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        預(yù)應(yīng)力在鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

        2020-06-15 02:40:54
        河南建材 2020年4期
        關(guān)鍵詞:體育館跨度桁架

        王 猛

        陸軍工程大學(210000)

        0 引言

        隨著社會的發(fā)展,人們對建筑物的美觀和功能都提出了更高的要求,對大跨度、大空間混凝土結(jié)構(gòu)及鋼結(jié)構(gòu)的需求更加迫切。在結(jié)構(gòu)中施加預(yù)應(yīng)力無疑是一種增大結(jié)構(gòu)跨度和空間的經(jīng)濟有效的措施。文章總結(jié)了預(yù)應(yīng)力技術(shù)在建筑工程中的應(yīng)用,探討了預(yù)應(yīng)力發(fā)展的可行性。

        1 預(yù)應(yīng)力技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

        預(yù)應(yīng)力技術(shù)是在國外最先運用,其發(fā)展初期大部分用在橋梁工程中。在施工階段將預(yù)應(yīng)力技術(shù)應(yīng)用到鋼結(jié)構(gòu)中,通過調(diào)整鋼材結(jié)構(gòu)桿件的內(nèi)力,從而形成高強鋼材,既滿足了使用需求,又在很大程度上節(jié)省了鋼材消耗[1]。

        我國在上世紀中葉開始研究并引入預(yù)應(yīng)力技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)中的使用。首次應(yīng)用預(yù)應(yīng)力技術(shù)是在山西省大同市,成功建造了一架預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)輸煤棧橋,為之后的預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用提供了借鑒的范本。

        在計算機還沒有發(fā)明之前,預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的研究以解析法和近似法為主要研究方法,需要耗費大量的人力,且所得結(jié)論不夠精確。隨著計算機的發(fā)明、使用和普及,相關(guān)的軟件逐漸被研發(fā),有限元法就是其中一個重要的分析方法。幾十年來,有限元法的發(fā)展為大型工程的結(jié)構(gòu)分析提供了重要參考和依據(jù),使得現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)獲得進一步的研究和發(fā)展,助推了預(yù)應(yīng)力技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。

        隨著現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)的更新,隨之而來的是新的結(jié)構(gòu)形式,主要有以下幾種類型:

        1.1 斜拉結(jié)構(gòu)

        斜拉結(jié)構(gòu)類似于斜拉橋,塔柱或桅桿等通過預(yù)應(yīng)力索形成空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu),預(yù)應(yīng)力索為結(jié)構(gòu)提供彈性支撐點,結(jié)構(gòu)跨度成倍增加,使得建筑出現(xiàn)無柱網(wǎng)大空間[2]。圖1為浙江黃龍體育中心體育場,是典型的斜拉網(wǎng)格結(jié)構(gòu),為國內(nèi)首個特大空間體育場。

        圖1 浙江黃龍體育中心體育場斜拉結(jié)構(gòu)

        1.2 張弦梁結(jié)構(gòu)

        張弦梁是目前建筑工程中普遍應(yīng)用的一種新型結(jié)構(gòu)形式,是由撐桿將剛度較大的壓彎構(gòu)件和強度較高的抗拉桿件連接形成的一種自平衡體系[3]。該體系由日本M.Saitoh教授于1990年首先提出,具有自平衡性、結(jié)構(gòu)剛度大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強、建筑適應(yīng)性強等特點。國內(nèi)首先采用張弦梁結(jié)構(gòu)的是浦東國際機場航站樓(如圖2所示),之后在國內(nèi)一大批重點工程中應(yīng)用。

        圖2 浦東國際機場航站樓張弦梁結(jié)構(gòu)

        1.3 弦支穹頂結(jié)構(gòu)

        日本法政大學的川口衛(wèi)教授在1993年提出將單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)與去掉上層索的索穹頂結(jié)構(gòu)相結(jié)合組成一種合理的新型雜交結(jié)構(gòu),稱為弦支穹頂結(jié)構(gòu)(Suspend-Dome)。相比于單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu),弦支穹頂結(jié)構(gòu)具有更高的剛度與更強的穩(wěn)定性。相比于索穹頂結(jié)構(gòu),弦支穹頂結(jié)構(gòu)可降低對周邊環(huán)梁的要求,不僅緩解了周邊環(huán)梁的巨大壓力,而且降低了結(jié)構(gòu)施工過程中的難度。國內(nèi)已有多項工程實踐使用了弦支穹頂結(jié)構(gòu),如武漢中心體育館(如圖3所示)、濟南奧林匹克體育中心體育館、大連市體育館、北京奧運會羽毛球館等。

        圖3 武漢中心體育館弦支穹頂結(jié)構(gòu)

        1.4 索穹頂結(jié)構(gòu)

        張拉整體概念是由著名建筑大師R·B·Fuller最先提出的,但是在此后的很長一段時間內(nèi)并沒有應(yīng)用于工程實踐中。20世紀80年代,基于R·B·Fuller的張拉整體概念,美國著名結(jié)構(gòu)工程師D·H·Geiger將張拉整體結(jié)構(gòu)拓撲形式進一步發(fā)展,并發(fā)明了支撐于周邊環(huán)梁上的全張力體系—索穹頂結(jié)構(gòu)(Cable Dome),如圖4所示,且在首爾奧運會體育館和擊劍館的項目中得到實際應(yīng)用。

        圖4 全張力體系—索穹頂

        索穹頂結(jié)構(gòu)采用較多的高強度拉索及少量的壓桿,且屋面運用重量很輕的膜材料,故其整體結(jié)構(gòu)的自重特別輕。由于該結(jié)構(gòu)單位面積下的平均重量和工程造價均不會因跨度的增大而明顯增加,因此對于大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)而言,索穹頂結(jié)構(gòu)顯得尤為適用。在國內(nèi)目前已有幾座中小跨度的采光頂采用索穹頂結(jié)。索穹頂結(jié)構(gòu)將成為一種有著良好發(fā)展前景的結(jié)構(gòu)形式。

        1.5 預(yù)應(yīng)力索桁架結(jié)構(gòu)

        預(yù)應(yīng)力索桁架(Cable Truss)是用高強拉索成為上下弦桿并形成類似桁架的結(jié)構(gòu),對索張拉成型。桁架結(jié)構(gòu)按空間組成可分為平面索桁架和空間索桁架兩種形式。索桁架結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮了索的抗拉能力,具有剛度大、跨度大、通透、建筑美觀等優(yōu)點,玻璃幕墻及采光頂?shù)慕ㄖ卸嗖捎昧舜祟惤Y(jié)構(gòu)形式。國外大型體育場中大量使用該結(jié)構(gòu)。在國內(nèi),玻璃幕墻的支撐結(jié)構(gòu)一般為平面索桁架結(jié)構(gòu)。

        1.6 大型索網(wǎng)結(jié)構(gòu)

        在國內(nèi)索網(wǎng)結(jié)構(gòu)起步較早,一大批索網(wǎng)屋蓋結(jié)構(gòu)在20世紀90年代初期建成,如上海人民體育館、浙江化纖廠餐廳、鹽城工學院體育館等。近年來,在幕墻工程中大型索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用不斷增多,其中比較典型的有航海博物館、新保利大廈拉索幕墻等。

        國內(nèi)學者結(jié)合風、地震等作用的研究,預(yù)應(yīng)力本身的結(jié)構(gòu)特點,對預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)中的核心問題進行了針對性的研究。預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)初始形態(tài)、預(yù)應(yīng)力度、結(jié)構(gòu)張拉過程等都進行大量的研究,并取得了突出的研究成果。

        2 預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)及工程應(yīng)用的發(fā)展展望

        雖然我國在預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域已經(jīng)得到了世界的認可,但由于其范圍廣、涉獵面多,在理論研究等各個領(lǐng)域還有很大的發(fā)展空間。第一,新的結(jié)構(gòu)理論需要完善。第二,加強設(shè)計與施工的配合,預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)要求設(shè)計人員熟練掌握結(jié)構(gòu)的三維認識、繪制、表達等。預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)施工前需要有合理的施工方案,且應(yīng)對整個施工過程進行仿真模擬,制定合理的張拉施工工藝。第三,索體性能的理論和產(chǎn)品工藝研究需要不斷創(chuàng)新,特別是索的裝飾、耐久和防火技術(shù)。第四,需要加強工程檢測方面對索力和索體損傷的監(jiān)測研究。

        3 結(jié)論

        文章對預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在建筑工程中的應(yīng)用作了一個簡單的總結(jié),并歸納了預(yù)應(yīng)力技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用中的結(jié)構(gòu)形式。預(yù)應(yīng)力技術(shù)可以滿足建筑工程中對大跨度、大空間的需求,因此在一些特殊結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛。預(yù)應(yīng)力技術(shù)在建筑工程中具有獨特的優(yōu)勢,符合國家對土木工程建設(shè)的思想,擁有良好的發(fā)展前景。

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