大跨度預應力鋼結(jié)構(gòu)的應用分析
【摘要】對于大跨度鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計和應用，不能簡單根據(jù)手冊或者圖集來進行設(shè)計，應當根據(jù)結(jié)構(gòu)自身特點選擇合理的承重形式。對于荷載較大的大跨度鋼桁架，需根據(jù)桁架形式來優(yōu)化布置桿件。根據(jù)鋼筋桁架自承重混凝土板的諸多優(yōu)點，最終選用該承重板形式。本文通過介紹大跨度鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計要點，分析了大跨度預應力鋼結(jié)構(gòu)的應用。
【關(guān)鍵詞】大跨度；預應力；鋼結(jié)構(gòu)；應用
近年來，隨著社會的不斷發(fā)展，各類技術(shù)也不斷發(fā)展起來，大跨度結(jié)構(gòu)已成為了當今經(jīng)濟和社會發(fā)展的需要。大跨度鋼結(jié)構(gòu)的應用為各類大型橋梁和房屋的建設(shè)造成了極大的便利，為建筑事業(yè)發(fā)展起到了促進作用。
1 大跨度預應力鋼結(jié)構(gòu)概述
大跨度鋼結(jié)構(gòu)是當今建筑中應用很廣的結(jié)構(gòu)，因為大跨度鋼結(jié)構(gòu)具有承載力高、延性好、剛度大、施工方便等優(yōu)點，得到了日益廣泛的應用。對于新型大跨結(jié)構(gòu)的特點整體上是空間結(jié)構(gòu)；其跨度大，可覆蓋巨大的室內(nèi)空間；矢高小、曲率平緩，可有效利用空間；厚度薄、自重輕，節(jié)省材料；形式多樣，可適合于各種形狀的平面組合。對混凝土結(jié)構(gòu)來說，其根本不適合用于大跨結(jié)構(gòu)中，其采用的單向板以及雙向板隨著跨度的增大，將會使樓板的厚度增加，所配置的鋼筋量必然增大，顯然這不適合用于大跨度結(jié)構(gòu)中。近代大跨度結(jié)構(gòu)建筑至19世紀末已有較大成就。而對于應用于跨度較大的井式樓蓋中時，其特點就不盡相同了，對于以上兩個類型的應用中梁的高度相等且一般等間距布置，無主次梁之分，四周承重墻支撐或角柱支撐，可以解決一些大跨度空間的設(shè)計要求，因此適用于柱網(wǎng)間距或房間平面面積較大時，多用于門廳、會議廳，但是把井式樓蓋應用于大跨度空間結(jié)構(gòu)中，必然會使造價較高。顯然，對于大跨度結(jié)構(gòu)來說，采用鋼結(jié)構(gòu)明顯優(yōu)于混凝土結(jié)構(gòu)等，而且隨著跨度的不斷增大，這種優(yōu)勢尤為突出。尤其是對于柔性屋蓋體系來說，混凝土和鋼-混凝土組合屋蓋暫不適用，而鋼結(jié)構(gòu)則具有明顯優(yōu)勢。
2 大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計要點
隨著社會的發(fā)展大跨屋蓋建筑的數(shù)量和規(guī)模增長非常迅速；對大跨度預應力鋼結(jié)構(gòu)應用的建筑的抗震設(shè)計重視不夠。并且出現(xiàn)不少樣式優(yōu)美、造型奇特、風格各異、但是抗震性能很差的建筑。為此，結(jié)合大跨鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的設(shè)計實例，對于大跨空間鋼結(jié)構(gòu)來說，有許多該注意的設(shè)計要點。
鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)相比，最大的不同在于，鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點形式的合理及可靠是保證結(jié)構(gòu)體系安全的關(guān)鍵，一般而言，混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點可以做到完全剛接，故計算假定與實際結(jié)構(gòu)基本吻合，而鋼結(jié)構(gòu)則不同，絕大多數(shù)節(jié)點既非絕對剛接，亦非絕對鉸接，根據(jù)節(jié)點形式及構(gòu)造的不同，節(jié)點剛度是一個變量，但通常均將節(jié)點設(shè)定為剛接或鉸接，造成理論計算與實際結(jié)構(gòu)不符。還有 ， 鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點造型日趨復雜，很難按常規(guī)的梁、桿或板單元進行計算，必須采用有限元方法才能找出內(nèi)力分布規(guī)律，避免應力集中，保證結(jié)構(gòu)安全。
鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點的連接形式主要有全焊連接、高強度螺栓連接和栓焊混合連接。其中，高強度螺栓連接作為新型連接形式，在國內(nèi)外得到廣泛應用，尤其對于高層和超高層鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點均采用了高強度螺栓連接方式。在對摩擦型高強度螺栓連接進行抗剪設(shè)計時，以外剪力達到由螺栓預壓力所能提供的最大摩擦力為極限。設(shè)計過程中要保證摩擦力完全能承受整個使用期間外剪力，螺栓桿和孔壁間始終保持原有空隙，使板件間不會發(fā)生相對滑移變形。承壓型高強度螺栓連接設(shè)計只考慮在正常使用荷載作用下剪力不超過最大摩擦力。
按照《鋼結(jié)構(gòu)高強度螺栓連接技術(shù)規(guī)程》中的規(guī)定，通過計算來選用高強度螺栓連接類型。通過柱翼緣或腹板上的連接板與梁腹板或翼緣用高強度螺栓連接，同時在梁翼緣對應的位置設(shè)置柱的水平加勁筋來加固。針對焊接缺陷，同時本項目深化設(shè)計時盡量使構(gòu)件各部分剛度和焊縫均勻布置，對稱設(shè)置焊縫，減少交叉和密集焊縫，另外采取合理的施工順序，以減小鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點處的變形。
3 大跨度預應力鋼結(jié)構(gòu)的應用
在當今社會中，大跨度與空間鋼結(jié)構(gòu)主要用于公共建筑，比如各種橋梁及有名建筑，大跨度結(jié)構(gòu)也用于工業(yè)建筑，大跨度結(jié)構(gòu)主要是在自重荷載下工作，主要矛盾是減輕結(jié)構(gòu)自重，故最適宜采用鋼結(jié)構(gòu)。所以使得鋼結(jié)構(gòu)的應用更加廣泛。隨著社會技術(shù)的發(fā)展，在大跨度空間結(jié)構(gòu)中引入現(xiàn)代預應力技術(shù)，不僅使結(jié)構(gòu)體形更為豐富而且也使其先進性、合理性、經(jīng)濟性得到充分展示。在大跨度屋蓋中應盡可能使用輕質(zhì)屋面結(jié)構(gòu)及輕質(zhì)屋面材料，如彩色涂層壓型鋼板、壓型鋁合金板等。
大跨度預應力鋼結(jié)構(gòu)的應用中通過適當配置拉索，可使結(jié)構(gòu)獲得新的中間彈性支點或使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生與外載作用相反的內(nèi)力和撓度而卸載，前者即為斜拉結(jié)構(gòu)體系，后者則為預應力結(jié)構(gòu)體系。這一類“雜交”結(jié)構(gòu)體系將改善原結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，降低內(nèi)力峰值，增強結(jié)構(gòu)剛度、技術(shù)經(jīng)濟效果明顯提高。目前我國已在80余項大跨空間鋼結(jié)構(gòu)工程中應用了預應力技術(shù)，如廣東清遠市體育館（六點支承，對角柱跨度89m，六塊組合型雙層扭網(wǎng)殼）在周邊設(shè)6道預應力索后其用鋼量44.3kg/m，約比原方案節(jié)省鋼材32%，其它一些類型的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)采用預應力技術(shù)后一般都可節(jié)約30%以上的鋼材。目前許多高校對索托結(jié)構(gòu)，索網(wǎng)結(jié)構(gòu)等以高強鋼索與鋼材為主承重結(jié)構(gòu)的預應力鋼結(jié)構(gòu)新體系，正在進行理論研究，積極準備工程實踐，可以預期新型的預應力大跨空間鋼結(jié)構(gòu)不久即將涌現(xiàn)在各類建筑中。膜結(jié)構(gòu)是當前我國正在興起的一種空間結(jié)構(gòu)，其中應用較多的是張力膜結(jié)構(gòu)。這是一種以玻璃纖維織物或聚酯纖維織物為基層，以聚四氟乙烯或PVC為涂層的膜材與不同類型的支承體系間的組合，而其支承體系可為索一支柱或索一桿結(jié)構(gòu)，它們常在膜材獲得預應力后協(xié)同工作。
4 預應力張拉施工及質(zhì)量控制
4.1 工程概況
某體育館可以舉辦國際單項賽事和國內(nèi)綜合賽事的大型甲級體育建筑。建筑高度30m；建筑面積2.7萬m2；比賽場屋面結(jié)構(gòu)為大跨度多重弦支網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)，通過7 根主索桁架、6根次索桁架及其他鋼構(gòu)件組成；主索由 265 根 5 鋼絲束組成，次索由109根 5 鋼絲束組成；比賽場跨度67.2m -87.7m，多重弦支網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)預應力張拉施工是工程施工的難點和重點。
4.2 預應力張拉準備
�。�1）預應力張拉施工方案編制的成敗，是預應力張拉的關(guān)鍵工作。為此首先按有關(guān)規(guī)定、程序?qū)κ┕し桨附M織有關(guān)專家進行論證、審批。（2）預應力張拉施工監(jiān)控。預應力索張拉過程中，按照監(jiān)控方案選取有代表性的三榀主桁架進行了監(jiān)控，并與施工油壓表換算預應力張拉值進行比對，判定誤差滿足要求（-2%～5%）。（3）對張拉工器具特別是油壓表的標定進行檢查驗收。
4.3 預應力張拉
預應力索設(shè)計張拉力，主索： 1294kN；次索： 582kN。張拉力分8 級進行，第一級為設(shè)計值的30%，余下各級為10%，各級實際張拉力與設(shè)計張拉力誤差 +5%～-2%。應用大型有限元分析軟件 ANSYS 對施工工況分析，給出了各索施工理論（ 方案） 張拉力及變形值，見表 1。張拉過程分五級： 0% →25% →50% →70% →90% →100% （ 按施工張拉索力） 第五級張拉完成后，考慮到錨固預應力損失，在理論施工張拉力的基礎(chǔ)上，超張拉至 105%。施工理論（ 方案） 張拉力與實際張力見表 1。預應力張拉全過程對主桁架跨中豎向位移，支座水平位移，用全站儀進行動態(tài)監(jiān)測，見表2。為了核實張力值由第三方監(jiān)測單位，按照提前制定的監(jiān)測方案，抽取有代表性的三榀主桁架進行監(jiān)測，見表1。
5 結(jié)語
綜上所述，在大跨度預應力鋼結(jié)構(gòu)的應用中，隨著體外預應力束編束的增加 （ 即預應力度的增加） ，組合梁橋的自振頻率就會隨之增加，從而承重能力就會增加， 同時預應力度對不同振型的頻率影響不同。本文從比較混凝土結(jié)構(gòu)、組合結(jié)構(gòu)以及鋼結(jié)構(gòu)出發(fā)，分析比較鋼結(jié)構(gòu)應用于大跨度空間結(jié)構(gòu)中的優(yōu)勢，結(jié)合大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計實踐經(jīng)驗，提出大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計要點，可為大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考借鑒。
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