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预应力钢结构的结构体系及节点设计
摘要 预应力钢结构学科自诞生以来已经走过了60年历程。最近20年有较大的发展。尤其是近几年来的新材料、新工艺、新结构发展迅猛，且倍受国内建筑界重视和关注，对其研究越来越深入，技术越来越完善，应用也越来越广泛，新型的空间结构体系不断发展。，预应力钢结构的应用范围几乎已覆盖了全部钢结构领域。本文以综述的形式概述预应力钢结构的结构体系及节点设计。
关键词 预应力 钢结构 结构体系 节点设计
引言 钢结构在设计、制造、施工、加固工程中，与外荷载应力符号相反的预应力被人为地在承重结构体系内引入，用来改善结构的承载特性，尽量利用材料强度幅值或者在主承重结构中引入预张力以使全部构件能够抗压或成型的，称为预应力加固钢结构或预应力钢结构。
预应力钢结构的结构体系可大致分为预应力平面结构体系和预应力空间结构体系。预应力平面结构体系包括预应力梁及楼盖系统、预应力钢桁架、预应力拱架、预应力框架结构、吊挂结构以及索绳结构体系。预应力空间结构体系包括预应力网架结构、预应力网壳结构、张弦结构、索穹顶结构、索膜(张拉膜)结构等等。

空间结构体系模型
一 预应力钢结构设计原理和基本方法
1.1 预应力钢结构的工作机理
传统的钢结构引入预应力后受力机制受到改善，因为预应力调整为外部荷载与结构的内部抗力的关系，充分的挖掘了材料弹性强度的潜力，所以预应力钢结构的静，动力性能得到改善，刚度得到加强，众所皆知，在预应力作用下，任何结构的内力体系都是自相平衡的，预应力荷载及内力必须满足下列条件：

从预应力自平衡体系概念出发，除非结构的预应力体系与荷载作用系统完全吻合一致，否则在结构体系内总会产生杆件的卸载效应与增载效应，即某些杆件因预应力卸载的同时伴随着另外一些杆件的增载。因此，预应力的机理不是降低外部荷载力度，改变其作用状态或加固结构本身，而是利用材料弹性强度幅值的重复使用，内力的改性及转移来提高结构整体和杆件本身的承载能力和刚度。
预应力效应的几种主要的机制

图1-1 结构的承载力比较
a-非预应力结构 b-单次预应力结构 c-多次预应力结构
力的重复

图1-2 预应2.力梁的内力质变示意图

图1-3 最佳受力杆件示意图
1.2 预应力钢结构的加载方案

图1-4 三种加载方案承载力比较（F3>F2>F1）
a-先张法 b-中张法 c-多张法
1.3施加预应力的几种方法：a 拉索法 b 位移法 c-弹性变形法
1.4 预应力钢结构的设计计算原则
设计计算原则应按照与《预应力钢结构的设计规程》为依据并因符合现行国家标准《钢结构设计规范》及有关其他的标准，规范的规定。
二 预应力钢结构的平面结构体系及节点设计
预应力平面结构体系只考虑在二维空间承受荷载的结构。其中有些结构在实际工程中只在结构平面内受力，不承受平面荷载。而多数结构在实际中是可能三维受力的，但其侧向刚度小或简化计算方法等原因，不考虑其平面外的承载功能，视作平面结构体系进行分析和计算。
预应力平面结构体系包括预应力梁（预应力轴心受压,受拉构件），及楼盖系统、预应力钢桁架、预应力拱架、预应力框架结构、吊挂结构以及索绳结构体系。
2.1 预应力轴心受拉压杆件体系

图2-1 预应力拉杆图
预应力轴心受拉杆件一般由刚性杆件和柔性杆件组成。
拉杆的受力和强度计算
预应力轴心拉杆的最大承载力计算是以荷载作用下刚性杆与拉索中的应力同时达到各自材料的强度设计值为准则的。

图2-2 预应力拉杆分步受力曲线图
先张法与中张法的区别
先张法根据内力平衡原则可列出各阶段方程式：
预应力阶段：
荷载阶段：
式中
从荷载作用下刚性杆与拉索的变形量相等条件，可得协调方程式：

从上面三式中可以得出满足设计准则的刚性杆及拉索的截面积公式：

式中m=
中张法中先令刚性杆首先承受部分荷载FP,然后施加预应力，最后刚性杆与拉索共同承受其余荷载Fq至各自的强度设计值。这种方法可使材料的强度幅值得到更充分的利用，因此经济效益比先张法好。
根据力的平衡方程与变形协调方程同样得到中张法时所需的刚性杆及拉索截面积公式：

2.2 预应力实腹梁
预应力实腹梁的研究与应用在国内外都比较久远与普遍，主要分为三类，一是拉索预应力梁，二是变形预应力梁，三是支座位移预应力梁。
单跨简直梁的拉索布置都在受拉的下翼缘一侧，连续梁原理类似，拉索虽不一定布置在下翼缘，但必须是布置在受拉翼缘一侧。拉索的形式主要有三种：一是直线形，最常用；二是折线形，用在梁需要较大卸载弯矩时；三是曲线形，用在支座反力较大时；一般情况下可直线布索，索锚头置于梁端，构造简单方便。跨度较大时为节省材料也可只在跨中布索，同时锚头也移向跨中，锚头构造容易对翼缘及腹板产生应力集中降低耐久性，尤其对承受动力荷载的结构不利。考虑引入较大卸载弯矩时可以加大预应力力臂而在下翼缘下部增设撑杆，预应力索从梁端及撑杆端通过形成折线。当支座反力较大时可以考虑提高预应力效应亦可沿全跨曲线布置，梁端拉索的方向与主拉应力方向一致，对卸载有利。梁跨较长时可在跨中区段重叠布索，拉索根数随梁跨弯矩大小变化，可节约材料。

拉索预应力简支梁形式
关于拉索预应力梁的节点设计根据受力力度可选用钢缆、钢绞线、高强钢丝束作拉索。力度较小时可采用高强圆钢借助螺帽拧紧，力度较大时也可采用环形钢丝束用顶推法张拉。在锚头连接处拉索的巨大集中荷载传至梁上。在梁的腹板及翼缘处引起很大局部应力，应在相应位置设置辅助加劲肋。以保证腹板的稳定性及均匀受力。为了保证张拉过程中下翼缘的稳定性，应设定位板沿索长方向将拉索与下翼缘相连以保证索与下翼缘共同工作。这些带有过索孔的定位隔板允许索在纵向自由位移而阻止翼缘在梁平面外翘曲。定位隔板的间距可由下翼缘受压时稳定性的近似验算公式确定：

其中 -----梁下翼缘板对垂直轴长细比而确定的抗压稳定系数，所取翼板的自由长度即为定位隔板间距。
X------拉索预应力
e------ 拉索至梁截面重心距离
A ------为梁截面面积及下翼缘抵抗矩

另外根据下式还可以确定保证翼缘稳定时拉索的最大允许张拉应力为：
X=

拉索的锚固节点构造图
2．3预应力平面桁架体系
平面的桁架是预应力钢筋领域中研究的最早的，最广泛的一种结构。因此在许多工程领域都得到应用。其中尤以简支桁架、连续桁架、悬臂桁架、拱式桁架和立体桁架研究和应用较多。绝大多数是借助张拉锚固于支座和节点间的拉索而引入预应力的, 所以又称其为拉索预应力桁架。
平面结构体系中预应力钢桁架的类型多种多样􀌏如钢􀌐混凝土混合钢桁架、钢索桁架、弹性变形钢桁架、张弦梁式钢桁架及拉索钢桁架等。他们都是利用各种手段在承受全部荷载之前单次或多次地引入预应力以对多数杆件卸载、降低内力峰值或提高结构刚度。目前在国内外研究和应用较多的当属后者。
桁架的形式取决于跨度、荷载及功能的要求外， 还要考虑预应力的经济效益与工艺可能。一般单跨时采用平行弦桁架, 制造安装方便(图, a、b) 。

预应力钢桁架的拉索一般布置在拉杆范围内，如悬臂桁架布置于桁架上弦，简支桁架布置于下弦，连续桁架布置于跨中下弦和支座处上弦。当弦杆的内力差异较大时，可按受力大小相应重叠布索以节约索材。也可以用不贯穿全跨长的整体布索方案改善部分杆件的受力条件，尽量减少增载杆的出现。预应力桁架的高度理应不大于非预应力桁架高度，一般不大于1/10~1/12 跨长。廓外布索时宜取拉索至跨中上弦高度为1/6~1/8 跨长。 如下图所示。

桁架的构造要根据杆件的内力大小选择合适的型钢截面，般可选用成对热轧角钢组成的截面 , 但条件允许时采用封闭截面更为合适, 如圆管、方管或对焊角钢截面，不仅便于拉索的维护，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，重型桁架时则选用工字钢和槽钢组成的截面，便于拉索的设置和监护。双腹板的焊接封闭截面，具有较好的稳定性, 适于较大内力的受压构件。

杆件截面的各种形式
为保证杆件与拉索的共同工作, 要每问隔40 一50 倍截面最小回转半径的距离用隔板将拉索与杆件相连。隔板沿接触边与杆肢焊牢, 隔板上设孔洞允许拉索穿越。孔与索的间隙尽可能小些(1 一Z m m )既可允许拉索在幅孔中纵向自由伸缩, 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隔板, 构造简单, 但其加固效果不如隔板。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平面外失稳。
拉索预应力钢桁架结构的节点设计关键在于拉索的锚固处的节点设计和转折处的节点设
计。在一般工程中是将预应力平面桁架的锚固节点和转折节点分开设计，因为这样可以使节点构造简化，便于节点设计以及施工。拉索预应力钢桁架属于平面桁架结构，其节点处受力处于桁架平面内，故依然可按普通平面桁架采用节点板进行节点连接设计。但由于预应力的引入，使得节点板上的应力分布比较复杂。其分布不是按线性分布的，但只要在设计时能保证节点板上的最大应力不大于材料强度即可保证结构安全。对于节点设计上来说，受压节点要比受拉节点容易设计，因此应尽量将桁架节点设计为受压节点而非受拉节点。节点的构造以及节点处焊缝必须保证安全可靠地传递拉索张力，并且节点板尺寸选取及布置要考虑各杆件合力能通过节点板重心。此外，在转折处节点设计中，还应考虑拉索强度的折减以及构件之间的摩阻力影响。
钢结构桁架中还有一种错列桁架，该体系由WiIIiam LeMessurier 的研究小组在20 世纪60 年代初期提出，目的是为高层公寓建筑提供更经济的结构形式，美国麻省理工学院在20 世纪60 年代中期将其开发成功。错列桁架体系中，对节点采用何种方案设计，刚性连接还是柔性连接（铰接）。许多文献中都少有提及。由于节点的做法直接影响到结构内力的分析，比如，能准确建立结构分析（有限元）模型的前提条件是已经明确了结构中节点做法，再明确是刚性、半刚性节点还是柔性节点后，程序才能够准确模拟。
2．4 预应力大跨平面结构
2.4.1 预应力拱架结构
拱是有侧推力的结构，拱脚处往往产生较大的横向力H。以两铰拱为例，H的大小与荷载的力度q和作用方式及拱轴的几何尺寸

如果将一个拱脚支座换成可滑动的并以拉索将两拱脚相连，则此结构是有拉杆的两脚拱，拉杆中的拉力H相当于无索两脚拱的拱铰侧推力，与预应力无关。在拉索中引进一个人为张力，索中的拉力为H+，由于作用而改变了原结构的内力分布，此时结构可称之为预应力结构

图 两铰拱结构内力分布变化
拱截面承受弯矩力、轴压力及其剪切力，有时设计中主要考虑弯矩与轴力的影响。在弯矩较大，成为主要的控制因素时，引用预应力卸载，对节约用材明显有效。
在特定荷载作用下使拱截面弯矩为零（M=0）的拱轴曲线称为合理拱轴线。如果在水平荷载作用下的合理拱轴线为二次抛物线；在轴向均布荷载作用下的是倒悬链线；在法向均布荷载作用下是圆曲线等。在荷载作用下为合理拱轴线的拱架采用预应力时经济效益极微，因为拱截面上只有轴压力。实际上多种荷载组合下的拱截面总会存在力度不同的弯矩，此时采用预应力技术调整内力会带来显著的经济效益。
2.4.2 预应力框架结构
预应力框架结构适用于大跨度建筑及主要承受恒载的结构物中，框架结构常用的有格构式和实腹式两种。后者在近些年来多用于轻型钢结构工业厂房门式刚架中。在框架结构中施加预应力的方法有三：一是拉索法，或局部或整体布索，二是支座位移法，强迫支座水平或垂直位移以调整内力，三是两法联合应用。在松软的地基环境下不宜采用支座位移法，以免过分增加基础成本。根据前面已经描述过的关于卸载杆以及增载杆的定义可知，应用内力平衡准则总是在改善主要杆件受力状态的同时会加大部分杆件的负荷力度。即在结构中预应力效应对杆件的卸载与增载是同时并存的。因此，预应力布索与力度的合理性应以卸载节约量与增载消耗量间的比例为准。

拉索预应力钢架弯矩示意图
图1示出预应力支座拉杆对横梁和基础都产生卸载效果，但却加大立柱的受力负担。这种方案只有在结构跨度大、高度小、基础地质差的情况下才是合理的。图2的拉索连于立柱上端外侧，偏心张拉后的预应力效应对横梁跨中及立柱均可卸载，只是略增加了横梁梁端的内力值。所以当结构高跨比较小，尤其利用外墙挂重于拉索系统进行张拉并省去墙下基础构造时，经济效益明显。图3是水平布索于梁柱连接节点处，张拉索的预应力效应对横梁立柱双双卸载，且此时拉索的张拉力度十分可观。上述三种布索方案在大跨度、垂直荷载较大情况下对横梁卸载均十分有效，但在柱高度水平荷载大的情况下，布索方案应重新考虑。
采用支座位移法进行卸载有时可能更经济有效，通常的做法是使一侧或者两侧支座强迫进行水平内移，采用此种方法还可省去拉索及锚头钢材，但对基础条件要求较高。因为基础此时需要承受较大的横向力，需要增大基础的相关加固费用。在这种情况下，如果是岩石或其他坚固地基，采用支座位移法进行卸载可能比拉索法更要经济、简捷。
下面来说明几种多层钢框架结构常用梁柱节点连接的几种方案
实际工程中。除了铰接节点外，一般大都采用刚接节点。刚接节点通常有下列几种形式：
（1)梁与柱丁字形连接，柱上柱上焊有安装用支托，柱的腹板用横向加劲肋加强。这种连接刚度较大，但梁的长度必须制造精确，安装焊缝有仰焊缝，施工操作难度增大，焊接质量不易保证。
（2）梁与柱通过宽翼缘T形钢连接如图所示，T形钢起竖向加劲肋作用，特别适合于十字形横梁的连接。T形钢可用工字钢在腹板上裁开而得，接头长度需大于横梁高度，可使柱的抗扭刚度得到加强，但节点耗钢量加大。梁与柱通过盖板和角钢连接，在柱的东西方向，通过盖板
（3）与梁翼缘连接，以传递弯矩。通过竖直角钢与梁腹板连接，以传递剪力。柱上焊有安装用支托，为避免仰焊，上部水平板应小于梁翼缘，下部水平板应大于梁翼缘。在柱的南北方向，盖板兼肋板与柱翼缘和腹板焊接，为避免仰焊，可在卜-部水平板中问开槽进行焊接。下部水平板下有竖向肋板作为支托承受剪力。梁与柱焊接前均有安装螺栓定位。

梁柱丁字形节点连接 有T形加劲肋的梁柱节点连接

柱铰接节点连接

三 预应力钢结构的空间结构体系及节点设计
3.1 预应力结构体系的力学特点
(1) 可以单次地引入与内力峰值符号相反的预应力以抵消或者削减内力峰值，降低设计内力水平；
（2） 将荷载与预应力分批次地相间施加，可以进一步降低设计内力值，并多次反复地利用材料弹性强度幅值；
（3） 可将荷载不利内力形态转换成有利内力形态，组成以轴拉，轴压杆件为主的先进结构体系
（4） 可大量采用力价比打的刚强度材料和钢索，在结构中大量的引入零刚度的预应力柔索，进一步降低结构的自重。
（5） 可以提高结构的整体刚度减少挠度，调整结构的自珍频率，改善结构静.动力性能；
（6） 可以利用新材料，新结构组建新体系，创造出先进的崭新的结构类型。
3.2 预应力网架结构
预应力网架结构体系使用的是丝扣拧张法施加预应力，即采用端头带有正反扣的钢管作为单元中的压杆，压杆的伸长或缩短可通过旋转钢管来实现，施工中采用钢管转动圈数来控制预应力，钢管被旋出节点，相当于加长了钢管，将单元撑起，拉紧了单元中的钢绞线，同时使钢管获得压力，即单元中的预拉应力与预压应力是同时产生的，通过节点的传递统一在同一个单元中，在单元内部相互抵消，达到了自身的平衡。整个结构由若干个这样的自平衡预应力单元拼装形成，．按照一定的顺序对结构中的单元施加预应力，这样就在结构体系中建立了预应力。结构未施加预应时没有刚度,整个体系不能承受荷载的作用。但是在施加预应力之后,结构变成了一个有多余约束的超静定体系,结构获得了很大的刚度:预应力的施加是对称的,各个方向的压力平衡于中心节点处,所以结构可以承受任意方向上的荷载;在对结构施加预应力过程中,可以控制结构的形状不发生变化,只是在结构的体积上发生变化,整个结构是一个无外力的作用的自平衡超静定体系,此时结构已获得了足够的刚度。

网架结构示意图
在网架结构中施加预应力的方法主要有支座位移法和拉索法。
支座位移法预应力网架通过在支座处垫入不同厚度的金属垫块施加压力使网架产生预应力，并将挠度曲率保持定值以获得荷载下不同节间弦杆内具有相同的内力值，是杆件截面尺寸规格大为减少。其施加预应力的工序只需附设垫块钢材就能完成。这是一种行之有效、简捷方便的卸载方法。国内外这类已建工程的节约钢材幅度一般在5%-12%之间。
拉索法预应力网架：通过对优化布置在网架结构上的高强钢索的张拉，使网架获得一组自平衡力系。在网架体系中建立一种与荷载下符号相反的预应力。致使部分部分或大部分抵消外荷载作用引起的网架杆件内力和结构变形。从而改善内力分布􀌏增大结构刚度。减小网架高度，提高抗震性能，节省钢材用量并降低工程造价。其特点是在一定程度上结构的内力和变形可调可控，施加预应力的方法简单、可靠、有效。比支座位移法省钢幅度大。经济效益高，特别适合重载、大跨的屋盖结构采用。
预应力网架结构按网架结构形式分类可分为双层预应力网架、三层预应力网架以及多层预应力网架。仅双层预应力网架，目前常用的就有平面桁架体系网架、四角锥体系网架和三角锥体系网架等三大类计13 种形式
拉索法预应力网架结构合理的布索方案应遵循的原则是：布索应选择在网架受力的敏感区域，使以较小的索力换取较大的杆力，以卸载量最大、挠度合适、杆力峰值不致过大、用钢量最省为目标，经过多方案优选，试算后确定。

几种 预应力拉索类型

几种平面布索方式
拉索法预应力网架的布索方案按拉索类型分为直线配索和折线配索。按拉索所处剖面位置分为廓(桁)内布索和廓(桁)外布索。按拉索平面布置分，常见的布置方案有对角线布索、平行边布索、井字式布索、多重井字式布索、四角放射布索以及自由式布索等。总之，当网架形式确定后，布索方案及合理的预应力取值等问题。应经多方案优选后确定并做好相关的节点设计。
预应力网架结构节点设计：
（1）螺栓球节点设计：单元拼装式预应力钢结构体系的基本单元内,通过螺栓使带有丝扣的钢管与节点相连,并以此来控制压杆的伸长与缩短,所以必须保证螺栓不发生强度破坏,可按承载力通过计算确定螺栓截面面积。
螺栓球节点适用于连接管杆件,连接螺栓球和杆件所采用的螺栓直径的大小、螺栓拧入球体的长度及相邻圆钢管杆件轴线夹角的大小等因素决定了螺栓球的直径。确定螺栓直径后,再确定螺栓球的直径。应采用高强度螺栓连接螺栓和圆钢管杆件,并且其强度应符合国家标准《钢网架螺栓球节点用高强度螺栓》规定的性能等级为8.8级或10.9级的要求,但为了构造的需要和转动的方便,高强度螺栓的大六角头应制成圆头。长形六角套筒主要是拧紧高强度螺栓,并且承受圆钢管杆件传来的压力,设计时其端部要保持平整,外形尺寸应符合搬手开口尺寸系列,套筒孔径一般比高强度螺栓直径大1.0mm,并按被连接圆钢管杆件的轴心压力计算确定套筒的壁厚,同时还要验算紧固螺孔处以及端部有效截面的承压应力。
（2）支座节点的设计：空间网架的支座通常都按铰接设计,并且大多支撑于柱、梁或墙上。网架支座节点,根据其受力状态可分为压力支座节点和拉力支座节点两大类,应根据网架的类型、跨度的大小、网架杆件的截面形状及加工和安装方法等方面来进行空间网架的支座节点的设计,采用传力可靠、连接简单的构造形式。要尽可能地使网架的实际内力和变形符合计算的假定值,以防止差异过大而危及结构的安全。
3.3预应力网壳结构
预应力网壳结构工程实例