浅谈对预应力钢结构发展的认识.doc

桂林理工大学研究生预应力结课论文桂林理工大学研究生预应力结课论文浅谈对预应力钢结构发展的认识on the understanding of the development of prestressed steel structure培养单位：桂林理工大学研究方向:预应力钢结构、研究生：滕德涛（学号：102010177）指导老师：曹霞二一一年六月 ii 摘要预应力钢结构学科从诞生、发展至今已逾50年，由于学科的先进性、可靠性及经济性，使它由初始的撑杆梁形式衍生出预应力网格结构，吊挂结构、索膜、索穹顶结构，张弦结构等现代预应力钢结构大家族。预应力钢结构学科从早期不被人们认知、被淡漠的状态，直至发展为国内外大型工程中乐于采用的现代结构形式，经历了漫长而曲折的道路。目前，预应力钢结构工程已进入土木建行业的各个领域，其发展前景方兴未艾。关键词：预应力钢结构；发展；前景abstractprestressed steel structure subject from birth and development has been more than 50 years, because of the discipline of advanced, reliability and economy, and to make it from initial derived form the poles beam prestressed lattice structure, hanging structure, the film, cable dome structure, zhang string structure of prestressed steel structure of modern family. prestressed steel structure subject from early not be people cognition, be indifferent state until the development at home and abroad, for large engineering of be glad to use modern structure form, has taken a long and tortuous road. at present, the prestressed steel structure project has entered the civil building industry each domain, its development prospect is in the ascendant. key words: prestressed steel structure; development; prospects （一） 预应力钢结构介绍1.预应力钢结构钢结构在设计、制造、施工、加固工程中，与外荷载应力符号相反的预应力被人为地在承重结构体系内引入，用来改善结构的承载特性，尽量利用材料强度幅值或者在主承重结构中引入预张力以使全部构件能够抗压或成型的，称为预应力加固钢结构或预应力钢结构。2.预应力钢结构的特点（1）能够充分发挥材料的强度潜力。应用预应力钢结构技术的基础思想是，运用人工的方法在结构或构件内，引入与荷载效应相反的预应力，以达到提高结构承载能力(比如延伸了材料强度的幅度)，改善结构受力状态(调整内力峰值)，增大刚度(施加初始位移，扩大结构允许位移范围)，从而节约材料、降低造价的目的。（2）改善结构的受力状态以节约钢材。在杆件内引入预应力后可以改善其受力状态，降低内力峰值，节约用钢量。例如受弯构件中的部分弯矩可以施加预应力转换为轴拉力，将弯矩峰值mmax降低为mmax%26shy;，从而构件截面可以缩小，降低用钢量。（3）可以提高结构的刚度和稳定性，调整其动力性能，特别是抗震性能。预应力不仅能在结构构件或体系中产生与荷载作用下位移（或挠度)方向相同或相反的预应力位移（或挠度），以提高结构的稳定性和刚度。预应力还能够调节构件的动力性能，根据不同荷载（如风荷载、地震荷载等），通过合理选择预应力体系、预应力大小等不同的调整方案，改变结构中基本构件的自振周期和自振频率，以达到减震的目的。3.预应力钢结构的种类从早期预应力吊车梁，撑杆梁的简单形式发展到目前张弦桁架、索穹顶、索膜结构、玻璃幕墙等现代结构，预应力钢结构种类繁多，大致归纳为四类： 传统结构型： 在传统的钢结构体系上，布置索系施加预应力以改善赢利状态、降低自重及成本。例如预应力桁架、网架、网壳等。例如天津宁河体育馆，攀枝花市体育馆的网架、网壳屋盖等。目前候机楼、会展中心广泛采用的张弦桁架亦归入此类。另一种是工程中应用已久的悬索结构，如北京工人体育馆，浙江人民体育馆。其结构由承重索与稳定索两组索系组成，施加预应力的目的不是降低与调整内力，而是提高与保证刚度。 吊挂结构型： 结构由竖向支撑物（立柱、门架、拱脚架），吊索及屋盖三部分组成。支撑物高出屋面，于其顶部下垂钢索吊挂屋盖。对吊索施加预应力以调整屋盖内力，减小挠度并形成屋盖结构的弹性支点。由于支撑物及吊索暴露于大气之中直指蓝天，所以又称暴露结构。例如江西体育馆、北京朝阳体育馆、杭州黄龙体育场等。 整体张拉型： 属创新结构体系，跨度结构中摈弃了传统受弯构件，全部由受张索系及膜面和受压撑杆组成。屋面结构极轻，设计构思新颖，是先进结构体系中的佼佼者。例如汉城奥运主赛馆、慕尼黑奥运体育建筑群等。由于此体系属国外专利，国内尚无工程实例。 张力金属膜型： 金属膜片固定于边缘构件之上，既作为维护结构，又作为承重结构参与整体承受荷载。或在张力态下，将膜片固定于骨架结构之上，形成空间块体结构，覆盖跨度。两者都是在结构成型理论指导下诞生的预应力新型体系，应用于莫斯科奥运会的几个主赛场馆中，国内不掌握此项技术。（二） 预应力钢结构的发展概况1.预应力钢结构的发展在我国预应力钢结构的发展已有50多年的经验，从对这门学科最初的空白、冷淡到今日的应用与青睐，并发展壮大，且倍受国内外建筑界重视和关注却是最近20年。就单单在我国近年兴建的大型预应力钢结构工程已近百座，其技术水平与工程规模都已达到国际先进水平。由于预应力钢结构的先进性和科学性，对其研究和应用已经从实腹梁、桁架等领域扩展到刚架、塔桅结构、大跨空间结构、悬索结构、桥梁、高层建筑、起重设备结构、储液库和大直径高压管道结构等多方面领域。最近几年的工程实例有：国家体育馆、深圳展览中心、北京农展馆新馆、2008年奥运羽毛球馆等。2008年奥运会羽毛球、艺术体操比赛馆建筑总面积为24383 ，其中，地下2580m2，基地面积13360m2，总用地面积为66124m2，体育馆规划用地面积为44355m2。总座席数7508席，其中固定座席5480席，临时座席数2028席。建筑总高：比赛馆最高点为25.95m，檐口高14.827m；热身馆最高点为15.45m，檐口高11.52m。建筑层数：地上2层，地下1层。该比赛馆的建筑设计方案造型具有轻盈美观的特点，主馆是球冠顶面，直径约100m，很适合于采用预应力大跨度钢结构体系，实现建筑造型优美与结构体系合理的结合与统一，真正实现“科技奥运”的理念，对世界建筑史具有特别重要的意义。2.预应力钢结构快速发展的原因（1）符合建筑结构成型理论的基本要求。建筑材料与建筑结构的发展、计算理论、施工技术等因素关系密切，但发展的最终目标总是要求新型工程结构性能更好、自重更轻、跨度大些、施工工期短些。在现代建筑材料中金属结构具有强度高、加工性能好、比容重轻、生产周期短等特点，加以与预应力新技术相结合后可使预应力钢结构在更轻、更大、更好、更省的特点上能更好的展现。预应力钢结构同比传统钢结构可节约钢材1o%4o%，且可大量使用高强高效钢材。近50年来以来，无论出现何种先进的围护材料都会依附于预应力钢结构之上，形成一种新的结构体系。比如早期采用钢筋混凝土屋面板的悬索屋盖结构、竖向索桁架体系以及膜结构中采用的索撑结构、近期在玻璃幕墙承重骨架中采用的横、应用压型钢板的预应力拱架结构等都是优秀的预应力承重结构。预应力钢结构可以为各类材料、大小跨度、不同造型、各种功能的建筑物和构筑物提供经济、适用、合理的承重结构体系。（2）符合现代工业大规模生产规律。高强化与轻质的围护材料，创新与张力化的承重结构，加工制造的批量化与自动化，施工安装的装配化与大型化是现代建筑结构领域发展的趋向与主流。预应力钢结构的特性和制造施工过程和现代工业化生产规律相吻合。目前，围护结构中人工合成膜面、加气泡沫水泥板、压型金属面板的大量使用；以及索膜结构，轻型结构及预应力钢结构的倍受重视；现场拼装整体起吊的结构重量增长已达几千吨，结构物的施工工期已可缩短至几周甚至几个月等等都是土建行业发展中的成果。预应力钢结构除了具有钢结构特有的优秀属性外，还具有轻型化及张力化的特点，比起传统钢结构更胜一筹。（3）符合绿色生态思想及可持续发展原则。预应力钢结构的运用可以有效节制对自然资源的索取与消耗，减少对不可再生能源的开采与破坏。在人与自然和谐相处的过程中实现人类社会的可持续发展是现代工业化社会建设中应当遵循的理念与准则。钢材是一种无公害无污染可回收再生循环利用的环保材料，和传统建材相比，钢材轻质、高强、加工性好、耐久性强，是符合设计轻型、大跨、经济、适用建筑的良好建材。采用预应力技术后，钢材弹性强度幅值可以反复多次地使用，大大提高钢材利用率，从而达到节约材料，降低成本。所以预应力钢结构完全满足“节约用材，合理用材，重复用材，循环用材”的可持续发展原则。在21世纪预应力钢结构将继续扩大应用领域，成为广受各类工程建筑物喜爱与重视的绿色承重结构体系。（三） 预应力钢结构的技术发展1. 结构抗震性。结构形式对建筑物抗震性能及抗损坏程度都会产生很大影响。采用预应力钢结构体系有可能建造降低材耗、安全度高、减少抗震措施费用的现代抗震建筑物。国外研究表明：各种预应力结构杆件与体系同比非预应力杆件和体系，因为结构质量的减小而导致地震荷载值下降1o%3o %；预应力对结构体系和杆件的承载力及动力特性都有积极的影响。同时这类结构的实际造价由于采用高强钢而减少5%2o% 。由于预应力作用结构体系的静动力特性明显提升，与非预应力结构相比结构体系具有较高阶次静不定和非线性，可以延缓结构极限状态的出现。预应力钢结构具有较大的震动衰减率，较大的振动能量耗散和较高的自振频率，因此动挠度值减小和弹性受力阶段的应力值下降。由于预应力钢结构中能容量的增大（约3o）而提高结构构件及体系的承载力储备。国外研究表明：预应力不仅减轻结构质量、降低成本、减低地震荷载而且改善结构静动力性能。在我国拥有众多地震设防区的情况下，开展对预应力钢结构抗震性能的研究尤显迫切。2.结构经济性。预应力钢结构主要有三项技术经济指标：结构实际造价；结构总耗钢量；制造、运输、安装劳动量及费用。在预应力钢结构学科发展之初，常因为缺乏有关劳动量及费用的统计数据，只有按结构重量单项来分析预应力钢结构的经济效益。近年来在各类钢结构工程中有不计结构用钢指标及方案合理性的病态倾向，但最终评价建筑工程总要归结到安全、经济、适用、美观的基本原则上来。进行技术经济分析，要采用能反映预应力钢结构特点的系数，定额与指标。比如拉索锚具在材料、加工、安装中占有的比例指标等。目前，预应力钢结构工程只在国内就有近百座，从而积累了大量资料，涌现出不少理论分析及构造方案，保存有丰富的制造、运输和安装方面数据，为经济学的研究提供了科学依据。3.结构可靠性。建筑工程设计中应长期遵守的指导思想是安全、适用、经济、美观。对预应力钢结构体系进行可靠性分析，对大型工程进行量化的可靠度研究，肯定了先进体系的经济性，而且给出了安全性的量化指标，表现了结构体系安全和经济的协调统一，综合地反映出工程物的安全与科学程度。作为一门新兴的学科，因为缺乏对预应力钢结构工程的材料性能、几何参数和计算模式的详细数据统计研究，阻碍了可靠度理论在预应力钢结构中的应用。因此应该加强对各种预应力钢结构的抗力影响因素的数据统计，研究其分布类型和统计参数，使预应力钢结构技术规程和我国建筑结构设计统一标准相结合，推动结构可靠度理论在预应力钢结构设计中的广泛应用，特别是对多次预应力钢结构体系进行可靠性分析实用方法的研究，以作为推广应用预应力钢结构体系的科学依据。4.预应力空间钢结构。平面结构体系是上世纪5060年代世界各国的主要大型预应力钢结构，大多数采用的方法是廓内布索局部预应力。预应力技术与现代钢结构结合而发展起来的预应力空间钢结构，预应力技术与空间结构在发展中找到了共同继续前进的结合点，是当代建筑学科中的最新成就。预应力技术与空间钢结构的结合，对杆件和节点可对巨大数量的空间结构来说，不仅提高了经济效益而且走向整体结构施加预应力的途径，无疑是个正确的发展方向。（四） 预应力钢结构的应用范围和发展前景凡是钢结构适用的地方都可以用预应力钢结构取代以改善结构性能降低钢耗。尤其在跨度大，荷载重的情况下经济效益更为显著。目前对预应力钢结构应用广泛的领域是房屋建筑结构，如体育场馆、会展中心、剧院、商场、飞机库、候机楼等大型公共建筑中。在高层建筑中也有采用预应力钢结构的实例，如南非约翰内斯堡市的发展银行大楼、北京新保利大厦等处。另一个应用较多的领域是桥梁结构，国内外许多悬索桥，斜拉桥都是技术成熟的工程实践。高耸构筑物是利用预应力增强结构刚度的一种类型，由于拉索作用大大提高塔桅结构的水平刚度，如悉尼电视塔、巴塞罗那电讯塔、北京华北电力调度塔以及许多高压输电线路塔架等。把预应力技术用于服役钢结构的加固补强上更是内容丰富、种类繁多。预应力技术用于轻钢结构、钢板结构的研究已经启动，其在工程中的应用与发展有待深入。预应力钢结构近年来发展迅猛，其主要原因是： 符合结构发展趋势，满足更大、更轻、更好的技术要求。 任何结构体系、计算理论、新型材料、施工工艺发展前进的终极目标总是要求结构物能跨度大些、自重轻些、性能好些。钢结构同比混凝土结构，砖结构具有比容重轻，比强度高加工性好，施工快捷等优点。钢结构与预应力技术结合后，优点更为突出。预应力钢结构设计理论完全符合钢结构成型理论中。“兼并功