鋼結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力技術(shù)的特點及應(yīng)用

摘 要：本文基于鋼結(jié)構(gòu)的特殊要求，分析了其預(yù)應(yīng)力技術(shù)的主要特點，包括預(yù)應(yīng)力的施加可以形成新的結(jié)構(gòu)形式、預(yù)應(yīng)力的監(jiān)控、索張拉的階段性，介紹了預(yù)應(yīng)力技術(shù)在弦支穹頂結(jié)構(gòu)、張拉膜結(jié)構(gòu)等典型結(jié)構(gòu)的應(yīng)用情況，并指出了鋼結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力技術(shù)應(yīng)用中存在的問題。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu) 預(yù)應(yīng)力技術(shù) 特點

中圖分類號：TG142 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）12（a）-0052-02

現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)中引入預(yù)應(yīng)力卻是近50多年的事情。人為地在鋼結(jié)構(gòu)承重體系中施加預(yù)應(yīng)力以提高結(jié)構(gòu)承載力，增加結(jié)構(gòu)剛度及穩(wěn)定性，改善結(jié)構(gòu)其他屬性以及利用預(yù)應(yīng)力技術(shù)創(chuàng)新結(jié)構(gòu)體系的都應(yīng)稱之為預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)。經(jīng)過多年的發(fā)展創(chuàng)新，預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍幾乎已覆蓋了全部鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域。然而鋼結(jié)構(gòu)因其本身材料的特性，造成了其預(yù)應(yīng)力技術(shù)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中預(yù)應(yīng)力技術(shù)的截然不同。

1 鋼結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力技術(shù)的特點

預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)主要使用在平面承重結(jié)構(gòu)體系、空間承重結(jié)構(gòu)體系、特種承重結(jié)構(gòu)體系、加固與改建工程中。基于這些結(jié)構(gòu)體系自身的特點，其預(yù)應(yīng)力技術(shù)也有著鮮明的特點。

1.1 預(yù)應(yīng)力的施加可以形成新的結(jié)構(gòu)形式

通過預(yù)應(yīng)力技術(shù)可以構(gòu)成新的結(jié)構(gòu)體系和結(jié)構(gòu)形態(tài)，例如索穹頂結(jié)構(gòu)，如果沒有預(yù)應(yīng)力技術(shù)，就沒有索穹頂結(jié)構(gòu)，另外預(yù)應(yīng)力技術(shù)還可以作為預(yù)制構(gòu)件（單元桿件和組合結(jié)構(gòu)）裝備的手段，從而形成一種新型的結(jié)構(gòu)，如弓式預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，還有采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)后，可以組成一種雜交的空間結(jié)構(gòu)，或者可構(gòu)成一種全新的空間結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)的用鋼指標比原結(jié)構(gòu)或一般結(jié)構(gòu)可大幅度的降低，具有明顯的經(jīng)濟效益。

1.2 預(yù)應(yīng)力的監(jiān)控

預(yù)應(yīng)力施加完成前結(jié)構(gòu)尚未成形時，鋼結(jié)構(gòu)整體剛度較差，因此一般都會邊施加預(yù)應(yīng)力邊用有限元軟件進行仿真驗算，同時進行張拉力和位移的監(jiān)測，以確保鋼結(jié)構(gòu)順利的建成。

1.3 索張拉的階段性

鋼結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力施工會有階段性，可以是嵌套形式；另外還需要確定一個形狀控制為索張拉目標，目標實現(xiàn)時的索力為目標控制索力，目標實現(xiàn)時控制點位移為目標控制位移，即初始狀態(tài)；最后控制索力往往是幾個，甚至是十幾個以上。由于實際張拉設(shè)備有限，不可能所有索同時張拉，因此必須制定使用少數(shù)設(shè)備實現(xiàn)目標控制索力和目標控制位移的張拉方案。

2 鋼結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力技術(shù)的應(yīng)用

由于經(jīng)過30多年的工程實踐，已經(jīng)肯定了預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的可行性、可靠性、先進性，以及新材料的大量涌現(xiàn)與新技術(shù)不斷完善提高，還有人們審美觀念的轉(zhuǎn)變與更新，使鋼結(jié)構(gòu)具有了許多結(jié)構(gòu)類型[1]。分別為弦支穹頂結(jié)構(gòu)、張拉膜結(jié)構(gòu)、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、張弦結(jié)構(gòu)、拉索拱結(jié)構(gòu)、吊掛結(jié)構(gòu)、高聳鋼結(jié)構(gòu)等。每一種結(jié)構(gòu)類型由于其構(gòu)造各異、用材多樣、形式不一，其預(yù)應(yīng)力設(shè)計方法和施工存在著很大的差異，下面介紹預(yù)應(yīng)力技術(shù)在幾種典型鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。

2.1 預(yù)應(yīng)力技術(shù)在弦支穹頂結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

張弦穹頂結(jié)構(gòu)是由日本川口教授于1993年提出的一種新型復(fù)合空間結(jié)構(gòu)體系。我國1999年起才開始從事對張弦穹頂結(jié)構(gòu)的研究，并建成了第一座張弦穹頂—天AM1LSm0Yjt6uBRzNOVwUO+5D2AIEbT+junuK4feKfIA=津開發(fā)區(qū)商務(wù)中心大堂張弦穹頂。

2008年奧運會羽毛球館位于北京工業(yè)大學(xué)校內(nèi)，總建筑面積24383 m2，屋蓋最大跨度93 m，矢高9.3 m，上部采用新型空間結(jié)構(gòu)體系—弦支穹頂結(jié)構(gòu)[2]，下部為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。

本工程通過環(huán)向索施加預(yù)應(yīng)力，經(jīng)過仿真計算，環(huán)向索最大張拉力約2660 kN，需要2臺150 t千斤頂，同一圈環(huán)向索有4個張拉端，故選用8臺150 t千斤頂，即同時使用4套張拉設(shè)備。張拉設(shè)備采用預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)專用千斤頂和配套油泵、油壓傳感器、讀數(shù)儀。根據(jù)設(shè)計和預(yù)應(yīng)力工藝要求的實際張拉力對油壓傳感器及讀數(shù)儀進行標定。

預(yù)應(yīng)力控制參數(shù)張拉時采取雙控原則；索力控制為主，伸長值控制為輔，同時考慮網(wǎng)殼變形。

預(yù)應(yīng)力操作要點是：張拉前將各圈環(huán)向索進行預(yù)緊，然后進行正式張拉。總體張拉過程分為3級：分別張拉到設(shè)計張拉力的70%、90%、110%。總體張拉順序為：前2級張拉都是由外圈向內(nèi)圈依次張拉，第3級是由內(nèi)圈向外圈依次張拉完成。由于本工程張拉設(shè)備組件較多，在進行安裝時必須小心安放，使張拉設(shè)備形心與鋼索重合，以保證預(yù)應(yīng)力鋼索在張拉時不產(chǎn)生偏心；預(yù)應(yīng)力鋼索張拉要保證油泵啟動供油正常后開始加壓；張拉時，要控制給油速度，給油時間應(yīng)0.5 min；每圈環(huán)向索在張拉過程中要保證同步性。

在張拉過程中，通過仿真計算進行校核，并用全站儀監(jiān)測結(jié)構(gòu)變形，用振弦應(yīng)變計監(jiān)測結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

2.2 預(yù)應(yīng)力技術(shù)在索膜（張拉膜）結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

張拉索膜結(jié)構(gòu)最早出現(xiàn)在1957年，由德國奧托設(shè)計建成，奧托是張拉膜結(jié)構(gòu)的先行者和開拓者。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前世界上已建成的張拉膜結(jié)構(gòu)有沙特阿拉伯吉達航空港、沙特阿拉伯法赫德國際體育場、美國圣迭戈會議中心、美國新丹佛國際機場等。

青島頤中體育場蓬蓋膜結(jié)構(gòu)工程，是目前國內(nèi)自行設(shè)計、施工的第1個大型膜結(jié)構(gòu)工程項目，覆蓋面積達30000 m2。其造型優(yōu)美，成為青島市標志性城市建筑[3]。

工程內(nèi)容包括：（1）周圈鋼結(jié)構(gòu)分上、下兩個環(huán)梁，60個立柱、弦桿組成的錐體。桿件均為管材，節(jié)點大部分為銷接，總用鋼量約2000 t。（2）鋼索：主要有內(nèi)環(huán)索4條，加索夾后重達200 t；上下吊索用于連接內(nèi)環(huán)索與周圈鋼結(jié)構(gòu)；另外60個膜單元由脊索、谷索和邊索組成。（3）膜片：由進口膜材料裁剪、熱合而成。

本工程在競標過程中許多施工單位都以“吊裝”原則進行施工，但是經(jīng)過反復(fù)的數(shù)據(jù)計算和方案論證，“柔性結(jié)構(gòu)剛性假設(shè)進行吊裝施工”幾乎是不可能的（特別是此項目中的內(nèi)環(huán)索的安裝）。這就要求施工單位必須對柔性張拉結(jié)構(gòu)與剛性鋼結(jié)構(gòu)的安裝施工工藝有所區(qū)別，對傳統(tǒng)的施工工藝有所突破。最后我公司確定如下兩個原則。

（1）輔助鋼結(jié)構(gòu)的全柔性假設(shè)即除周圈鋼結(jié)構(gòu)外，對內(nèi)部直線段的上、下桁架進行柔性假設(shè)，用備用索替代桁架，備用索一端固定于內(nèi)環(huán)索的索夾上，進行直線段內(nèi)環(huán)索的張拉到位（見圖1）。這樣全部60個立柱柱頂均安裝千斤頂、鋼絞線可直接拉動上吊索和備用索，使內(nèi)環(huán)索整體張拉。到位后，弧線段吊索銷接于柱頂，直線段用起重機械吊裝桁架替代備用索（見圖2）。

（2）設(shè)備的改造 將“提升”用的千斤頂用于“張拉”施工，其作業(yè)方向由垂直變?yōu)樾毕颍医嵌入S時在改變，這要求我們對原有的設(shè)備加以改造，滿足轉(zhuǎn)動張拉的要求（見圖3）。

最終的施工方案為將48臺千斤頂分設(shè)在弧線段看臺外段的鋼柱上。將48組，每組長60 m的鋼絞線通過千斤頂并與內(nèi)環(huán)索進行連接。通過4個控制臺，操作48臺千斤頂同步提升，與直線段的12臺卷揚機配合，最后將200 t重的內(nèi)環(huán)索張拉提升到35 m高的設(shè)計安裝高度。實踐證明，此方法減少了鋼絞線、控制臺、千斤頂及泵站的用量，進一步了降低施工成本。直線段卷揚機安裝示意如圖3所示。

3 鋼結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力技術(shù)應(yīng)用中存在的問題

3.1 防火問題

眾所周知鋼結(jié)構(gòu)具有強度高、重量輕、材質(zhì)均勻等許多優(yōu)點，但有一個非常致命的缺點就是不耐火。國內(nèi)外均對高溫下結(jié)構(gòu)鋼材的材料特性和火災(zāi)下鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)[4，5]進行了大量的試驗研究。結(jié)論為鋼材抵抗高溫的能力非常有限，在火災(zāi)高溫作用下，其力學(xué)性能會隨溫度的升高而降低，變形會不斷增大，在2000 ℃以內(nèi)時，其性能沒有很大變化，430 ℃～540 ℃之間則強度急劇下降，600 ℃時強度很低，不能承擔(dān)荷載。同時260 ℃～320 ℃時還有徐變現(xiàn)象。紐約世界貿(mào)易中心主9ccbf7bb002b4cf177b7149debfc95fda04f2653a587559d1ea058e080f9309f樓的911事件，飛機撞進大廈和大廈燃燒初期，大廈均沒有立即倒塌，這說明鋼結(jié)構(gòu)是在火災(zāi)溫度升到一定的時候才破壞的。而對于預(yù)應(yīng)力的鋼結(jié)構(gòu)來說，不需要溫度升到400 ℃以上，只要到達300 ℃左右，由于徐變現(xiàn)象的出現(xiàn)，預(yù)應(yīng)力松弛而引起的內(nèi)力重分布就可能造成整個結(jié)構(gòu)的破壞，預(yù)應(yīng)力越大的結(jié)構(gòu)耐火性越差。因此，預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的防火設(shè)計應(yīng)比普通鋼結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)更加嚴格。目前對預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)耐火問題的研究幾乎空白。

3.2 其它問題

預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的抗疲勞性，在鋼結(jié)構(gòu)中引入預(yù)應(yīng)力，那么預(yù)應(yīng)力因素對疲勞強度影響是怎樣的，目前還沒有定論。

預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)新體系、影響預(yù)應(yīng)力值控制問題的主要因素和機理分析、索的防腐蝕問題、預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)中鋼件與預(yù)應(yīng)力筋節(jié)點構(gòu)造問題、預(yù)加應(yīng)力值的簡便實用測量及監(jiān)控方法、預(yù)應(yīng)力損失的簡便補充方法、簡便適用于多次張拉預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)施工的支座研制等問題。

針對以上問題，要求開發(fā)新型、性能優(yōu)越的防火涂抹材料，以及進一步研究預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在荷載、預(yù)應(yīng)力及高溫共同作用下的變形和力學(xué)性能，研究火災(zāi)后預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力，研究如何利用計算機仿真試驗來了解不同形式預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的耐火性能，提出改善結(jié)構(gòu)抗火性能的方法；同時需要研發(fā)新的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)體系；需要加強預(yù)應(yīng)力對鋼結(jié)構(gòu)抗疲勞性能的影響；需要加強預(yù)應(yīng)力值控制方法的研究；需要開發(fā)索的新防腐方案、需要找到充分發(fā)揮預(yù)應(yīng)力節(jié)材優(yōu)勢的主要途徑。

4 結(jié)語

預(yù)應(yīng)力技術(shù)經(jīng)過了幾十年的研究和工程實踐，已經(jīng)是比較成熟的一項工程技術(shù)，在今后的發(fā)展中，還將日臻完善。工程實踐告訴我們，預(yù)應(yīng)力技術(shù)以種種優(yōu)勢，在鋼結(jié)構(gòu)中有著強大的生命力和競爭力。

參考文獻

[1] 陸賜麟.現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)[M].北京：人民交通出版社，2003.

[2] 王澤強.2008年奧運會羽毛球館弦支穹頂結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)[J].施工技術(shù)，2007，36（11）：9-10.

[3] 趙宇力.大型索膜結(jié)構(gòu)整體張拉施工的構(gòu)想與實施[J].施工技術(shù)，2000，29（6）： 14-15.

[4]Bailey C G.Development of computer software to simulate the structural behavior of steel-framed buildings in fire. Computers and Structures[J]，1998，67（6）：421-438.

[5]K.H.Tan，S.K.Ting，andZ.F.Huang.Visco-Elasto-Plastic Analysis of Steel Frames in Fire.Journal of the Structural Engineering[J]，2002.