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1、陆踢麟:预应力钢结构技术讲座(6一2)预应力钢结构技术讲座(6一2)预应力特种钢结构陆踢麟(北京工业大学北京1(X X)22)T ECHN ICA LLECT U R EOFPRE ST RE SSEDST EELCONST RU CT 10N(6一2)PR ESTR FS SEDSPECIA LSTFFISTRUCTUR ELuCilin(Civi lEn g in ee ri飞Coll e罗ofB ei jin gP ol yt een i cU n iver sityB ei jingl仪X)22)L Z预应 力高压翰电线路塔架在丛山峻岭及边睡交通不便地区架设输电线路 时,预 应力塔架方
2、案具有明显的优越性.因为它结构 轻盈、运输 方便、安装简捷、稳定性 好。国外的一些 工 程 中采用 了这类 结构,例如前苏联在西伯利亚未开发区架 设输电线路时,采用了预应力拉索式输电塔架。Lll那札罗夫水电站输电塔5,夕刀 kV高压输电塔塔身结构由一些尺寸不大,便于运送的空间短构 件 在现场用螺栓连成杆 件整体后再组装而 成(图兔).4根中18.5的钢绞线以每根 2 5一3 0kN的预张力将塔身锚固于钢筋混凝土基础上,保证了塔架的空间稳定性及几何不变性。两个塔架腿立于装配 式混 凝土基础上。塔架 总质量 近8 t。除 自重轻、运送简便的优点外,预应力塔架在事故状态下比现役传统结构具有更好的承载
3、力。由于 预应 力索既能承拉,又能承压,所以显著提高塔架刚度。L2.2布拉特水电站输电塔架5,比前者结构更简单,刚性 杆更易 运送,整个结构 支承在一个中心钢筋混凝土基础之上(图9 b)。4根中1 7圆 钢预应力拉杆保证了塔架的几何不变性,用正反扣螺栓对拉索施 加预应力,大大方便了这种结构的应用 与推广.塔架装配构件全用普通螺栓连接,其 总质量仅6 9义狱g。L么3捷克斯洛伐克输电塔架捷克布拉迪斯拉发采用了两种类型的 预应力输电线 路支架(图10)。试验证明:一定范围内的预加 应力不会影响结构承载力,但却大大 增强其刚度,这对承受动力 荷载至关重要。与普通 门式 支 架相比a型支架可节约钢 材
4、18.7%一2 4.9%,省混 凝土 8 0%一8 5%,b型 省 钢4 9.5%,降 低 成 本2 2%。前者 高25 1n,适用 于22()kV线路,后 者 高26n,用 于刃k V线路。塾黔丝红63 0 0护狗800 闪9 凶旁 (a)图10(b)捷克斯洛伐克输电线路塔L 1 4X型输电塔架 6,此为捷克斯洛伐克专利产品(图11),利用两侧竖 向预应图9前苏联西 伯利亚地区精电塔架作者:陆赐麟男1 92 9年2月出生博士教授收稿日期:2(X X)一1 0一2 9St e elCon stru etion.2(X)l(2),Vol.16,N b.5 257技术讲座力拉 索增大塔架刚度,结构
5、体系布 置 紧 凑 合理,适用 于中 汉)k V线路。阮阮闷闷闷闷闷闷闷闷闷闷闷 酝酝凡叼窃认你厂二刀从-1 1 1 1 1 1 1 1 1 .r.,._-车4w e拉拉l l l l l l l l l l l l l l l l ll l l)用月l l l l l御_赢叮廊瓢.一臻蔚一一飞“叭卜t洲、几一一一(a)(b)(c)图1 3预应力绕丝筒壳计算简图(a)一受力曲线;(b)一无 内压计算简图;(c)一有 内压计算简图1一环 向壳体;2一绕丝图l lX型输 电塔架上述的预应力 塔桅结 构只不过是已建 成工 程 中 的几例,而预应力 高耸钢结构领域的众多方面远未深 人与开发.利用预应力
6、技术以改变高耸结 构物的边界条件,提高结 构的静、动承载性能及稳定性,以及 创 造 自重轻、运送方便、安 装快捷的新型预应力高耸钢结 构体系方面大有可为,潜力无限。2预应力钢板结构力在金 属容器和高 压管道 中采用预应力技 术始于2 0世纪印年代初期,这类 钢板构筑物储液罐、储气库、谷仓、料斗、大直径高压管道、石化及 冶金 工 业设备等可 用高强钢筋(丝)或板条连续紧绕筒体而施加 预应 力(图12).钢筋在一定 张力下缠绕筒体,使筒形壳体产生法 向预压应力.在内部使用荷载作用下,筒体与高强钢筋共同受 力,显著提高容器承载 能力,因而节约钢材,降低 成本。尤其当存储强腐蚀性化工产品不得不 采用贵
7、重合 金材 料,或板 材 厚度较大必16)不便加工制造和焊接时,采用预应 力方 案就 更具优越性及 经济性.在管形容器上缠 绕 高强钢 丝 的工序可在固定式绕 线机上进行,在竖式 大型圆 筒(V)3 0(X X】m3)上可只在其下部 缠绕高强钢筋以减 小板厚,方 便加工、运输及 安装。2 0世纪 印年代起仅在前苏联 对预应力板结构进 行过 理论研究及模型试验工作,但工程实践经验不多。平衡条件写出下列公式:空堆(无 载)时:a。:tl+。tZ0(6一l)满 罐(全 载)时:Pr=叮It:+a Zt:(6一2)内压下纵向应力:。2=Pr尽r:(6一3)根据筒壳与绕丝的变形协调条件:会。(一。+一,
8、一;二,一肯一a 0:,6一,式中t一筒壳厚度;tZ=A/u绕丝折算 厚度,其中A为绕丝横截面积;“绕丝 间距;r筒 壳半径;E l、EZ筒 壳及绕丝 材料弹性模量;拜筒壳材 料泊桑系数;P内压 力;ao l、叮。一一筒壳内预压 应力及 绕丝中预拉应力;al、62荷载 下筒壳 及绕丝 中环向应力;a:内压 产生的纵向应力.解方程式(6一l)一(6一4)可得筒壳环 向应力及绕丝应力的计算式:口l=Pr(l+料阴t了2tl)t一+mtZ+丙-(6一5)(6一6)一12一1 22债 稿黯命扇赫俞献 后献r 匕立劝尸1蘸溯呱嫩郧川蜒 岁但一叠声2几把兴碧一会A一A助预应力钢板结构式中m=E了瓦。式(6
9、一5)、式(6一6)中括号 内的数值是考虑了纵向应力6:的影响。分析表明考虑6:时,可使壳厚稍 大,绕丝厚 度减小,其应力误差不超过4%一5%,若取口:=0时,上式可简化为:图121一壳板;2一绕丝2.1预应 力 圆柱 筒壳的受力计算承受 内压的预应力筒形壳体的受力 与先张法受 拉轴心杆受力相似(图13),但筒壳为双向受力。其主要应 力为环向力是内压作用于筒壁而产生的,而纵向力是 内压作用于筒体两端产生的。环向力由筒壁与预应力筋共同承受,纵向力 由端板单独承担。取预应力筒壳单位宽度的一环,可根据力的叮l=Prt一+mtZ+O 0 l(6一7)-二为巴一_,二、护n翻t一+mtZ一tZ(6一8)
10、根据简化式(6一7)、式(6一8)采用计算压 力P作用下壳体及绕丝材 料强 度皆达到容许极 限的原 则,即。:=R l;62=RZ,则可求得所 需筒 壳 厚度 及绕丝折算厚度的计算公式:58钢结构2(X)1年第2期第1 6卷总第5 2期陆踢麟:预应力钢结 构技术讲座(6一2)t,=二R-k一m(ao./R,+l)(甄/R1+l)(k一m)(6一9)t,=卫二Rl。:/R:(阮/R,+l)(k一m)(6一10)寻求预应力竖式储液库设计的最 佳参数:库高H、预应 力丝缠绕高度加、库壁厚度t:、及绕丝折算厚度t:等 就是设计成败关键。由于库壁及绕丝由不同标号钢材制成,其价格相异,因此库体最 优高度应
11、以储库最低材料成本条件确定。飞 仁tl.J刁一以卜,:之.上常l龙.3)匕七匕任.,仁丁|、le se s止式中,k=RZ/R:为绕丝计算强度与筒壳计算强度比值.根据有关曲线分析表明:采用高强钢丝或带钢的预应力筒壳可降低用钢量约印%,减少筒体造价约钓%。如果在铝合金筒壳上采用预应力高强钢丝则其经济效益更 为显著.1 2预应力筒壳的德定性预应力筒壳的经济 效益 随筒壳体 内预应 力的 增大而提高,因此必须掌握空暇 筒壳 在预应 力 绕丝作用下 的 失 稳形态及临界应力的影响因素.由于绕丝的约束作用,预应 力筒壳的临界应力高于静水压力下 筒壳失稳的临界值,并且两者的失稳形态也大不相同(图14)。图
12、14 a为静水压力下 筒壳可能的失稳 变形,图14 b为 预应 力筒 壳的失 稳变形.因为:有 均匀分布的绕丝形成筒壳的加 劲环,抑 阻壳体变形;若圆环截面按椭圆状变形(图14 a一2),则在 曲率增大部位其绕丝拉力增大,而在 曲率减 小处其 绕丝拉力下降,作用在环周外载大小不同又驱 使 椭园变形恢复圆形;只有 圆环截面上有局部凹陷,即有 与绕丝脱离的区段时,会出现局部的壳体失稳(图14 b一4)才具有 圆环不 可恢复的性质。壳体的局部凹陷可能出现在绕丝缠压时,由于钢板的初始缺陷等原因.卜卜一一一-一一-一一-一一l l l l l ll l ll l ll l ll l ll l ll l
13、ll l ll l ll l ll l ll l ll l lJ J J肠肠.-.片片二二二二=二二二=二二言二二卜一-一一D一一祠月,;飞卜仆(a)(b)(e)(d)图巧预应力储库最佳参 数确定(a)一库壁立面;(b)一库壁断面;(c)一变间距绕丝沿高度上折算 厚度分布;(d)一等间距绕丝折算厚度分布.,2,I令令所设计储库如 图巧所示,采用等间距 绕丝方 案。可以写出储库全部的材料成本表达式:c=阮r,(tlhHCI+t。产。Cl+tZhHq)+二 r,sC,(6一13)式 中下,钢材重度;Clh筒壳金属造价;CZl t高强绕丝造价;乙底板与顶板总厚度;与凡范围内壳壁平均厚度。从式(6一1
14、3)可以看出储库造价主要由库壁、绕丝、底板和顶 板的造价组成。将公 式(6一13)中tl、6、场、标等参数以变量H的函数表 达式置换,并令:dCdH式 中一0,A n最优 库高H 0=滓万(6一14)(a)(b)图1 4筒壳失稳形态示意1一未变形筒壳 轮廓线;24一变形后形状一些学者提出过预应力绕丝环截面临 界应力的计算公式(绕丝 间距宽 度):(l)q.别加eP公式7:储库体工作条件系数;下f静液 压 力超 载系数;7库装 液体比重;底 板与顶板 总厚度;A。=2k一m(:+l)11死(:+刀)一。斑:+l)+介:兮(无一m)2(“+l)。r一0.48。互、厂砚不2rVi一拜(2)3.P a
15、Ma3B公式、r一0.5 5导丫离砚(6一11)其中p=殉/R1;二=a 01/R,殉为h。范围内 应 力平均值,a o.为预应力值;j=CZ/C1.当“=0,即预应力为零时,可得变厚度筒 壁储库的最优高度:(6一12)_ _,:Rll月n一I一二下丫下 详名0(6一15)式 中,。=E了几1;料为泊 松比。试验证明:实际临界应力高于计算值,但结 构可能的初始缺陷却会大大降低实际临界应力。2.3预应力竖 式储液库设计建 造预应力 大容积竖 式储液库时(V3 0(XX)耐),采用高强钢板或双层筒体的方案都会导 致造 价提高和施工繁琐.而 采用单层普通钢板下部缠绕高强 钢丝 的 预应 力筒体方案,
16、可获得节约钢材、工业化生产、快捷施工 的效 果。为此St e el Con stru ction.2以)1(2),V ol.16,N心.5 2分析(6一15)式可知 随 预应力的加大和库壁 钢材 标 号的提高,最优库高也随之增长.3 0X刃m3以上容 积的预应力储 库最优高度比非预应力 的要高,可达 2 7m,目前由于施工制造条件及防火技术要求而限定的库体最 高尺寸18m将 会修正增 高。采用增高的预应力储库不仅节约材料及成本,而且可以节省储库基地的占地面积。1 4工程设计与 实戏莫斯科建工学院与有关专业设计院对几种预应力容器59软件天地门式刚架轻型房屋设计CAD系统PS20 00*陈水荣刘鹤
17、王雨苗南东亚吕俊江(冶金工业部建筑研究 总院北京1(XX粥8)摘要P SZI幻是实用型 的计算机辅助设计系统,用它可以快速完成门式刚架轻型房及设计,包括刚架、攘条、琦梁、支律系统、杭风柱、吊车梁、节点连接、基拙等计算分析,并 自动生成全部结构施工图和工程报价清单.概述了PS Z仪X)及其开发.关扭词门式刚架轻型房崖计算机擂助设计DE V E LOP州l F润TOFCADSYSTEM(P SZ以沁)FOR51卫UC 几J RA LDESIGNOFL IGHT一朋口亚GHTBUILD ING S朋汪T HGA BLFnFRAMESChenS hjrongLiuPeng四angy助iaoNa nDo
18、 ng归(Cen tr a lRe sea r chl佑titu teo fB过Idi吃胡dCo n st皿ti on,MMILu次刃iangB ei j in gl(X 心朗)川理汀卫A CT玲2(X X)i sapr a cti。目computer一山山ddesi g nsy st em.l ic a n悦u se dt od oth ede sl g nco 们tr u ct io ndrawin gandquotedpriC eo fl ig ht一忱ig htb uildin邵初t h争bled血I me S,in c l函n gth ec目cu lat10璐andan a】y se
19、 so fpu rl i n,wa l卜悦a m,br朗i n gsy st em,b ea l n,j oin tct i onandf o朋d ati onet c.Th epap erd i sc u sse sth ec omP0 siti ona ndd ev ef opm en to f此件加田.KE YWOR I 6即b ledf ra J.el ig h t一稀i g h tb回din多c omPute r一a id edd es吵1门式用架房皿及其应用现状门式 刚架结 构房 屋因其造型美 观,价 格便宜、抗震性 能好、布置灵活、施工 速度快等优 点,近些 年来,这种结构 的房
20、屋在 中小型厂房、仓库、大型超市等方面得到广泛应用。为了适 应轻钢结构的快速 发展,相应的规程规范 也 在逐 步编制 和完 善。例如,我 国 的钢 结 构设 计规范(GBJ 17一8 8)对轻 钢结 构 而言,许多条款限制太严,过于保守,依此规范设计出的结 构用钢 量偏 高,不利于轻 钢的发展,为此,建设部 中国建筑金属结构协会建 筑钢结 构委员会编 制了(t1式刚架 轻型房屋钢结 构技术规程(C ECs l似:9 8),上海 市编 制了轻型钢 结 构 设 计规程(DB J佣一招一卯),这两本标准均参照 了国外标准与设计手册,对普通钢结构设计规范中的许多 限制,如杆件长细比、H*国家科学技术部
21、专项资金资助项目(编号:卯一59 2)。第一作者:陈水荣男1久讨年5月 出生高级工程师收稿日期:2(X X)一0 7一0 5!f阔阔行和丫诊诊诊!/2 2 2 2 2 2 2匕匕匕匕,肛肛肛肛肛肛进行了设计及技术经济分析,有的进行了工程实践。1 屯1储氨堆设计对容积10 08 X幻m3,压力2MPa的系列预应力圆筒形储氨峨进行了设计,罐体结构 由高强钢丝缠绕的筒体和半球形上下两端头构成(图1血)。容积在2以)m3以下的预应力储雄可全部在工厂生产,其尺寸要适合运输的要求。更 大容 积的储雄只能现 场装配施工,所以堆体壁厚要限 制在可采用卷材法 运输和 安装的范围内。在现场用绕丝机进行预应力工序,由于构造原因采用筒体及两端头板等厚,因此根据容积大 小选用 不 同标号 板材,而绕丝都选用小5高强钢丝.技 术经 济分析 表明:与同容积无预应力的球形雄相比,预应力 竖 罐可节约钢材15%,并降低加工成本.(待续)图1 6预应力容器立、剖面1一拉杆;2一库壁;3一绕丝印钢结构2(X)1年第2期第1 6券总第5 2 期