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1、技术讲座预应 力钢结构技术讲座(4一2)预应力钢结构平面结构体系陆踢麟(北京工业大学1(XX)22)3预应力平面框架体系l.玖幻传统的框架体系有实腹式与格构式两种。在结构上施加预应力的方法主要有两类:在不同的布索方案下张拉钢索以改善结构内的峰值应力;利用支座位移法以调整结 构 内力。如前所述,根据 内力平衡准则总是在改善主要杆件受力状态的同时,会川大部分杆件的负荷力度。作者早年曾提出拉索法对不同刚架产生的预应力效 应图(图7),给出了预应力与荷载 内力的相互关系.图7a示出预应力支座拉杆对横梁和基础都产生卸载效果,但却加大立柱的负担.这种方案只有在结构 跨度 大、高度小、基础地 质差 的情 况
2、下才是合理的.图7b的拉索连于立柱上端,张拉后 的预应力蜘立显然比图7a合理.因为它的预应力弯矩对横梁 与立柱均可有效卸载,只是 略加重横梁 两端的负担.所以当结构高跨比较小,尤其利用外墙挂重于拉索系统时,会产生较好的经济效益.图7c、e、g的布 索方案无论对横梁还是立柱都产生卸载效应,3种方案的(c)川川川(d)(g)图7拉索预应力弯矩示意预应力弯矩不仅在符号上与荷 载弯矩相反,而且 在力度上也相应,如果在结 构的几何尺寸上和预张 力上选择恰当,将会显著降低用钢量。在 某种情况 下只对框架的横梁局部布 索(图7d,0也是可取的,所产生的预应力效应可对横梁 的弯矩 峰值卸载,且即不对立柱增载又
3、使拉索的构造 与锚固简单化。改变预应力布索可以在结构内产生不同的效果,图7h所示与图7 b的预应力效果一致,因为改变了拉索下端的锚固点而对图7h的基础设计更 为有利,只是需要一对强劲的悬臂。采用支座位移法产生预应力可能更经济有效。如图sa所示使一侧或两侧支座 强迫水平内移可得到 与图7a同样的卸载效果,并可省去拉索及锚头的钢材;但基础受力较大,需有较好的地 质条件。双跨a。广勺一茸合合 井-图8支座位移法示意58钢结构2(X X)年第1期第1 5卷总第4 7期陆玛麟:预应力钢结构平面结构体系刚架中间支座 的强迫垂直位移(图s b,c)可对结构体系 的一部分 卸载,而对另部 分增载,要根据 荷载
4、大小,高跨比等因素来确定卸载的部位后再计算出支座的位移方向和大小。现举例分析几组传统平面框架结 构中引人预应力的效益,从 中可以得出一些有益的启示。玉1格构式刚架对比莫斯科建筑大学r.C.B e加,o B教 授对2 4m柱距%m跨度有巧t悬挂 吊车的机械装配车 间格构式刚架进行分析,共选用4组 方案:普通 两铰 刚架(图ga);有拉杆的两铰刚架(图gb);拉索预应力刚架;支座位移预应力刚架。其经济分析 结果列表3。从表3中可以得出下列几点共识:(l)不适宜的结构图形(图gb)中引入预应力,不仅不能产生明显的经济效果,甚至反而导致 总用钢量的增加,因为卸载效益补偿不 了增载支出.表3格构式刚架方
5、案经济比较方案号每揭刚架屋盖平均基础混凝总用钢每福刚架总质量/用钢量/土用 量/量厂(含基础)t(kgm一,)m,0 0总造价/0 08 7 8 2216215176.7183.267.86 8.811812 09 2.426 810 01的10110 483.68587.595注:每棍刚架质量中未含拉索及锚头的用钢量。(a)7.5m(b)7.sm)L L Ll沟m pm,”1一一图9格构式刚架对比方案入入l/入夕闪刁火L/倒倒 6 6 6m9 6m m mm m。尹、上6 m(2)选用适宜 的结 构图形(图gc)施 加预应力,即使在同样布索方案和张拉力度下,也可以获得明显的经济效 益,如 图
6、9中c比b的 用钢量减少16%.(3)用支座位移施加 预应力 同样可以获得 拉索法产生 的经济效果,如图gd在框架用钢量上可降低巧%,但基础用料量及成本明显增大,尤其在 地质条件差 时会得不偿失。玉2不同结构方案对比r.c.B e那毗阳教授 指导的另一组 预应力框 架结构经济分析中对跨度%m、梁高1 0m、柱距2 4m、柱宽6m并装配有多种起吊设 备的飞机装配车间采用了普通框架方 案与两种预应力方 案进行了对比,其一为前例分析中的优秀者方案图gc;另一为梁柱体系的框架,采用两套拉索系的钢横梁放 置在强度等级C4 0的钢筋混凝土柱上(图1 0a,b,c)。其经济分析见表4。从中可以看到:(l)梁
7、柱体系方 案(图1 0c)的预应力经济效益最(b)6m%m川图1 0不同结构方案对比好,用钢量下降4 2%,造价减少36.6%.因此在传统结构分析 中刚架体系优于梁柱体系的概念由于预应力的引人而不再适用.Ste elCbmtnlctio n.2(X X)(l),v ol.15,No.4 759技术讲座表4混合式刚架方案经济比较方案号横梁 重了立柱重/框架总重/拉索换算重/钢耗量/基础混凝土用量/总用钢量/总造价/tttt(kgm一,)m,%o,o42.677.1混凝上 用量33.74m324 6.62 28.27.639 5.1男.吕1029 1.41 12.科l o o9 5.46.08 6
8、57.91加%63.4酬1 5 11 2 7(2)两铰刚架在支座水平张拉预应力索的方 案1 3两铰格构式刚架对比(图1 0b)使横梁卸载,立柱增载,两者相抵后是预应作者曾对跨度印m的两铰格构式刚架进行过经力的经济效益,从图 1 0a、b对比中知道 钢耗量下降济分析。预应力方案直线布索于横梁与立柱的交点4.5%。处,非预应力方 案与预应 力方案各 部杆件的用钢量(3)选择适宜 的结 构 体系 是采用预应力技术经对比见表5。从表中可见 预应力只对横梁部 分 卸济效益大小的关键。避免或降低增载的不利影响,载,而其中受益 最大者为斜腹杆,省 钢率达 3 8名%;突 出或扩大卸载的有利成 分,在材性上扬
9、 长避 短采次之为下弦杆2 1.5%;上弦杆1 1.2%,而对竖腹 杆不用钢一混凝土混合结构等,可能是在传统结构体系起作用。中寻求预应力方案 的合理途 径。表5仍m跨度两铰刚架质纽指标对比非预应力方 案预应力方案各部用钢量指标质量往横梁立柱拉索总计单位耗钢量/(k gm一2)单位耗钢量/%19.955.招254 3篇16.35.3 41.3 422.9 821.3卯,4综合以上3例所述 可以认 为:在传统框架体系中施加预应 力时,当跨度 在3 0卯m范围内可节约钢材10%一2 0%左 右,如果 所选结构图形与布索方案不 当,甚至可适得其反。随着结构高跨比H/L的增大,材料的节约量 下降,当H/
10、L、1/2时,采用预应力的经济效益甚 微。采用预应力时,无铰 刚架的材料节约率一般高于两铰刚架。4预应力拱式结构体系l,3,幻传统拱架是结构体系中经济、合理、美观的承重结构。如果在特定外载下选 用 了合 理拱轴线,则结构主要承受轴向压力。因此采用预应力技术获取的经济效果一般不大。有效的预应力拱式结构的 图形必须重新研究与建立。前苏 联学 者提 出了一系列预应力柔索拱 方 案(图11)。预应力态下的柔索可以承 受 拉力和压 力,增大拱体的稳定 性和刚度并大大减小其截面积,特别是当半 跨荷载时,由于拉索的作用使得 拱 的强度和刚度明显提高。a)户萎鑫羹甄(d沪声蚕毫气图1 1预应力柔索拱结构60钢
11、结构2(X X)年第1期第巧卷总第4 7期陆赐麟:预应 力钢结构平面结构体系分析数据表 明,从金 属 用 量和构 造 简单 来截面形式与节点构造,其 装卸性 较强并能 适应各种看,方 案c是合理的。索的张拉既要对称又要 均跨度,现已在儿项工程 中建成使用。匀,采用单索张拉工艺复杂,而支座位 移法可能满足作者曾对一种拉索预应力两铰拱结构进行经济上述要 求又简化工艺。方 案b中采取措施增大两组分析,跨 度 印m的拱体外侧布置一条预应力拉索,由索节点M及M的间距,同样不失为整体施 加 预应一对槽钢组成的拱体通过若干对撑杆与拉索相连组力的可行方 案之一。莫 斯科 吉纳摩体育 馆跨度18 0m成三角形断
12、面。张拉拱脚间的拉杆使拉索中引入预的屋 盖曾选用预应力索拱的方 案d,其用钢量仅为应力,其力度要保证索在任何 荷载 状态下 皆不出现2 6kg;/mZ。压力。对比方案是同一几何尺寸的格 构式普通拉杆近年来北京空军某 研究 所研制开发的弓式 结 构两铰拱,其经济分析数据见表6。也属拉索预应力拱式结 构的一种,采用 了非 传统 的表6拉索预应力两铰拱经济对比结构 简图上 弦/k g下弦/k g腹杆/k g拉杆及其它/k g总质量/k g质量百分比7%!为严嘿黔当趁薰飞2肠53 94 0179 64 702 7321 123076808 9 书 从表6可以看 出,预应力索取代 刚性上弦和腹杆是节约钢
13、材 的主要原因,但下弦 的增载抵 消了部 分经济效果,总省钢率为2 0%左右。创造拱与其它结构组合的预应力新体系使其 各自发挥优势共 同受力是发展 预应力拱系结构的合理途径,正如林同炎教授所说:“现代技术 促进 了非 常规结构体系的进一步 发展一;“采用现代材料和技 术,工程师能够 创造 出超常规的具 有 新概念 的拱形结构,以满足特定的功能要求,覆盖更大 的空间”。9,5悬索结构体系2,3,1 0)悬索结构是必然 的预应 力结 构,每根 柔索只有引人预应力后才能成为结 构杆 件。它受力合理,自重轻,用料省是预应力钢结构 中的优秀承重体系。平面悬索结构有单层索,双层索与索弦结 构三类,前两类已
14、在多种专著中有过阐述,本文将着重介绍后者。索弦 屋盖结 构(KoHcrp终l秘盯p y圈Ix叽四1,嗬)主要指 由平行的预应力钢索或 圆钢 组成的单层多跨轻型屋面结构。张紧呈直线态的钢索两头锚固在建筑物两端的抗拉 结构上,中间 由若干支点承托 着,防止荷载下 的过 大 变形。索弦结 构省料、构造简单,营建便捷,适用于长度较大的不保暖单层建筑,如月台,看台天蓬,仓储库房等处。索弦屋盖虽然是无弯矩结构,但是 它需要在建筑两端有 刚劲的锚固点以平衡索群 的强大 张力。锚固结 构有多种形 式,如斜 拉索(图1 2a).悬臂墙(图1 2b),刚架(图1 2c)或屋盖抗压杆件(图抢d)等,权口二程具体情况
15、而定。索弦屋 盖的拉索是 在 预张力作用 下保持平直的,在横向荷载下会有较大 变形,所以只能敷设 有弹性的轻型屋面板,如压型金属板,泡沫塑料 板或 卷材屋面等。平行拉索上连有 锚固件,压型板与锚固件间密合连接,防止 漏雨。在非均 匀、对称荷载 作用下,受载的屋面变形较大,与相邻非受载屋面共同工作的构造设计是保证屋面结构寿命的关键问题。因此这种结构一般适用于1 8一3 6m范围的跨度。索弦结 构的拉 索也可布置成辐 射状和放 射 状的,它们适用于 圆形、方形和长方形的建筑平面。a毛 阁蕊哥聂采幕幕肠(c藕美森森石黑熟沪压压眨吐三卜月不 于币.,币于 l l l l l图1 2锚固结构形 式6吊挂
16、结构体系汰3,7,吊挂结构主要由3部分组成:(l)支承 吊索的主承重结构;(2)斜 向或 竖向的吊索系;(3)屋盖结构。作为 吊挂钢索的主承重结构类型一般常采用立 柱、Ste elCon str uc tio n.2(X X)(l),o1.15,资心。斗7技术讲座刚架、拱架等结构,作为屋盖结构则 由早期的平面体系发展到目前的 空间体系(图13)。早期 问世的吊挂结构如布鲁塞尔博览会苏联馆(195 8)屋盖是平面析架;美国加 州冬奥 会冰球馆(19创)的 屋盖 是实腹钢梁;英国 因莫斯微型集成电路工 厂(1982)的屋盖是格构式刚 架;法国雷 诺汽车公 司瑞 典 分发 中心(19 83)的屋盖是
17、变截面蜂窝梁系等均为平面结 构体系。在计算 中主承重吊挂体系按平面结 构计算,整个建筑的纵向稳定 与刚度是 由构造措施与纵向支撑系来保证的。由于承重体系 与稳定体系的分离,所以平面 吊挂体系 的经济效果不高。对屋盖结构的不利影响降至最小;确定均衡对称的 吊索布置方 案以避免对主承重结 构产生过大的偏心力矩;采用合理的屋盖结 构形式及恰当的几何尺寸;寻求 合理的刚度比:=屋 盖结 构 抗弯刚度/吊索抗拉 刚度,以使中间弹性支座具有适宜的弹性系数而降低屋盖结构中的内力峰值;采用多种措施 增大主承 重结 构的纵向刚度与稳定性。这类结构通称 暴露 结 构或高 技 建筑,造型新奇、多样、刚劲、雄伟,富于
18、现代化和高科 技 色彩,颇受土建界的重视与青睐。参考文献图1 3平面体系吊挂结 构平面体系承 受 平面外 荷载(如 风载)的能 力很差,必 须加大 承重构件平面外的稳定性,主要措 施有:(l)由柱顶吊挂横梁的钢索采用多根并沿纵 向散开方式分别吊挂相邻几根横 梁的吊点上,由于吊索沿纵 向散开而增大立柱平面外的稳定性;(2)在柱间布置纵向十字 交叉柔索支撑以传递纵向荷载;(3)在每一立柱 吊 挂单元的共同交界处进行竖向连接以加强屋 面的 整体性 并提 高柱 间 的空 间作用,但水平向应允许单元间相对位移以保证 自由胀缩。吊挂结 构设 计时应优选结构类型及各种参数以提高整体经 济效益,主要有:选择适
19、宜的柱高与跨度比h/I,使拉索内力1Be爬朋.EH.np e朋aP盯e 月湘H a即凡称H H bl e.M七T a朋-明e eK佬玲cyu肠rK叱印yK IJ“M o cK sa.19 63 一19 752Fer je n eik.PD ieV Or sPan nu ngimSt ahlb au.B erlin-MUneh en.D证seldor19 753陆赐麟.预应力钢结构.北京工业大学,1 98 64陆赐麟.预应力立体钢析架的方案选择.业建筑.19 87,27(3)5陆赐麟.单次和多次预应力钢结 构.清华大学学报,1%1,8(l)6陆赐麟.多次预应 力钢结构的理论分析及试验 研究.土木
20、工程学报,19 65(l)7几 yU”一Jl刊1.比c朋刀p.a毗啊芜朋aP“re 月HoH an P月-姗l xCl飞玉朋H bl xK叱印yKyl州即“M甘戊,yll洲-aTO Mnp e朋aP甘r e月b H以MH a邝袱舰T户父喇.Kal叨朋-a兀Ka”八献eP Tal不“月M o cK日a.19598E.城B C月eH a.H.H.CI叫p e爬从K狱M七稚JU川”c cKK井-TPyKI互班戈CI祀切.月曰亚成Kyp eMo cK Ba.l卯l9林同炎.拱是结构也是建筑.土木工程学报,l卯7(6)10A.T Pyll端 二f ll,犯1,娜扭e肠一eMe份朋碎xe eK佬K叱甲yK
21、毋州.M o cKsa.1 9831 1陆赐麟.现代大型建筑物的新结 构体系及其 建筑 造型(l)、(2)、(3).工业建筑,l卯6,26(6,7,9)卜粼叫世界钢号对照手册简讯由冶金部信息标准研究院 主 编、北京市伟地电 子出版社出版的实用 工具书世界钢号对照手册第二版本现已正 式反行。新版本仍由原班标准技术专家组成对手册进行权威性修改和补充。专家们针时我国现行破素结构钢、优质破素结构钢、合金结构钢、不锈钢、耐热钢等5 0年钢铁标准约7(X)个常用钢 号与原苏联、美国、日本、德国、法国、国际标准化组织及欧洲标准化委员会最新标 准的相应钢 号逐一对照、研究,并收录了日本工业标准化 协会编著的 J IS标准与外国标准对照资料,并配有检索功能齐全的多媒体光盘。手册为中、英文对照版本,对外发行.购书者请速与冶金部信息院张金华、李耀华联 系。联系电话:(0 10)6 52 51353。钢结构2(X 刃年第l期第巧卷总第 4 7期62川.,一一军”,平“毋甲”