预应力空间钢结构

预应力空间钢结构

[摘要] 近几十年来，我国建造了许多应用预应力技术的空间钢结构建筑，本文叙述了该结构体系的含义、分类及预应力空间网格结构的一些特点。

[关键词] 预应力技术空间钢结构网格结构

一、应力钢结构的含义

预应力钢结构的一般含义是：在钢结构中，采用一些有效措施，创建一套与荷载引起的内力反号的自平衡力系，以减小荷载产生的内力，达到节约钢材的目的。

这里施加预应力是手段，预应力施加的合理才能成为有效措施，减小了荷载产生的内力是结果；缩小构件截面、节约钢材是最终的目的。

二、代预应力技术的引入使大跨度空间钢结构更具活力

在大跨度空间结构中引入现代预应力技术，不仅使结构形体更为丰富而且也使其先进性、合理性、经济性得到充分展示。通过适当配置拉索，或可使结构获得新的中间弹性支点或使结构产生与外载作用反向的内力和挠度而卸载，前者即为斜拉结构体系，后者则为预应力结构体系。

预应力大跨度空间钢结构是把现代预应力技术应用到例如网架、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。

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：（l）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，从而可调整改善结构受力状态，致使内力重分布，或者形成一种新的具有一定内力状态的结构形式；另一种是通过调整己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。

三、预应力空间钢结构的分类

预应力空间钢结构一般可以分为四类：

第一类是指双曲面悬索结构而言。其特征是以柔索组成曲面，在索段上直接承受荷载，索绳两端锚固于边缘构件上。对这类结构施加预应力的主要目的是使索系处于张紧稳固状态以便荷载下每一索绳都能参与受力，不致因个别索绳松弛而达不到索系整体共同受力的效果。因此这种预张拉的力度总是选用较小值以达到索系具备起码的刚度并能整体受载为目的。不言而喻，这种预应力是与悬索结构“挛生”和共存的，自创建悬索结构以来就以各种方式在索系内产生张紧力，所以过去只称这类结构为悬索结构（cable－suspended structures），未冠以预应力的名称。如50～60年代建筑的美国雷里竞技馆、纽约麦迪逊广场公园文体中心，我国的北京工人体育馆和浙江人民体育馆等皆是。

第二类就是在传统的钢结构上施加预应力藉以改善其受力状态，扩大利用材料强度幅值，提高刚度以节约材料降低成本。其中又分为在空间钢结构和在平面钢结构中引入预应力两种。前者像在平板网架和钢网壳中施加预应力的结构，如天津宁河体育馆和广东清远体育馆；后者则是将成对的平面钢桁架，沿上弦或上、下弦平面以预应力薄板将其连成整体，形成预应力梁式空间块体的单元结构，如在莫斯科奥运会综合运动馆所采取的屋盖形式。这类预应力空间钢结构的经济效益一般可节材10～30％。前者的技术关键是选择最佳的施加预应力方案，后者则是薄钢板的张拉工艺和设备。

第三类就是利用钢索吊挂传统空问钢结构以对其形成中间弹性支座，改善承重结构的边界条件。钢索吊点替代了立柱支点，在改

善受力条件的同时并可获得无阻挡大空问。一般称之为吊索结构（cable－supported structures）或吊挂结构，国外有时称暴露结构。吊索结构与悬索结构的差别在于吊索段内不直接承受荷载，索端固结在高耸支柱或拱架等支承结构和下部被吊挂的承重结构上，因此索绳皇直线或折线形。由干结构的理由，其支柱或拱架等支承结构具有比屋盖标高更大的高度，耸立在屋顶之上，形成独特的建筑风格及立面造型。这类结构设计的要素是将吊索对支承结构呈对称均衡地布置以避免对支柱塔架等产生较大的偏心力矩。这类工程的实例有新加坡港务局仓库工程和北京亚运会综合体育馆，而香港汇丰银行大楼则是高层建筑中采用吊挂体系的近例。

第四类预应力空间钢结构主要构件是由受轴拉力的索绳与受轴压力的压杆组成，排除了受弯构件。由索系上覆盖的轻质面层承受外荷载，形成轻巧的结构体系和新奇的建筑凤韵。例如慕尼黑奥林匹克建筑群，利雅得国际体育场及汉城奥运会体育馆及击剑馆等，有时称它为整体张拉体系。

四、预应力空间网格结构

预应力空间网格结构是一种通过张拉拉索在网格结构中引入预应力的新型空间结构。在空间网格结构中适当地引入预应力后，可以提高网格结构的承载能力，控制结构变形，从而有效地改善原网格结构的受力性能。

预应力网格结构有下列特点：

（l）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。（3）通过预应力技术可提高整个网格结构的刚度，减小结构挠度。

（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，调整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，对网格结构无需增加任何杆件和零部件材料。

预应力网格结构可以分为：预应力平板网架结构和预应力曲面网壳结构，其中平板网架按网格组成情况分为：交叉桁架体系、四角锥体系和三角锥体系三类12种，预应力曲面网壳结构可以分为预应力网状穹顶和预应力扁网壳、预应力柱面网壳和预应力双曲抛物面网壳。

五、结束语

将预应力技术用于空间结构，能充分利用材料的强度潜力，改善结构受力状态，提高结构刚度，节约钢材，降低造价。我国目前虽已成为钢铁生产大国，但在建筑中节约钢材仍是应该遵循的原则。在当前国家大力提倡采用钢结构的新时代，钢结构正在并已经进入大发展的时期。可以肯定，预应力钢结构也必将得到发展和应用。参考文献：