钢结构预应力技术的特点及应用

钢结构预应力技术的特点及应用

摘要:本文基于钢结构的特殊要求,分析了其预应力技术的主要特点,包括预应力的施加可以形成新的结构形式、预应力的监控、索张拉的阶段性,介绍了预应力技术在弦支穹顶结构、张拉膜结构等典型结构的应用情况,并指出了钢结构预应力技术应用中存在的问题。

关键词:钢结构预应力技术特点

Characteristics and Application?of Prestressing Technology in Steel Structures

Abstract:Prestressing technology has been widely used in steel structures. Based on the special requirements of the steel structures, the main Characteristics of prestressing technology are analyzed in this article,including that Prestressed of exerting can form a new structure、Prestressed monitoring、Cable tension phases.The typical application of prestressing technology in the Suspendome、tensile membrane structure and other structures is introduced.The existing problems in prestressing technical applied in steel structures are analyzed.

Key Words:Steel structures;Prestressing;Characteristics;Application 现代钢结构中引入预应力却是近50多年的事情。人为地在钢结构承重体系中施加预应力以提高结构承载力,增加结构刚度及稳定性,

改善结构其他属性以及利用预应力技术创新结构体系的都应称之为预应力钢结构。经过多年的发展创新,预应力钢结构的应用范围几乎已覆盖了全部钢结构领域。然而钢结构因其本身材料的特性,造成了其预应力技术与钢筋混凝土结构中预应力技术的截然不同。

1 钢结构预应力技术的特点

预应力钢结构主要使用在平面承重结构体系、空间承重结构体系、特种承重结构体系、加固与改建工程中。基于这些结构体系自身的特点,其预应力技术也有着鲜明的特点。

1.1 预应力的施加可以形成新的结构形式

通过预应力技术可以构成新的结构体系和结构形态,例如索穹顶结构,如果没有预应力技术,就没有索穹顶结构,另外预应力技术还可以作为预制构件(单元杆件和组合结构)装备的手段,从而形成一种新型的结构,如弓式预应力结构,还有采用预应力技术后,可以组成一种杂交的空间结构,或者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,具有明显的经济效益。

1.2 预应力的监控

预应力施加完成前结构尚未成形时,钢结构整体刚度较差,因此一般都会边施加预应力边用有限元软件进行仿真验算,同时进行张拉力和位移的监测,以确保钢结构顺利的建成。

1.3 索张拉的阶段性

钢结构预应力施工会有阶段性,可以是嵌套形式;另外还需要确定一个形状控制为索张拉目标,目标实现时的索力为目标控制索力,目标实现时控制点位移为目标控制位移,即初始状态;最后控制索力往往是几个,甚至是十几个以上。由于实际张拉设备有限,不可能所有索同时张拉,因此必须制定使用少数设备实现目标控制索力和目标控制位移的张拉方案。

2 钢结构预应力技术的应用

由于经过30多年的工程实践,已经肯定了预应力钢结构的可行性、可靠性、先进性,以及新材料的大量涌现与新技术不断完善提高,还有人们审美观念的转变与更新,使钢结构具有了许多结构类型[1]。分别为弦支穹顶结构、张拉膜结构、网壳结构、张弦结构、拉索拱结构、吊挂结构、高耸钢结构等。每一种结构类型由于其构造各异、用材多样、形式不一,其预应力设计方法和施工存在着很大的差异,下面介绍预应力技术在几种典型钢结构中的应用。

2.1 预应力技术在弦支穹顶结构中的应用

张弦穹顶结构是由日本川口教授于1993年提出的一种新型复合空间结构体系。我国1999年起才开始从事对张弦穹顶结构的研究,并建成了第一座张弦穹顶—天津开发区商务中心大堂张弦穹顶。

2008年奥运会羽毛球馆位于北京工业大学校内,总建筑面积24383 m2,屋盖最大跨度93 m,矢高9.3 m,上部采用新型空间结构体系—弦支穹顶结构[2],下部为钢筋混凝土框架结构。

本工程通过环向索施加预应力,经过仿真计算,环向索最大张拉力约2660 kN,需要2台150 t千斤顶,同一圈环向索有4个张拉端,故选用8台150 t千斤顶,即同时使用4套张拉设备。张拉设备采用预应力钢结构专用千斤顶和配套油泵、油压传感器、读数仪。根据设计和预应力工艺要求的实际张拉力对油压传感器及读数仪进行标定。

预应力控制参数张拉时采取双控原则;索力控制为主,伸长值控制为辅,同时考虑网壳变形。

预应力操作要点是:张拉前将各圈环向索进行预紧,然后进行正式张拉。总体张拉过程分为3级:分别张拉到设计张拉力的70％、90％、110％。总体张拉顺序为:前2级张拉都是由外圈向内圈依次张拉,第3级是由内圈向外圈依次张拉完成。由于本工程张拉设备组件较多,在进行安装时必须小心安放,使张拉设备形心与钢索重合,以保证预应力钢索在张拉时不产生偏心;预应力钢索张拉要保证油泵启动供油正常后开始加压;张拉时,要控制给油速度,给油时间应0.5 min;每圈环向索在张拉过程中要保证同步性。

在张拉过程中,通过仿真计算进行校核,并用全站仪监测结构变形,用振弦应变计监测结构应力。