【摘要】預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)是土木工程中的一顆新星。近年來，預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)如雨后春筍般出現(xiàn)在世界各地，在國內(nèi)外得到廣泛的應(yīng)用。本文從分析預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)出發(fā)，對(duì)預(yù)應(yīng)力空間鋼結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行歸類，并以此為基礎(chǔ)，探討不同結(jié)構(gòu)類型的預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的若干問題。最后，結(jié)合個(gè)人經(jīng)驗(yàn)對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展提出建議。
【關(guān)鍵詞】預(yù)應(yīng)力 鋼結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)體系 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
1、預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)
預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)在于能夠充分利用鋼材的彈性強(qiáng)度潛力，從而提高結(jié)構(gòu)承載力、改善結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)、節(jié)省鋼材。相比于傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)，現(xiàn)代創(chuàng)新結(jié)構(gòu)體系（如索穹頂和索膜結(jié)構(gòu)等）在節(jié)省材料方面的表現(xiàn)更加出色，由于大量采用了預(yù)應(yīng)力拉索系而排除了受彎和壓彎桿件，加之采用了輕質(zhì)高強(qiáng)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)（如壓型鋼板及人工合成膜材等），其承重結(jié)構(gòu)體系變得十分輕巧、結(jié)構(gòu)自重成倍或幾倍地降低。另一方面，預(yù)應(yīng)力可以提高結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性，調(diào)整其動(dòng)力性能。
2、預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是發(fā)揮其結(jié)構(gòu)功能的關(guān)鍵所在。節(jié)點(diǎn)的剛度大小是影響結(jié)構(gòu)是否失效的因、節(jié)點(diǎn)可否轉(zhuǎn)動(dòng)、能否調(diào)節(jié)等性質(zhì)是影響結(jié)構(gòu)的整體剛度水平及其預(yù)應(yīng)力水平分布、結(jié)構(gòu)的幾何形狀、結(jié)構(gòu)在成型態(tài)能否順利完成等方面的重要因素。
2.1預(yù)應(yīng)力網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
預(yù)應(yīng)力網(wǎng)殼的一般節(jié)點(diǎn)，當(dāng)桿件采用圓管時(shí)，鉸接點(diǎn)常常采用螺栓球節(jié)點(diǎn)，剛節(jié)點(diǎn)多采用焊接空心球節(jié)點(diǎn)；當(dāng)采用型鋼截面桿件時(shí)，可采用板節(jié)點(diǎn)。預(yù)應(yīng)力錨固節(jié)點(diǎn)則采用焊接空心球的特制節(jié)點(diǎn)。支座節(jié)點(diǎn)要適應(yīng)預(yù)應(yīng)力的施加和符合計(jì)算簡圖的假定。而對(duì)于超大跨度預(yù)應(yīng)力網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，結(jié)合其特點(diǎn)主要介紹和探討以下幾種節(jié)點(diǎn)。
1）螺栓球節(jié)點(diǎn)：螺栓球節(jié)點(diǎn)受力明確、安裝方便、結(jié)構(gòu)不太復(fù)雜，又能大批量生產(chǎn)而被廣泛應(yīng)用；2）預(yù)應(yīng)力節(jié)點(diǎn)：它是預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)鋼索施加預(yù)應(yīng)力的錨固節(jié)點(diǎn)，是預(yù)應(yīng)力網(wǎng)殼極其關(guān)鍵的要害部分。3）法蘭鼓筒節(jié)點(diǎn)：按常規(guī)設(shè)計(jì)，巨型結(jié)構(gòu)體系的節(jié)點(diǎn)必然“巨型”、“超大”，在高空安裝，操作極其困難。但法蘭鼓筒節(jié)點(diǎn)既具有焊接空心球節(jié)點(diǎn)耗材少、重量輕、容易做大的優(yōu)點(diǎn)，又有螺栓球節(jié)點(diǎn)不需現(xiàn)場高空焊接、安裝優(yōu)質(zhì)快速的特點(diǎn)，變?cè)瓉淼臈U件與節(jié)點(diǎn)單一螺栓連接為分散處理，避開了新開發(fā)超大螺栓的難題；4）橡膠支座節(jié)點(diǎn)：橡膠支座不僅承載力高、構(gòu)造簡單以及抗震性能好，而且能適應(yīng)網(wǎng)殼支座須多向伸縮和轉(zhuǎn)動(dòng)的要求。
2.2 吊掛結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
吊掛結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)分為拉索上節(jié)點(diǎn)和拉索下節(jié)點(diǎn)。根據(jù)采用的拉索錨具形式不同，對(duì)應(yīng)于冷鑄錨采用穿過式錨具，對(duì)應(yīng)于熱鑄錨一般采用耳板連接方式。由于上節(jié)點(diǎn)一般都會(huì)有多根索交叉，構(gòu)造復(fù)雜且受力很大，所以一般都采用鑄鋼節(jié)點(diǎn)，下節(jié)點(diǎn)則根據(jù)節(jié)點(diǎn)處鋼結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度選用鑄鋼或耳板節(jié)點(diǎn)。
2.3 張弦梁結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
張弦梁結(jié)構(gòu)的主要節(jié)點(diǎn)包括：1）支座節(jié)點(diǎn)；2）撐桿與下弦拉索節(jié)點(diǎn)；3）撐桿與上弦構(gòu)件節(jié)點(diǎn)。以下結(jié)合目前已建工程介紹上述三類節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造。
1）支座節(jié)點(diǎn)：為保證結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力自平衡和釋放部分溫度應(yīng)力，張弦梁結(jié)構(gòu)的兩端鉸支座通常設(shè)計(jì)成一端固定、一端水平滑動(dòng)的筒支梁做法。通常張弦梁兩端支座都支承于周邊構(gòu)件上，但對(duì)于水平滑動(dòng)支座也有通過下設(shè)人字形搖擺柱來實(shí)現(xiàn)的做法；2）撐桿與下弦拉索節(jié)點(diǎn)：撐桿與下弦拉索之間的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造必須嚴(yán)格按照計(jì)算分析簡圖進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于只存在豎向撐桿的張弦梁結(jié)構(gòu)，其下弦拉過節(jié)和撐桿之間必須固定，因此其節(jié)點(diǎn)構(gòu)造應(yīng)保證將索夾緊，不能滑動(dòng)；3）撐桿與上弦構(gòu)件節(jié)點(diǎn)：下弦索平面外沒有支撐，因此撐桿與上弦構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)通常設(shè)計(jì)為平面內(nèi)可以轉(zhuǎn)動(dòng)，平面外限制轉(zhuǎn)動(dòng)的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式。上海浦東國際機(jī)場的張弦梁結(jié)構(gòu)該節(jié)點(diǎn)的具體構(gòu)造見圖2（a）。而廣州國際會(huì)展中心采用的是鍛鋼節(jié)點(diǎn)，具體如圖2（b）所示。
圖2 撐桿與上弦構(gòu)件節(jié)點(diǎn)構(gòu)造圖
2.4 索穹頂結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
從索穹頂結(jié)構(gòu)的拓?fù)潢P(guān)系來看，節(jié)點(diǎn)的連接主要是柔性索與索的連接，柔性索與剛性桿的連接。從節(jié)點(diǎn)與構(gòu)件的裝配方式看，可分為以下幾點(diǎn)：1）索與外壓環(huán)的連接：外壓環(huán)一般為鋼筋混凝土圈梁，索與外壓環(huán)連接是將索錨固在鋼筋混凝土圈梁（外壓環(huán)）上，可以直接采用錨具錨固；2）索與內(nèi)拉環(huán)的連接。內(nèi)拉環(huán)由豎桿和環(huán)向桿組成，索與內(nèi)拉環(huán)連接，可以參考采用索膜結(jié)構(gòu)中索和桿的連接方式，如直接加設(shè)耳板；3）脊索、斜索和豎壓桿之間的連接。脊索通過節(jié)點(diǎn)板錨固在節(jié)點(diǎn)上；斜索和豎壓桿一端連接于節(jié)點(diǎn)。考慮到在此節(jié)點(diǎn)上張拉斜索，則需要有千斤頂?shù)某袎好妗Ｒ韵潞喎Q此節(jié)點(diǎn)為上節(jié)點(diǎn)；4）環(huán)索、斜索和豎壓桿之間的連接。節(jié)點(diǎn)上環(huán)索通過節(jié)點(diǎn)板錨固；斜索和豎壓桿一端通過節(jié)點(diǎn)板與節(jié)點(diǎn)相連。
2.5 弦支穹頂結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
弦支穹頂結(jié)構(gòu)中各層撐桿的上端與單層網(wǎng)殼相對(duì)應(yīng)的各層節(jié)點(diǎn)單向鉸接，下端由徑向拉索與單層網(wǎng)殼的下一層節(jié)點(diǎn)連接，同一層的撐桿下端由環(huán)向箍索連接在一起，使整個(gè)結(jié)構(gòu)形成一個(gè)完整的結(jié)構(gòu)體系。
在國內(nèi)的工程案例中，北京工業(yè)大學(xué)羽毛球館、安徽大學(xué)體育館、連云港體育中心體育館都采用弦支穹頂結(jié)構(gòu)。由于拉索一般布置成環(huán)形或者橢圓形，因此其相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)與張弦結(jié)構(gòu)也有一定的不同，對(duì)于弦支穹頂?shù)膿螚U上節(jié)點(diǎn)構(gòu)造與張弦結(jié)構(gòu)類似，需要做成單向或雙向鉸；對(duì)于撐桿下節(jié)點(diǎn)，根據(jù)索體在此部位是否穿過采用兩種構(gòu)造形式，一種是耳板式，另一種是穿孔式。由于此節(jié)點(diǎn)受力較大且構(gòu)造復(fù)雜，一般都采用鑄造的方法來制作。
3、預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的展望
預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)在我國經(jīng)歷了五十多年的發(fā)展，已充分顯示出這類結(jié)構(gòu)的眾多特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，并將成為空間結(jié)構(gòu)發(fā)展的一種新趨向。因此，筆者認(rèn)為今后的預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)還應(yīng)進(jìn)行以下幾個(gè)方面的深入研究：
3.1結(jié)構(gòu)新材料的應(yīng)用將進(jìn)一步推動(dòng)預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展，因此，需緊抓研究預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的新材料（如不銹鋼、鋁合金、膜材等）、新工藝、新節(jié)點(diǎn)，在創(chuàng)新上下工夫。
3.2推動(dòng)預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的施工監(jiān)控與健康監(jiān)測研究。預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)在施工過程中，需要通過監(jiān)測結(jié)構(gòu)關(guān)鍵截面的幾何變形和應(yīng)力變化，為結(jié)構(gòu)施工安全提供預(yù)警。
3.3建立成熟的預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)理論體系和工程優(yōu)化方法。預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中充滿著許多的不定變量，需要對(duì)眾多的變量進(jìn)行優(yōu)化才能取得合理的設(shè)計(jì)參數(shù)并創(chuàng)造出優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)體系。
參考文獻(xiàn)
[1] CECS212：2006 預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程 [S].
[2] 董石麟.預(yù)應(yīng)力大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與展望 [J].空間結(jié)構(gòu)，2001（4）.
[3] 王雪芹.張弦梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) [D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2005.
[4] 呂學(xué)政，徐瑞龍，秦杰，陳新禮.預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)制作工藝研究 [J].施工技術(shù)，2008.
[5] 梁志.廣州新白云國際機(jī)場航站樓主樓鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) [J].鋼結(jié)構(gòu)，2001（6）.
[6] 史洪泉.預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)施工控制設(shè)計(jì)研究與實(shí)踐 [D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2007.
