预应力钢结构简介

预应力钢结构简介

摘要：本文简述了预应力结构的原理、作用、施加预应力方法、工程应用分类、经济性比较等，特别重点分析了预应力门架的影响经济性的各种参数。

一、预应力结构原理

何谓预应力？预应力就是工程结构在承受荷载前、或在承受部分使用荷载时，人为地给结构施加了一种力，使其在使用阶段的受力性能得到改善。这种技术即谓之预应力技术。 我们祖先最早发明了预应力技术，如：

1. 木桶打箍：预加环向压力，以消除使用阶段或水产生的外张拉力；

a ）水张力

b ）预压力

图1 木桶打箍

2. 木锯张紧索：用于固定据条；

3. 弓弦：用于引发发射弹力；

4. 帐篷：边索施加预应力，使帐篷布撑开、固定，并能承受一定荷载；

5. 雨伞：用减少两组铰接撑杆一端的距离，使上复板层受张力而张开，并能承受一定

风荷载。

a ）未打开

b ）打开

图2 雨伞

二、预应力的作用 1. 增加承载力

①对于受拉构件，先加压力；（用高强材料代替低强度材料）

F

F

A-A

图3 预应力组合拉杆示意图

1-高强钢索(f =∞)；2-槽钢；3-盖板；4-缀板

②对于受弯构件，先使它反向弯曲；（用曲线配筋，使之作用与原弯曲图相反）

M 1m a x =ql 8

2

=0M ·T e

=2max M e

T ·-28

ql

图4 对受弯构件施加预应力

③对于受压构件，减少无支长度，提高φ值。

a)

b)

图5 对受压构件施加预应力

2. 较少结构挠度

①梁、刚构反向预应力，可减少挠度；

v F a)b)

T 图6 预应力减少梁的挠度

②索网的反向索预应力，可减少正向索使用阶段的挠度。

3. 调节振动特征

①增加单体刚度，提高自振频率；

②使索结构振动线性化，便于计算控制；

③局部施加预应力，可改变整个结构振动特性，如结构振动控制中的钢弦控制方法。

4. 改变结构受力特性

①可使拉索承受压力；（预应力的损失）

②可使受纯弯曲变成压弯；

③可使轴心受压变成偏心受压。

5. 使结构成形

对索网与张力结构，不加预应力，就不能构成形状固定的结构。

三、预应力钢结构工程应用分类

1. 预应力柔性结构

①单索结构：索道、索桥；

图7 单索

②平面索桁架：拉索撑杆体系；

图8 平面索桁架

③空间索桁架：车轮式悬索结构；

图9 空间索桁架

④索网

图10 索网

2. 预应力刚性结构

①预应力大梁

a)d)

b)

e)

c)

f)

图11 拉索预应力简支梁形式

②预应力桁架

a)

b)

c)

图12 预应力轻型桁架示意图

③预应力门式刚架

a)b)

图13 预应力门式刚架示意图

④预应力框架

图14 预应力框架示意图

⑤预应力网架、网壳与Tensegrity体系

图15 准Tensegrity体系——Suspen-Dome

3. 预应力斜拉结构

①预应力梁、桁架：大多应用于桥梁中

②斜拉交叉梁系

③斜拉梁

④斜拉网架

a)b)

d)

c)

图16 斜拉结构的布索形式

a)放射式；b)竖琴式；c)扇式；d)星式

图17 英国伯明翰国家工程中心展厅屋盖

四、施加预应力的方法

1. 拉索法

①千斤顶直接张拉法

图18 千斤顶直接张拉法

②千斤顶推顶法

图19 千斤顶顶推法

③丝扣拧张法

图20 丝扣拧张法

④横向张拉法

T

l T

Δ

l

a)

b)

图21 横向张拉法

⑤电热张拉法 2. 支座位移法

+=

图22 支座位移法

3. 弹性变形法

--

-

-

--

-+

+

+

+

+++1)初始预应力,2)强迫预应力,3)合成预应力,4)荷载应力,5)截面终应力5)

4)

3)

2)

1)

图23 弹性变形法预应力梁内力图

五、预应力钢结构与非预应力钢结构经济性比较实例

图24 汉城体育馆（1988）

图25 乔治亚穹顶（Georgia Dome）体育馆（1996）

图26 浙江黄龙体育中心体育场挑蓬钢结构

a)斜拉索布置；b)稳定索布置

图27 浙江省人民体育馆（1967）

图28 北京奥运会主体育场

图29 北京五棵松篮球馆

六、预应力门架的影响因素及其经济性

图30 预应力门式刚架简图

1. 拉索的初拉力

增大拉索的预应力可以减少刚架的最终变形和内力，提高结构的承载力。当然，拉索预应力增大，刚架梁的轴力也增大，这对梁的稳定是不利的，从梁的稳定来看，拉索的预应力不宜过大。

表2 预应力门式刚架的应力和变形（不同的初拉力）

2. 拉索的截面积

增大拉索的截面积可以增强结构的整体刚度，减少刚架的变形和内力，提高结构的承载力。当然，从经济性的角度考虑，拉索的截面积不宜选用得太大。