系在预应力钢结构中占有重要的地位。应用拉索法对结构施加预应力时，张拉后 的预应力拉索只有通过锚具的锚固才能实现对结构预应力的效果，也只有依靠持久的锚固才 能维持结构的预应力形态。锚固体系锚固的可靠性是预应力钢结构中一项重要的课题。 在预应力钢结构锚固体系中存在较多问题有待解决，尤其是缺少现成的锚固体系町供实 际工程参考选用，这与钢结构建设的产品化、模块化是很不协调的。目前国内对预应力钢结 构的锚固体系的研究还很少，研究的成果也缺乏整理，不足以形成系统的理论指导实践。对 锚固体系进行全面的研究将对指导工程实践及预应力钢结构体系的规范化、系统化有着重人 的意义。 2 2 预应力钢结构中的锚具“凇旧”“ 同混凝土结构锚固体系有所不同，目前还没有专用的预应力钢结构锚具系列，预应力钢 结构实际工程中应用的锚具，一部分是参考能满足功能要求的混凝土结构的成型锚具，人部 分是根据钢结构工程的特殊要求在缆索厂特别设计制作的合格产品。因此预应力钢结构中锚 具也形成了较有特色的几种类型。从研究和应用的现状来看，在预应力钢结构工程中被广泛 采用的锚具主要有夹片锚、挤压锚、冷铸锚和热铸锚等四大类型。 一、央片簟； 夹片式锚具是因为每一个锚固单元内都有一副夹片箍得名。它是由锚板、锚挚板、夹片等 几部分构件组成。在实际应用中锚垫板解决局承压问题和端部扩孔的需要，锚板提供锥形4 l h j 于固定夹片。夹片和拉索一起形成一个楔形锥体，工作时锥体在锥形孔中受到挤压通过夹片对 预应力拉索的挤压力和摩擦力来实现拉索的锚固。 从锚固原理上讲，夹片锚又有顶压夹片锚和不顶压夹片锚之分。顶压式夹片锚需要带顶压 器的千斤项与之配合使用，当拉索张拉完成后，通过顶压器将由夹片和拉索组成的锥体压入锚 板发锥形孔内实现锚固。不璜压夹片锚由于自带限位板，故不需要顼压器的顶压，当张拉完成 时，放松工具锚使拉索带动工作锚夹片共同回缩将拉索锚固住，从而达到形成预应力的目的。 夹片是夹片锚的核j 0 部件，常用的夹片式锚具有三片式和两片式。三片式锚具回缩后夹片 外露不齐，而且排列的对称性不如两片式。也就是说三片之问的间隙不均匀，当采用铡绞线做 预应力拉索时，就易于导致钢绞线断丝和滑移而对锚固性能不利。两片式的夹片带有弹性槽， 弹性槽可以髓夹片及锚板锥孔在匍隧e 的尺寸偏差和钢绞线的直径偏差，调整夹片的受力使 之均匀，增加锚固的安全度。从工程的使用效果比较，两片式锚具比三片式锚具的 滑丝，断丝率低，锚固性能好。 一7 一 东北林业夫学硕上学位论文 夹片锚在实际应 jf ：具有1 = 序依赖性低、操作简单、成本低廉、拆抉方便等优点。国内 的具自- 多年实践经验的专业锚具产品( 如o v m 、i m 等) 义为f 程的实际提供r 牛富的选择 和可靠的技术支持，并且夹片锚具的产品化缩短了建设周期。所以必片锚是经济性能最好的 铺j ；之。作铺端承瓜形式的结构中灾片锚得到广泛的应用。夹片锚也同时具有定的局限： 必片锚的最人局限在r 抗动力性能不好。锚具在反复荷载或振动的作用下，夹片有松动失效 的危险。在丁= 程中发牛过闶夹片失效而引发事故，所以工程人员对此问题应给予重视。采取 必要的措施( 详见第四章) 可降低夹片失效的概率。夹片锚的另+ 个问题是耐久性的问题。 因必片锚的特殊锚固机理，即接触锚固而非黏结锚吲，致使锚固对接触面材质的性质非常敏 感。如锚具的锈蚀、拉索外包的损伤和老化等长期缺陷会对锚固的性能产生不良的影响。应 震取措施减小之。此外，当吨位较大时夹片锚要采用多锚或群锚的形式。此时，锚下构造 的扩孔也有相当的技术要求，同时对结构的锚固边界等也会提出要求，因此可以考虑其他形 式的锚具。 二、冷铸锚 冷铸锚在国外称h i a m ( h i g ha m p l it u d e ) 锚具，即高应力幅锚具。因其填料是在低温f 灌 注的，有别于4 5 0 高温下灌注的有色金裙，故称之为冷铸锚。 冷铸锚具由锚杯、镦头锚板和杯内环氧树脂钢砂组成，靠环氧树脂将锚杯与钢索阎结一 体。固定端锚具通过连接件与结构主体连接；在张拉端，锚具与结构主体结构之间的连接件 中漫有正反螺纹的螺杆，且螺杆两端分别与内螺纹相协调的螺母( 套管) 相连接，扭动可调 整拉索和整个张锚体系的拉力大小。 冷铸锚锚具具有镦头、填充骨科楔形效应和强度材料黏结三重锚固的效果，因而具有良 好的抗动力效应性能；锚具尺寸粗壮，可同时锚固许多钢丝，能满足大吨位的张拉要求的结 构。冷铸链的不足在于连接器必须事先同拉索固定，所以拉索的下料长度要有精确的要求； 锚具和预应力索头加工制作有严格的产品标准，需要在缆索厂指定加工，工期和成本造价会 有所提高；锚固较之夹片锚可靠度有所提高，但多根钢丝的集合锚固使结构的拉索尺寸大数 量少，使用中更换拉索不便；高温环境下冷铸锚的黏结性能会有所降低，必须妥善考虑。 三、热饽簟 热铸锚锚具由锚杯和杯内锌锯合金体组成，靠锌锕合金将锚杯与钢索固结一体。制作组 装时，先将钢索从锚杯直径较小的一端插入内牵| = ，然后向杯内注入加热熔化的锌铜合金水， 锌铜合金水凝固后，即将锚杯与钢索固结在一1 起，锚杯的尺寸、锌铜合金的用量以及合金与 钢索连结长度等根据钢索的设计索力和规格确定。使用测力扳手扭动两端带有正反螺纹的螺 杆，施加索力，由测力扳手的读数控制扭力的大小 热铸锚具有独特的张锚工艺，固定端锚具通过连接件与结构主体连接；在张拉端，锚具 与结构主体结梅之闻的连接件中设有正反螺纹的螺杆，且螺杆两端分别与内螺纹相协调的螺 母( 套管) 相连接，扭动可调整拉索和整个张锚体系的拉力大小。 热铸锚具有连接可靠、旌工方便、造型美观的特点。因采用热溶的锌锕合金作为黏结材 料，使锚具锚固效果有了根大的提升；锚具的刚度大，锚具变形引起的预应力损失较小：锚 其同冷锋锚一样具有较好的动力性能，并且德圈端耐高、低温的性自优良，耐抗腐蚀性能也 较好，所以适用于较恶劣的工作环境。张拉工艺箍单，只需要的较少劳力就可完成。张拉过 程中当无特殊需要一般不需要千斤项的协助可节约设备投资。锚具造型小巧美观，可适应拉 一8 关于预麻力钢结构锚周体系和成型r 艺的研究 索无法隐藏时的美观要求。热铸铺被广泛应用到吊索、斜拉、悬挂等预应力结构形式中，具 有不错的应用前景。热铸锚的1 i 足在于材料造价较高，制作专业化程度较高。 。般从专业厂 家定制。 四、挤压锚 挤压锚又称冷压式锚具。是由锚端螺母和套筒组成。套筒是由普通优质钢材作成。套筒 插入钏绞线后，在常温下应用千斤顶顶挤套筒通过高硬度的商锰合金压模进行模压，使套筒 发生塑性变形，锚具与钢绞线握紧，并借助流入钢绞线螺旋外形问隙的金属，增加锚具与钢 绞线的锚固能力。固定端锚具通过连接件与结构主体连接；在张拉端，锚具与结构主体结构 之间的连接件中没有正反螺纹的螺杆，且螺杆两端分别与内螺纹相协调的螺母( 套管) 相连 接，扭动可调整拉索和整个张锚体系的拉力大小。挤压锚特别适用干高强钢丝的锚固，锚具 同拉索的连接同样具有双重的锚固效果，锚具制作工艺简单可现场加工，经济性较好。 2 3 锚节点取型原则“”“”“ 锚结点即锚下构造，它是锚固体系联系锚具和结构主体的主要部分，它起到固定锚具空 间位置和传i 蝴端压( 拉) 力的重要作用。锚结点的设计是预