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1、预应力大跨度空间钢结构的应用与展望董石麟浙江大学空间结构研究中心杭州310027摘要：本文主要是阐述了我国预应力大跨度空间钢结构应用与发展的基本情况。这些预应力空间钢结构包括有预应力网格结构、斜拉网格结构、索穹顶结构、张弦梁结构、弓式预应力钢结构等。最后，本文展望了新世纪的预应力空间钢结构。关键词：预应力结构大跨度结构空间钢结构空间网格结构索穹顶结构弓式预应力钢结构应用与发展1.前言预应力大跨度空间钢结构是把现代预应力技术引用到例如网架、网壳等网格结构、索、杆组成的张力结构、立体桁架结构等一类大跨度结构,从而形成一类新型的、杂交的预应力大跨度空间钢结构体系.这一
2、类结构受力合理、刚度大、重量轻,制作安装也比较方便,在近十多年来得到开发与发展,并在大跨度、大柱网的公共与工业建筑中得到应用,且受到国内外科技界和工程界的关注和重视,其推广应用和发展前景是无比广阔的[1][2][3].采用预应力技术于大跨度空间钢结构具有如下的特色和优势. (1）可以改变结构的受力状态,满足设计人员所要求的结构刚度、内力分布和位移控制.（2）通过预应力技术可以构成新的结构体系和结构形态(形式),如索穹顶结构等.可以说,没有预应力技术,就没有索穹顶结构.（3）预应力技术可以作为预制构件(单元杆件或组合构件)装配的手段,从而形成一种新型的结构,如弓式
3、预应力钢结构.（4）采用预应力技术后,或可组成一种杂交的空间结构,或可构成一种全新的空间结构,其结构的用钢指标比原结构或一般结构可大幅度的降低,具有明显的技术经济效益.预应力空间钢结构预应力的施加方法通常有两种:一种是在预应力索、杆上直接施加外力,从而可高速改善结构受力状态,致使内力重分布,或者是形成一种新的具有一定内力状态的结构形式;另一种是通过高速已建空间结构支座高差,改变支承反力的大小,从而也可使结构内力重分布,达到预应力的目的.预应力索、杆的材料通常可采用高强度的钢丝束、钢铰线、也可采用钢棒、钢筋.2.预应力网格结构现代预应力技术与空间网格结构(包括网架
4、与网壳)相结合便可构成预应力的网格结构.通常施加预应力的方案有两种:一种是在网架的下弦平面下设置预应力索,如图1a所示,也可在网壳的周边设置预应力索,如图1b所示,通过张拉预应力索建立与外载作用反向的内力和挠度;另一种是通过网格结构支座高差强行调整就位(通常为盆式搁置就拉,在使用阶段达到支座最终反力趋向于均匀化),使网格结构建立预加应力,如图1c所示.预应力网格结构有下列特点:1.可采用高强度预应力拉索作为网格结构的主要受力杆件,以降低材料耗量.2.可采用多次分批施加预应力及加荷的原则(多阶段设计原则),使杆件反复受力,并在使用荷载下达到最佳内力状态;预应力网架
5、结构的简捷计算法及施工张拉全过程分析可参见文献[4].3.通过预应力技术可提高整个网格结构的刚度,减少结构挠度.4.对于网壳结构可解决水平推力问题,适当配置支座滑动构造措施,利用预应力技术可形成无水平反力的自平衡结构体系.5.对于采用改变支座就位高差,高速结构内力分布的施加预应力方案,是一种最经济的预应力方法;此时,对网格结构无需啬任何杆件和零部件材料.我国已建的预应力网格结构工程有十多幢,积累了丰富的设计与施工经验,其中有代表性的工程项目详见表1.表1预应力网格结构工程实例[5]-[6]序号工程名称网格结构形式平面尺寸×厚度预应力技术特征用钢指标或省钢率建成年
6、份设计单位1天津宁河体育馆正放四角锥网架42×42×3盆式搁置就位,角支座与边界中支座相对高差9㎝28.5㎏/㎡12%1984中国建研院结构所2重庆一中体育馆斜放四角锥网架37.8×37.8×2.34四周悬挑5.4盆式搁置就位,周边支座相对高差6.1㎝23.1㎏/㎡9%1993重庆建筑大学3长六边形33×盆式搁置就位,19.8㎏/㎡1993重庆南开体育馆斜放四角锥网架66×2.2二对边及四斜边支座相对高差分别为2.8㎝及7.3㎝11%重庆建筑大学4上海国际购物中心楼层正放四角锥组合网架27×27,截m腰边一角下弦平面下20㎝处增设四束高强钢丝铸锚束48㎏/㎡32
7、%1993上海建筑设计研究院、5攀枝花市体育馆三向短程线型双层球面网壳74.8×74.8缺角八边形,矢高8.89m八点支承,对角柱跨度64.9m,周边设八道预应力索,分二次建预应力值700kN49㎏/㎡1994攀枝花建筑勘察设计院6广东清远市体育馆六块组合型三向双层扭网壳边长46.82正六边形,矢高8.0六点支承,对角柱跨度89m,周边设六道预应力索,每索建预应力值1600kN44.3㎏/㎡1995贵州工大设计院、清远市设计院7广东高要市体育馆四块组合型三向双层扭网壳54.9×69.3四点(每边中点)支承,支承间共设四道预应力索,每索建预应力值1400kN38.
8、5㎏/㎡1995贵州工大
