楊 震

(赤峰學(xué)院 建筑與機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000)

鋼結(jié)構(gòu)工程技術(shù)采用以鋼材制作為主，由型鋼和鋼板等制成的鋼梁、鋼柱、鋼桁架等構(gòu)件組成，各構(gòu)件或部件之間采用焊縫、螺栓或鉚釘進(jìn)行連接，是主要的建筑結(jié)構(gòu)類型之一。與其他類型的建筑結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)主要有：

(1)理論分析可靠性高。鋼材是理想的彈塑性材料，內(nèi)部材質(zhì)均勻，晶體結(jié)構(gòu)接近于各向同性。鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作性能可以被目前的計(jì)算理論較好的反應(yīng)，具有較高的可靠性。

(2)強(qiáng)度較高，質(zhì)量較輕。鋼材強(qiáng)度高于砌體，混凝土和木材，彈性模量也較高。在受力條件相同的情況下，與其他結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)質(zhì)量更輕，構(gòu)建截面面積更小，在運(yùn)輸和安裝上有明顯優(yōu)勢,是建造大跨度建構(gòu)筑物的理想材料[1]。

(3)塑性和韌性好。鋼結(jié)構(gòu)有很高的塑性，在破壞之前有較大的塑性變形，會產(chǎn)生有明顯的征兆，容易發(fā)現(xiàn)，留有充足的時(shí)間對結(jié)構(gòu)進(jìn)行修補(bǔ)。而且鋼材韌性高，具有良好的抗震性能，對于沖擊荷載與動力荷載有較好的抵抗能力，是地震設(shè)防區(qū)的理想結(jié)構(gòu)。

(4)制作和安裝方便。組成鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件一般可在工廠制作，具有很高的工業(yè)化、批量化程度高，具備大規(guī)模的生產(chǎn)能力，生產(chǎn)的產(chǎn)品精度高。采用工廠制作、工地安裝的方法可以顯著的縮短工期，進(jìn)而降級造價(jià)，發(fā)揮投資效應(yīng)。

(5)具有可焊性與密封性。鋼材的可焊性體現(xiàn)在可以不加多余連接件，僅通過焊接就能連接鋼結(jié)構(gòu)各構(gòu)件，使得鋼結(jié)構(gòu)可適用于各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)形狀的需要，具有比其他結(jié)構(gòu)如混凝土和木質(zhì)結(jié)構(gòu)所不具備的顯著優(yōu)點(diǎn)。對氣密性和水密性要求較高的結(jié)構(gòu)，可采用焊接連接后進(jìn)行安全密封的措施來滿足密封性要求。

(6)耐熱性能高。鋼結(jié)構(gòu)具有較好的耐熱性，當(dāng)鋼材的表面溫度在200 ℃以內(nèi)時(shí)，鋼材的彈性模量和屈服強(qiáng)度幾乎不產(chǎn)生任何變化。

當(dāng)然，鋼結(jié)構(gòu)也存在許多不足之處，主要有：

(1)耐火性差。鋼材在高溫下會產(chǎn)生藍(lán)脆和徐變現(xiàn)象，強(qiáng)度降低。當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)表面溫度大于200 ℃時(shí)，如果溫度繼續(xù)上升，鋼材的強(qiáng)度和彈性模量會顯著下降。當(dāng)表面溫度大于300 ℃，如果溫度繼續(xù)上升，則鋼材喪失承載能力，很容易進(jìn)入塑性狀態(tài)。

(2)耐腐蝕性差。鋼材在潮濕和有腐蝕介質(zhì)的環(huán)境中，容易腐蝕，需要定期維護(hù)。維護(hù)費(fèi)高也是鋼結(jié)構(gòu)的主要弱點(diǎn)之一。

2 預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)形式與施工技術(shù)

近年來，我國預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)取得了令人矚目的成績，具體體現(xiàn)在預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)形式、預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)和預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)拉索材料幾個(gè)方面。

2.1 預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)類型的發(fā)展

在國內(nèi)，被應(yīng)用于實(shí)際工程的預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)形式很多。限于篇幅，本文重點(diǎn)介紹張弦梁結(jié)構(gòu)和斜拉結(jié)構(gòu)。其他形式的鋼結(jié)構(gòu)還括：索桁架、預(yù)應(yīng)力桁架結(jié)構(gòu)、索網(wǎng)、索拱、索穹頂、弦支穹頂及多次混合結(jié)構(gòu)等。

2.1.1 張弦梁結(jié)構(gòu)

上弦鋼構(gòu)、中間撐桿和下弦索構(gòu)成了完整的張弦梁結(jié)構(gòu)。張拉時(shí)，張弦梁可以形成預(yù)應(yīng)力自平衡體系。拉索上的預(yù)張力完全由上弦鋼構(gòu)的內(nèi)力平衡，其一端或兩端的支座允許滑動。上海浦東國際機(jī)場候機(jī)樓工程，建于1998年，候機(jī)樓跨度為44 m和83 m，是我國國內(nèi)第一次運(yùn)用大跨度張弦梁結(jié)構(gòu)。一開始多為單向張弦梁，后來這類鋼結(jié)構(gòu)逐漸變得多樣化，并得到了廣泛應(yīng)用[2]。

2.1.2 斜拉結(jié)構(gòu)

斜拉結(jié)構(gòu)主要包括：桅桿、斜拉索和鋼構(gòu)。斜拉索通常安裝在鋼構(gòu)的上方，從而優(yōu)化了結(jié)構(gòu)的受力方式，使得結(jié)構(gòu)變形與制作彎矩得到完善，為鋼構(gòu)提供了彈性支撐。在實(shí)現(xiàn)更大跨度的同時(shí)，降低了用鋼量，實(shí)現(xiàn)了更好的經(jīng)濟(jì)效益。

早期，在一些小型結(jié)構(gòu)中，斜拉結(jié)構(gòu)應(yīng)用比較廣泛，其拉索大都是組裝而成。發(fā)展至今，斜拉結(jié)構(gòu)在材料和外在形式上經(jīng)過了較大的變化，使用上也變得更加多樣。如江寧體育場的斜拉網(wǎng)架結(jié)構(gòu)平面呈月牙形(圖1)，網(wǎng)架后緣支撐在V型鋼柱上。在吳江體育場工程中，梭形管桁架的拉桁架結(jié)構(gòu)被應(yīng)用在塔柱上。在廣東外語外貿(mào)大學(xué)體育場工程中，張力撐結(jié)構(gòu)被應(yīng)用在桅桿中[3]。

圖1 江寧體育場斜拉網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

2.2 預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)施工，具體體現(xiàn)在拉索施工和鋼構(gòu)施工的結(jié)合，張拉機(jī)具、節(jié)點(diǎn)和索頭的結(jié)合，及包括全過程的施工控制、設(shè)計(jì)分析和構(gòu)件制作工藝的結(jié)合等多個(gè)方面。因此預(yù)應(yīng)力鋼構(gòu)施工技術(shù)包含集全過程性和系統(tǒng)性的施工技術(shù)，而不僅僅是預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的制作、安裝和預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的張拉工藝。

2.2.1 分析和制作工藝的結(jié)合

施工目的方面，預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)包括形狀的初始態(tài)(如鋼構(gòu)形狀參數(shù)、構(gòu)件空間位置等)和受力的初始態(tài)(支座反力、索內(nèi)力、鋼構(gòu)內(nèi)力等)的兩重要求，并且要求它們完全對應(yīng)。這些要求顯然要高于一般鋼結(jié)構(gòu)的施工要求。在具體的施工中，存在較多客觀與主觀因素的制約，如施工條件、施工誤差、經(jīng)費(fèi)預(yù)算的限制等，因此要完全達(dá)到力和形的完美結(jié)合是比較困難。在具體操作和應(yīng)用之前，設(shè)計(jì)人員不僅要非常熟悉這些材料與產(chǎn)品的屬性，而且要經(jīng)過詳細(xì)的分析與測試，為實(shí)際施工積累大量可靠而有效的參數(shù)。只有這樣，最終在應(yīng)用環(huán)節(jié)中才能實(shí)現(xiàn)行之有效的控制，從而以達(dá)到設(shè)計(jì)目的。分析內(nèi)容包括：結(jié)構(gòu)性能的分析、施工力學(xué)分析以及施工成型狀態(tài)對結(jié)構(gòu)性能的影響分析等。

2.2.2 索頭、張拉機(jī)具和節(jié)點(diǎn)的結(jié)合

按照功能劃分，張拉機(jī)具主要分為兩個(gè)部分。第一部分包括拉桿、錨固裝置以及臺座(用于放置千斤頂)在內(nèi)的張拉工裝。第二部分包括千斤頂、油泵、油壓表和油管在內(nèi)的千斤頂系統(tǒng)。節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)是重要的一個(gè)組成部分，主要包括拉索中部的索托、索夾節(jié)點(diǎn)和拉索端部的連接節(jié)點(diǎn)。拉索張拉時(shí)，技術(shù)人員需要充分考慮構(gòu)造的尺寸大小、如何有效傳力、怎樣精準(zhǔn)施力、是否有足夠的操作空間等方面的因素。將張拉機(jī)具與節(jié)點(diǎn)和索頭連接在一起,并把張拉機(jī)具和索頭、節(jié)點(diǎn)有效結(jié)合起來，以達(dá)到在拉索中準(zhǔn)確施加預(yù)定張力的目的[4]。

2.2.3 鋼構(gòu)和拉索施工的結(jié)合

預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)性能的提升，最終由施加在拉索上的張力大小決定。結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力狀態(tài)在拉索張拉后，不僅包括拉索結(jié)構(gòu)的內(nèi)力(張力)，還包括結(jié)構(gòu)的空間位置，鋼構(gòu)的剪力，彎矩，軸力以及支座處的支反力等。設(shè)計(jì)時(shí)除了要考慮到拉索的張力大小外，還要考慮整體結(jié)構(gòu)。所以，要達(dá)到整體結(jié)構(gòu)的有機(jī)結(jié)合，需要使拉鎖施工和鋼構(gòu)施工密切配合。

2.2.4 從結(jié)構(gòu)分析到構(gòu)件制作、構(gòu)件安裝和構(gòu)件張拉的全過程控制

設(shè)計(jì)前期要求實(shí)現(xiàn)力與形的結(jié)合，預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)在施工控制方面顯得非常重要。與一般的鋼構(gòu)不同，預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)是從結(jié)構(gòu)分析出發(fā)，對結(jié)構(gòu)制作、安裝、拉力等各個(gè)環(huán)節(jié)要進(jìn)行有效的控制。通常，一般的鋼構(gòu)的施工控制重點(diǎn)放在結(jié)構(gòu)的制作和現(xiàn)場安裝方面。

3 拉索材料的發(fā)展與應(yīng)用

預(yù)應(yīng)力拉索材料是預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的主要材料。如今的拉索材料，已經(jīng)開始適用高強(qiáng)度的鋼絲束和鋼拉桿等成品索。鋼絲表面防腐蝕技術(shù)主要為鍍鋅鋁處理和環(huán)氧噴涂。

在初期的預(yù)應(yīng)力的鋼結(jié)構(gòu)中，主要應(yīng)用的組裝索有兩類：鋼絞線組裝索和鋼絲繩組裝索。鋼絞線組裝索的索體材在預(yù)應(yīng)力混凝土中無粘接鋼絞線中得到廣泛使用，拉索錨具則在夾片錨和擠壓錨的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)。目前，在工程中廣泛使用高強(qiáng)鋼絲束成品索和鋼拉桿成品索(如圖2)。成品索的物理力學(xué)特性、制作工藝及質(zhì)量、防腐防銹性能及美學(xué)方面有明顯的提高。在節(jié)點(diǎn)構(gòu)造、拉索制作長度、錨具的形式、現(xiàn)場安裝和張拉工藝方面，現(xiàn)代工程也相應(yīng)地提出了更高要求。

圖2 鋼絲束成品索(a)和鋼拉桿成品索(b)

鋼絲束成品索最初在大跨度橋梁的橋型中得到有效使用。隨著它在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，其發(fā)展速度變得迅猛起來。這種索的防護(hù)層為雙層PE，索體結(jié)構(gòu)的制作工藝一般是將1 670級5 或7高強(qiáng)度外層鍍鋅鋼絲束通過半平行扭絞而成。調(diào)節(jié)裝置、連接部件和錨固器具組成了索頭。螺母式、單耳式、叉耳式等形式是連接件的主要形式。熱鑄錨具和冷鑄錨具是錨具的兩大主要方式。實(shí)際工程中，需要在綜合考慮連接錨具形式、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造等因素后，才可配套選擇連接件和調(diào)節(jié)裝置。

鋼拉桿成品索各部件之間的連接方式主要為螺栓連接，部件包括桿體、連接件和調(diào)節(jié)裝置，其桿體單根桿體長度不超過12 m，屈服強(qiáng)度可達(dá)到650 MPa。其最早被應(yīng)用在上海浦東新國際博覽中心的柱間支撐中，然后在機(jī)場候機(jī)樓、會展中心和體育場館等項(xiàng)目中得到了應(yīng)用。

4 結(jié)語

近10年來，在工程技術(shù)人員的努力下，預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在國內(nèi)不斷發(fā)展并走向成熟，滿足了大跨度的需求，被廣泛的運(yùn)用在機(jī)場候機(jī)廳、體育館、工業(yè)廠房等工程實(shí)際中。在此過程中，預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)樣式、施工應(yīng)用技術(shù)不斷進(jìn)步，確保了設(shè)計(jì)時(shí)提出的大跨度鋼結(jié)構(gòu)力與形的要求。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1] 田自強(qiáng).體育館大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)要點(diǎn)分析[J].信息系統(tǒng)工程，2011(5)：149-150.

[2] 郭正興，羅斌.大跨度鋼結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)研究與應(yīng)用-大跨空間鋼結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用綜述[A]，2011，40(340):101-108.

[3] 史洪泉.大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)施工全過程力學(xué)分析及考慮施工影響的若干要素研究[D].南京：東南大學(xué),2005.

[4] 鄭永康.高空大跨空間結(jié)構(gòu)施工技術(shù)應(yīng)用與研究[D].南昌：南昌大學(xué),2011.