预应力钢结构平面结构体系.pdf

技 术讲 座 予 绳 铜，平 面锈桐哗，孛。缴 审 美 预 应 力钢 结构技 术讲座(4 1)预 应 力 钢 结 构 面 结 构 休 系 r 一 。陆赐 麟(北 京 工业 大学 1 0 0 O 2 2)1 平面 结构体 系 的分 类与 特征“只 考虑 在二维 空 间承受 荷载 的结 构称 为 平 面结 构 体系 其 中有 些是 在实 际 工程 中只 在 结 构 平 面 内 受 力 不承 受 甲面外 荷 载。而 多 数 结 构 在 实 际 中是 可 能三 维受 力的，但 因其 侧 向 刚 度小 或 简化 计 算 方 法等 原 因，不考 虑其 甲面外 的承 载功 能。视作 平 面结 构 体系 进行 计算和 分析。预 应力 甲面体 系大 都是 在非 预应力 平面体 系 的 基 础上 发展起 来的，也就 是 说 传 统 的 平面 体 系上 局部 或 整体地 引入 预应 力。因此 其经 济效 益并 不 显 著，一 般钢 材节 约率 在 l 0 2 0 左右(表 1)。3 。f 这娄 预应 力结 构 的特 征是保 持 了传 统 平面结 构 的组 成形 式及外 形 轮廓，沿 杆 件 本 身 或 在 结 构 甲 面 内进行 廓 内或廓 外市 索，局 部 或整 体地 施 加 预应 力 改善 个别 或大部 杆 件的 受 力状态 但 与此 同时 也 会加大 部分杆 件 的荷 载 内力，恶 化其 受力 条件，为 此 增大 的材 料鞘 耗 与其它 受益 杆 件的 材料 节约相 抵 消 后 才是 预应 力产 生 的经济 效益。在 传统 甲面 结构 体 系 中引入 预应力 虽可 节 约钢 材 但 在 材 料 上 的得 失 矛 盾却 是永恒 的。因此 不 当 的预应 力方 案经 济效 益 甚微 错误 的 预应力 方 案适得 其反 其 得 l先问的 比例 大小 确定 了所 选 预应力 方 案的经 济效 益。表 1 预 应 力平面 钢 结构 经 济效益 除 实腹 粱柱结 构外 预 应 力 面结 构 体 系 主要 包括有 桁 架 剐架 拱 架，悬 索 及吊 挂 结 构 体 系。下 面将分 别介 绍各类 结 构的组 成，构造、设计 等特 征 及 研究 应用情 况 作者：陆 喝麟男 1 9 2 9年 2月生副博 上教 授 收 穑 日期：1 9 9 9-0 2-0 5 。角 尺寸 由，2减小 到 4是可 行的，6 冶 金部建 筑研究 总 院 武 钢二 炼 钢 J】6 Mn nL钢 厚 锕 参考文献 扳吊车粱的疲劳性能研兜 1 9 9 3 8 】GB I 2 0 5 8 3锕 结 构 工程 施 r及验 收 规 范 第 一 版 北 7 陈坷 菩 锕 结构设 计 原理第 一 顺 北 京：科 学 版杜、京：中国 建筑工 业 出版社，1 9 8 4 1 2 1 9 8 71 O 6 2 GBJ 1 7 8 8钢结 构设计 规 范 第 一版 北 京：中 国计 划 出 8冶金 酃建筑 研究 总院厚 铜 板 垒 焊 吊车 粱 试牲 研 究 ，】9 8 9 6 1 1 98 2 3 3 罗邦 富，魂 明钟 沈 担炎 陈明 辉编 钢结 构设计 手 册 9陈 绍蕃钢结 构设计 原理 第一 版北京：科 学 出 版杜 第 二 版-北 京：中国建 筑工 业出版社 1 9 8 9 3 9 1 1 9 8 7 9 3 9 7 4趔熙 元 主编-建筑 钢结构 设计手 册 第一版 北 京：冶 金 1 0陈绍 蕃锕 结 构 设 计 原 第 一 版 北 京：科 学 出 版 业 出版 社，1 9 9 5 6 9 5 牡。1 9 8 7 4 5 9帕 0 5 壬国，瞿 疆谦端-钢结构-第 一 版 北 京：清 华 凡半 卅 I 1 GB 5 0 5 9 5钢结 构施 厦糖 收 规 范第 一 版 北京 版社 1 9 9 3 4 3 1 中国计 划 出版 杜，1 9 9 5 1 4 钢 结构 1 9 9 9 年 第 4期 第 1 4卷总 第 4 6期 维普资讯 陆赐麟：预应 力姻结 构枝 术讲 座(4 一1)2预应 力平面 桁 架体 系“平 面桁 架 是预 应 力钢结 构领 域 中研究 得 最 早，最 广泛 的 一种结 构 囡此在 许 多工 程领 域 中都 得 到 应用 其中 坨以 筒支 桁 架、连 续 桁 槊、悬 臂 桁 架、拱 式桁 架 和立 体桁 架研 究和 应用鞍 多 绝大 多数 是 借 助 张 拉 锚 固 于支 座 和节 点 间 的 拉 索 而 引 预 应 力 的，所 以又 称其 为拉 索预 应 力桁 架 上1桁 架的 形式 桁 架 的形 式 取 决 下跨 度、荷 载 及 功 能 的 要 求 外，还要 考虑 预应 力 的 经济 救 益 与工 艺可 能。一 般 单跨 时采 用 平行 弦桁 集 制 造安 装 方便(图 l,a、b)，或采用坡面桁架便于排水和施加预应力(圈 I,c、e f】，跨 度 较大 时 采用 弧形桁 架(图 l，d)，内力 分 布 合 理 预应 力索 的 布置有 两 种方 案，一是 局部 布索，拉 索位 于 个 剐 杆 件 上(图 l，a c、d)，预 立 力 只影 响 布 索 杆 件 二 是整 体布 索，它 又 分 为廓 内布 索【图 l,b、i f)和廓外 布索(图 l,e g)两 种，张 拉钢 索 时 对 桁 架 大 部杆件 卸载，对小 部分 扦件 增 载 局 部 布 索 效 果 明 确，扦件 可在 工厂 预 耐，工 地 装配，但 锚 头增 多、节 点 构造复 朵等 原因使柘 架 整 体经济 效 益不高 所以 只 有 当跨度 大，荷 载重，每 根 杆件 都是 单独 运送 单元 时 采 用局部 布索 才 是合理 的 整 体布 索时 众多 杆件 皆 可 卸载，预应 力工 艺 简 捷，用 料 少，所 以其 经 济效 益 比局 部布 索要大 但 它 仍 对部 分 杆 件增 载，所 以 整 图 1预 应 力桁 架形式 体 布索方 案 与桁 架形式 的选择 会直 接影 响桁 架 的 总 体 经济效 果 廓外 布 索可加 大 预应 力的 力度 与 效 果(田 l,e、f g)，净空 允许 时 它 不 失为 可 供 选择 的 良好 方 案。局部 布 索时 一般 将 索 布 于 受 拉 的 扦 身，如 悬 臂桁 架位 下上 弦，简支桁 架位 于下 弦 跨度 太，荷 载 重时，可按 杆件 受 力大小 重叠 布索(圈 l,h、k)以 节约 索 材。连续 桁 架 布 索 一 般 亦 位 1=受 拉 弦 杆(图 1 j 1 也可 用整体 布索 方 式 改 善 较 多 扦 件 的受 力条 件(图 l，i，f m)连续 桁架 属静 不定 结构，还 可 利 用 支 座 升降法 调 整 内力 如果工 艺条 件允 许可 设计 多 次 预应 力桁 架(图 l，f)，多 次预应 力 的经济 效 益 比单 次 预应 力的还 要 高 出约 1 0(见表 l 1 预 盅力桁 槊的高 度理 应 不太 于非预 应 力桁 架 的 高度 尺 寸 一 般 不大于 t 1 0 l 1 2 跨长 廓 外布 索 L 广 f h)“)。7。时宜取 拉 索 至跨 中上 弦 高度 为 t 6 I 8 跨 长，多次 预应 力桁 架商 度应 更小 可 以选 到 l 2 0 跨 度或 更小。上2桁 巢的构造 根 据杆 件 的内力 大小 选择 合适 的型 钢截 面 一 般可 选 用成 对热 轧角钢 组 成的 截面(图 2,a、b c)，但 条件 允许 时采 用封 闭截 面更为 台适 如 圆管、方 管 或 对焊 角钢 截 面(圈 2,d、e f)，不仪便 于 拉 索 的 维 护，而 且 减少拉 索锚 头 的数 量 并 且这 种对称 封 闭截 面 具有等 稳定 性，能承 受 较大 的 预 压 应 力 轻 型 钢 结 构可选 用单 角 钢 或 冷 弯薄 壁 型 钢(图 2 g、h、i)重 型桁架 时 则选 用工字 钢 和槽 钢组 成 的截 面(图 2 i k，t m)，便 于拉 索的设 置 和监 护 双 腹 板 的 焊 接 封 闭截面(瞄 王n)具有 较好 的稳 定性，适 于转大 内力 的 受 压杆 件，只 是设置 膈板 不便。O -J L f o、1 一，回 口 m 西 2 轩件 截面 的各种 形式 0 表示 案 位置 S t e e l C o n s t r u c t io n 1 9 9 9(4)，V o l 1 4,No A 6 维普资讯 技 术讲座 为 保 证 杆 件 与 拉 索 的 共 同 工 作，要 每 间 隔 4 0 倍 截 面最 小回 转半 径 的 距 离 用 膈 板 蒋 拉 索 与杆 件相 连，膈 板 沿接 触 边 与杆 肢 焊 牢，膈 板 上 设 孔 洞 允 许 拉 索 穿 越 孔 与 索 的 间 隙 尽 可 能 小 些(1211 1 1 1 1)，既 可 允 许 拉 索 在 膈 孔 中 纵 向 自 由伸 缩，又可保 证 拉索 与杆 件 横 向 共 同工 作 也 可 用圆 管 段或 角钢段 代替 牖板，构 造简 单，怛其 加 崮效 果 不 如膈 板 局部 预应 力的 拉索 沿杆 长布 置时应 位于 杆 件 截 面的 重心 或轴 对称 位置 以保 证施 加预 应力 时杆 件轴 向受 力。整体 预应 力的 拉索 布置要 考虑 在桁 架 中产 生最 大 的预 应力效 益，即其 布 索方 案可 以 产 生最 多 数量 的卸载杆 最 少数量 的增 载杆 和 中性 杆 其 拉索 穿越杆 件 截 面时仍 应遵 守 轴 对 称 布 置 原 则，以 防 止 张拉 时在桁 架 甲面外 戈稳 在 预应 力 张拉 和季 受 荷 载 的 任 一 阶段，受 拉 杆 件 会出现 受压 情况 时，必 颓 按 照 杆 的 设 计 原 则 进 行计 算，要 验算 其强 度和稳 定性 拉索锚 固节 点和转 折处节 点是桁槊 关键 节 点，节 点 的 构 造 及 焊 缝 必 须 保 证 安 全 可 靠 地 传 递 拉 索 力，并要 考 虑 拉 索 各 肢 的 合 力 通 过 杆 件 截 面 重 心 要加 固节 点板 保证 其局 部 稳 定 牲，在 拉索 转 折 处 要 增设 弧形 板 以使集 中荷 载均 匀传 递，在拉 索转 折 处 要考 虑拉 索强 度 的折减 和减 少摩阻 力的措施。2 3单 丧预应 力桁 槊的 计算 与设 计 单 独 杆 件 局 部 预 应 力 的 桁 槊 计 算 与昔 通 桁 架 同，其 预应 力杆 件 的计 算 方 法 已 在讲 座(3)中介 绍。拉索 整体 预应 力桁 架 的计 算 视 为静 不定体 系 进 行，拉 索 内力作 为冗 余力 按力 法求 解 一般 情 况下 对 k 次 超 静 定 体 系 中 设 置 根 扎 索 时，结 构 可 视 为(k+n)状超 静 定体 系 体 系 中耒 知数 可取索 中拉力 x 和桁 架冗杆 内力=根据 力法 可 列 出(n+k)个方 程 式如 下并求 解 出 和：z 。j 0+iz l+Zljp=。,j X j+一+n +小+)=+d =0 (4 一1)-：i +：。l 式 中”由 下 1 在 方 向 求 进行 设计。产生 的位移，由于 荷 载 在 _!(I 方 向 产 生 的位 移 如果 屉在静 定结 构 体 系 j 一 增 设 n根拉 索，则 视 为 n次超 静定 结构 其 力法 方 程式 如下：I I x f+6 I：+6I+dI p=O、鸳-_ 誓 c Ix +6 +d。=o J 对单跨 简 支桁架 只 设 一 条 拉 索 时，可按 一 次 超 静 定结 构求解 其方 程如 下：dl l X I+I。=0 (4 3)因此 荷 载下拉 索 内力 为：d 一(4 4)拉索 中的 总内 力 为荷 裁 F 自应 力 拉 力 X 与预 应 力 张力 X 之 和 根 据 毫 U 选 拉 索截 面 可求 出 拉索 承载 力，所以 预应 力盛大 张力 为：x：Nx x t 4一 切选 的杆 件截 面是 否合 适要经 过荷 载阶 段 与预 应 力 阶段 内力状 态 的验 算，对 任 何 阶 段 出 现 压 力 的 杆 件 不仪验算 强度 还 必须 验 算 稳 定 性并 按 压 杆 要 2 4 颓应 力主体桁 架 的特 点与设 计 立体桁 架有 三边 及四 边截 两种 形式 闺 3)可 简化成 面 桁架计 算，具有 设计 制造、安装 简单，双 向刚度 太，省 钢材，无特 殊 _ 艺要 求 等 特 点，其 耗 钢 量约 为平面桁 架 的 8 0 8 5 左 右 与 平 板 网 架 相 近，兼 有二 者的 优点，适用 于我 国 广大 城 乡地 区。近 年来 在我 国许 多地 区 及援外 工程 中都 采用 过立 体 桁 架 网 3立 体桁 架类 彤)一 三边 形截 面：f b)一 四边形 截断 i 4,1 立 体桁 帮的 截面 形式 三边形 立体 桁架 的截 面儿 何形 状 为不 变 体 系 自身稳 定 而 四边形 的截 面形状 儿何 不变 性则 需 增 5 8 钢结构 1 9 9 9年第4期 第 1 4卷总第 4 6 期 维普资讯 陆赐麟：预 应 力钢 结构技 术讲座(4 1)设横 向 支撑 来保 证。所 以三边 形桁 架要 比P q 边 形 的 节约 钢材 1 0 左 右 就采 用预 应 力技 术 而 言，倒 三 边形 截 面 比四边形 的更 易 于 r 士 廓 内 带索，具 有 较 大 的卸 载 力臂，构造 合理，方便 施工。所 以采 用倒 三 角 形截 面形 式足 廓 内市索 的 预应 力立体 桁粱 的合 理 选 择。如 果 足 采用 廓 外布 索 以增 大 预应 力 的 经 济 效 益，由于 上下 弦 受力状 态 的转换 秉用 正 三角形 截 面 是适 宜 的。2 4。2 立体桁 架 的几何 尺 寸与腹 杆体 系 根 据 最 小 用钢 量 准 则，甲 面 桁 架 的经 济 商 度 h=(I 1 0 I 1 2)L 左 右；甲 板 网 架 高 度 一 般 取(I 1 01 ，o】L，之 所 以后 者 选 用 高 度 较 小 是 因 为空 间结构 具有 较多 数 量 的 腹 杆，结 构 高 度 增 大 而 引起 弦 杆 重 量 的减 少 远 远 抵 消 不 了腹 杆 重 量 的增 加。有 资料 表 明，等 高度 甲扳 刚架 腹 杆 重 量 占总 重 的 l 6 7，而 变高 度 板 同架 腹 杆 重 量 删 占 4 3 7，约 为其 3 倍。等 同此 理，立 体 桁 槊 的 扁 度 增 加 导 致 腹杆 重量 明显增 长大 于 弦杆 重 量 的 碱小。因 为立 体 桁架 中腹 杆 的数量 约 为 甲 面桁 架 的 3 倍，而 弦杆 数 量 仅为 甲 面桁 架 的 1 5 倍 选 择过 大 的高度 会得 不偿 失。因此 立体 桁架 高 度 的选择在 满 足刚度 条件 下 应 择 其下 限。由于施 加 预 应力，所 有 腹 杆 都 有 可 能 受 压 选 择等 长度 的 字形 腹杆 体系 屁然 更为 合理。2 4 3 预应力 方案 的选 择 当廓 外布索 影 响室 内使 用功 能 时，在 中等 以 上 跨 度 的 建 筑 中采 用 平 行 弦 立 体 桁 架 足 适 宜 的(图 4)，从提 高顶 应力效 益来 看，分 析 了 4种 布 索 方 案：I)沿 下弦 直线 布 索；)折 线 市 索，折 点 位 于下 弦 第二节 点 处；I I)折 线布 索，折 线 位 于 下 弦 第 三 节 点处；)折 线布 索，折 点位 于下 弦 第 四节 点 处 当 索端 张力 尸=1 时，其分 部杆 件及 桁架 总体 的 预 应 力 效益见 表 2所示 从表 2 效益 的数 字上 和 折 点 构 造 处理 上 考虑，选用方 案 或 的布 索 方案是 可取 的 1 2x 3=3 6 m、3 m I 3 m 图 4 平 行弦立 体桁架 布索 方 案最杆 什f 号 如果 能满 足室 内净 空要 求立 体桁 架廓 外 市 索 的 经济 效益 会更 高 1 9 8 5年建 成 的 日本 大学理 工 学 院 体育 馆(5 8m 8 8m)屋 盖 采 用 了 I 7 榀跨 长 5 8 m 的 正三 角形 截 画预应 力立 体桁 槊廓 外单 根布 索 的方 案 表 2桁 架 殛杆 件 的预 应 力效 益 5 8 图 5 日车大 学理 _ I二 学 院休 仃馆屋 盖结 构(图 5)取 得 了节约 钢材 5 0 o o 的效 益，2 4 4 立体 桁 架方 案的 分析意 见(1)廓 内布 索预 应 力 立 体 钢 桁 架 的经 济 效益 可 达 2 0 3 0 左 右，随 着 荷 载、柱 距、跨 度 的 加 大 其经 济效 益会 明硅提 l岛(2)采用 预应力 倒三 角 形 截 面 下行 弦 桁 架和 折 线 布索 图形 实施两 次加 载 中张 法 预 应 力 上 艺星 此 类 立体桁 架 的合 理设 计 方案 它 具 有 构 造 简 单、统 一，用材 省，承载 力高 制 造安 装 简便等 优 点【3)在建 筑 物功 能 条 件 允许 时 采 用 廓 外 市 索 的 预应 力方 案 会带 来重 大 的 经 济 效 益，此 时 采 用 正 三 角形 截 面的 构造 更 为合理。4)根据 不 同条 件和工 艺 水平 可选择 圆 管 对焊 方管，并肢 角 钢等多 种杆 件 形 式，节 点 可 用球 型、板 型或 直接 连接 方式。但 经 济分 析表 明：上 下 弦 采 用 圆钢 管，腹 扦用 并肢 角钢 以节 板 与 弦杆 相 连 的 方案 用 钢量小，成 本 低，构造 简单，具 有 较好 的经 济 性 与 加 工性 2 5 多嵌预应 力桁 架的特 点 与计 算”2 5 1 多次 预应 力工 艺 的适 用 条件 多次预 应力 钢桁 架 的原理 及 特点 已在 叶座(2)中介 绍 这 种工 艺适 用 下列情 况：(1)屋盖 恒载 较大 且可 分批 施加，(2)具 有 适合 多次 预应 力要 求 的结 构 图形，即 主 要控 制杆 件具 有最 人卸 载系 数 K：(3)生产 及施 工工 艺能 满足 多 次预应 力 要求 对设 计 者 来 说 选 择 适 宜 的结 构 图形 是主 要 关 键，S t e e l C o n s t r u C t i o n 1 9 9 9(4)，V o l 1 4，No4 6 维普资讯 技 术讲座 量2 多次 预应 力桁 槊的 加载 与计算 加 载方 案有 两种：(1)由张拉 钢索 开始 的受 力情 况(Hi=0)根 据理 论分 析得 出第 i 次节点 荷载 及 张拉 力 的 表达式 为：=(。+K (K K)f=l 王3 (4 6)H=亡(+K tN g K,一墨，f=1，2-3 一 (4 7)H=：(4-8)式中 C 单位拉索张力(H=1)作用时，下弦设 计杆 2 的 内力、其它 符 号与 讲 座(2)中所 示相 同 第 次 椰载 后，每一 节点 荷载 总和 为：P=EP =(N +K N：)(K )。(4 9)第 次 张拉 后，拉 索总 内力 为：=罟+耋 +蓦 c r P=导 攥 x 导蓦(。f(_ 10)式 中 单 位荷载 作用 下(P=1)拉索 内力。【2)由加载 开始 的受 力情 况(H。=0)同 理可 以导 出 H=O时的相 应表 达式：(+K )墨 K，2 3，4 (4 一l I)H 一(!十K2 N1)墨I，i=2，3 4 (4 1 2)Pi=NI(4-l 3)P ：导+击(+t1噻 墨 _(4 14)f 2 3、4 H=P +H =普+N-I-K 2，髭 x 击圭(K 0。(4-l 5)(3)两种椰 载方 案 的分析 在备 阶段 两种 方 案 承 载 力 的 差 异 见 斟 6所，。可“看 出、在 打 限次 预 应 力 皇 占构 中 采 用 前 一方 案(H=。)结 构 具 有 较 大 承 载力 当预应 力 阶 次 增 大 时、两 者 差别 逐 渐 减 小 以 至 趋 同，等 于 某 一 常 数，即桁 架最 大 节点 承载 办、，=乡 、H=0 A：且 图 6 两方案 承载力 差 异 由于(K K 墨 琏 代 人 式(4 9】、式(4-f 0)或 式(4-1 4)、式(4-1 0中都 可得 出：等 t C+器 1 K K t“一 f1 一 K )(一 )”显 然，式(4 1 7)r P 前 项足 在 作用 下 的索 内拉 力值 而 后项 则 为多 次 张拉 在 索 内 引 人 的 内 力 增 量 由式(4 一l 6】可 见，要 提 高结 构承 载 力 必 须 寻求 最大 值 KI 和 Kz的合理 结 构 图形、如 果 Kl 为理 想 极值 I(因为 D K1)，幔 fi P 一。、意 味着 所有 荷 载在结 构 内产 生 的弯矩 力通 过 多次 预应 力 的机 制 将 全部 由拉索 以轴 向力形 式来 承 受 就是 说这 里 高 强 钢 材 取 代 了普 通 碳 钢，以 轴 向 力 取 代 了弯 摄 力，实 现 了力 的转 移 与力 的质 变 而太 大 改 善 r结 构 质量 节约 了锕材 但在 实 际结构 中 K值 远 小 下 l，因而 P 随 f阶 次增大而锐减 从讲座(2)图8中所示 当K=K，=0 8 时，音 ，而当 K =o =嘎 8 时，=P 。困此 当 K(1时，选 用 5毫 无 恩 义，在 工 程 中 H：2 3为宜(待续)钢结构 1 9 9 9 年 第4期第 1 4卷总第 4 6期 1 =维普资讯