關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu) 大跨度結(jié)構(gòu) 空間鋼結(jié)構(gòu) 空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu) 索穹頂結(jié)構(gòu)
弓式預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu) 應(yīng)用與發(fā)展
1.前言
預(yù)應(yīng)力大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)是把現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力技術(shù)引用到例如網(wǎng)架、網(wǎng)殼等網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、索、桿組成的張力結(jié)構(gòu)、立體桁架結(jié)構(gòu)等一類大跨度結(jié)構(gòu),從而形成一類新型的、雜交的預(yù)應(yīng)力大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)體系.這一類結(jié)構(gòu)受力合理、剛度大、重量輕,制作安裝也比較方便,在近十多年來(lái)得到開(kāi)發(fā)與發(fā)展,并在大跨度、大柱網(wǎng)的公共與工業(yè)建筑中得到應(yīng)用,且受到國(guó)內(nèi)外科技界和工程界的關(guān)注和重視,其推廣應(yīng)用和發(fā)展前景是無(wú)比廣闊的[1][2][3].
采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)于大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)具有如下的特色和優(yōu)勢(shì).
(1）可以改變結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài),滿足設(shè)計(jì)人員所要求的結(jié)構(gòu)剛度、內(nèi)力分布和位移控制.
（2）通過(guò)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)(形式),如索穹頂結(jié)構(gòu)等.可以說(shuō),沒(méi)有預(yù)應(yīng)力技術(shù),就沒(méi)有索穹頂結(jié)構(gòu).
（3）預(yù)應(yīng)力技術(shù)可以作為預(yù)制構(gòu)件(單元桿件或組合構(gòu)件)裝配的手段,從而形成一種新型的結(jié)構(gòu),如弓式預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu).
（4）采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)后,或可組成一種雜交的空間結(jié)構(gòu),或可構(gòu)成一種全新的空間結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)的用鋼指標(biāo)比原結(jié)構(gòu)或一般結(jié)構(gòu)可大幅度的降低,具有明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益.
預(yù)應(yīng)力空間鋼結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力的施加方法通常有兩種: 一種是在預(yù)應(yīng)力索、桿上直接施加外力,從而可高速改善結(jié)構(gòu)受力狀態(tài),致使內(nèi)力重分布,或者是形成一種新的具有一定內(nèi)力狀態(tài)的結(jié)構(gòu)形式;另一種是通過(guò)高速已建空間結(jié)構(gòu)支座高差,改變支承反力的大小,從而也可使結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布,達(dá)到預(yù)應(yīng)力的目的.
預(yù)應(yīng)力索、桿的材料通?？刹捎酶邚?qiáng)度的鋼絲束、鋼鉸線、也可采用鋼棒、鋼筋.
2.預(yù)應(yīng)力網(wǎng)格結(jié)構(gòu)
現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力技術(shù)與空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)(包括網(wǎng)架與網(wǎng)殼)相結(jié)合便可構(gòu)成預(yù)應(yīng)力的網(wǎng)格結(jié)構(gòu).通常施加預(yù)應(yīng)力的方案有兩種:一種是在網(wǎng)架的下弦平面下設(shè)置預(yù)應(yīng)力索,如圖1a所示,也可在網(wǎng)殼的周邊設(shè)置預(yù)應(yīng)力索,如圖1b所示,通過(guò)張拉預(yù)應(yīng)力索建立與外載作用反向的內(nèi)力和撓度;另一種是通過(guò)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)支座高差強(qiáng)行調(diào)整就位(通常為盆式擱置就拉,在使用階段達(dá)到支座最終反力趨向于均勻化),使網(wǎng)格結(jié)構(gòu)建立預(yù)加應(yīng)力,如圖1c所示.
預(yù)應(yīng)力網(wǎng)格結(jié)構(gòu)有下列特點(diǎn):
1.可采用高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力拉索作為網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的主要受力桿件,以降低材料耗量.
2.可采用多次分批施加預(yù)應(yīng)力及加荷的原則(多階段設(shè)計(jì)原則),使桿件反復(fù)受力,并在使用荷載下達(dá)到最佳內(nèi)力狀態(tài);預(yù)應(yīng)力網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)捷計(jì)算法及施工張拉全過(guò)程分析可參見(jiàn)文獻(xiàn)[4].
3.通過(guò)預(yù)應(yīng)力技術(shù)可提高整個(gè)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的剛度,減少結(jié)構(gòu)撓度.
4.對(duì)于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)可解決水平推力問(wèn)題,適當(dāng)配置支座滑動(dòng)構(gòu)造措施,利用預(yù)應(yīng)力技術(shù)可形成無(wú)水平反力的自平衡結(jié)構(gòu)體系.
5.對(duì)于采用改變支座就位高差,高速結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布的施加預(yù)應(yīng)力方案,是一種最經(jīng)濟(jì)的預(yù)應(yīng)力方法;此時(shí),對(duì)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)無(wú)需嗇任何桿件和零部件材料.
我國(guó)已建的預(yù)應(yīng)力網(wǎng)格結(jié)構(gòu)工程有十多幢,積累了豐富的設(shè)計(jì)與施工經(jīng)驗(yàn),其中有代表性的工程項(xiàng)目詳見(jiàn)表1.
表1 預(yù)應(yīng)力網(wǎng)格結(jié)構(gòu)工程實(shí)例[5]-[6]
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工程名稱
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網(wǎng)格結(jié)構(gòu)形式
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平面尺寸×厚度
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預(yù)應(yīng)力技術(shù)特征
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用鋼指標(biāo)或省鋼率
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建成
年份
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設(shè)計(jì)單位
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天津?qū)幒芋w育館
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正放四角錐網(wǎng)架
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42×42×3
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盆式擱置就位,角支座與邊界中支座相對(duì)高差9?
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28.5?/?12%
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1984
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中國(guó)建研院結(jié)構(gòu)所
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重慶一中體育館
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斜放四角錐網(wǎng)架
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37.8×37.8×2.34四周懸挑5.4
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盆式擱置就位,周邊支座相對(duì)高差6.1?
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23.1?/?9%
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1993
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重慶建筑大學(xué)
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重慶南開(kāi)體育館
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斜放四角錐網(wǎng)架
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長(zhǎng)六邊形33×66×2.2
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盆式擱置就位,二對(duì)邊及四斜邊支座相對(duì)高差分別為2.8?及7.3?
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19.8?/?11%
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1993
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重慶建筑大學(xué)
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上海國(guó)際購(gòu)物中心樓層
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正放四角錐組合網(wǎng)架
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27×27,截m腰邊一角
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下弦平面下20?處增設(shè)四束高強(qiáng)鋼絲鑄錨束
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48?/?32%
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1993
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上海建筑設(shè)計(jì)研究院、
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攀枝花市體育館
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三向短程線型雙層球面網(wǎng)殼
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74.8×74.8缺角八邊形,矢高8.89m
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八點(diǎn)支承,對(duì)角柱跨度64.9m,周邊設(shè)八道預(yù)應(yīng)力索,分二次建預(yù)應(yīng)力值700kN
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49?/?
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1994
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攀枝花建筑勘察設(shè)計(jì)院
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廣東清遠(yuǎn)市體育館
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六塊組合型三向雙層扭網(wǎng)殼
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邊長(zhǎng)46.82正六邊形,矢高8.0
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六點(diǎn)支承,對(duì)角柱跨度89m,周邊設(shè)六道預(yù)應(yīng)力索,每索建預(yù)應(yīng)力值1600kN
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44.3?/?
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1995
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貴州工大設(shè)計(jì)院、清遠(yuǎn)市設(shè)計(jì)院
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廣東高要市體育館
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四塊組合型三向雙層扭網(wǎng)殼
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54.9×69.3
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四點(diǎn)(每邊中點(diǎn))支承,支承間共設(shè)四道預(yù)應(yīng)力索,每索建預(yù)應(yīng)力值1400kN
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38.5?/?
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1995
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貴州工大設(shè)計(jì)院
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廣東陽(yáng)山市體育館
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雙曲雙層扁網(wǎng)殼
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44×56
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四角支承,周邊共設(shè)置四道預(yù)應(yīng)力索
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43%
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1996
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貴州工大設(shè)計(jì)院
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鄭州碧波園
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對(duì)角線局部三層(變高度)八面錐網(wǎng)殼
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80×80(2.8～7.8)間等邊八邊形,矢高18.5
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四對(duì)邊端支座間沿邊界共設(shè)四道預(yù)應(yīng)力索,每索建預(yù)應(yīng)力值700kN
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43.5?/?15-20%
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1996
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云光建筑設(shè)計(jì)咨詢開(kāi)發(fā)中心
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廣東新興縣體育館
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四塊組合型三向單雙層混合扭網(wǎng)殼
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54×76.06
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四點(diǎn)(每邊中點(diǎn))支承,支承間共設(shè)四道預(yù)應(yīng)力索
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28.2?/?43%
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1997
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貴州工大設(shè)計(jì)院
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西昌鐵路分局體育活動(dòng)中心
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矩形底球面網(wǎng)殼與外挑1至6m柱面網(wǎng)殼
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59.7×42.7×1.25矢高6.15
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沿縱邊七點(diǎn)支承,沿橫向設(shè)置四道預(yù)應(yīng)力索,分三次施加預(yù)應(yīng)力
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28.5?/?28%
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1997
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攀枝花建筑勘察設(shè)計(jì)院
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江蘇宿遷市文體館
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正放四角錐雙層鞍形網(wǎng)殼
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80×62.5×3橢圓平面
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周邊獨(dú)立柱支承,在拱向沿下弦設(shè)十一道預(yù)應(yīng)力索
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1999
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江蘇省建筑設(shè)計(jì)研究院
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從表2所列工程可以看出,浙江黃龍?bào)w育中心體育場(chǎng)為這國(guó)目前跨度較大的斜拉網(wǎng)殼,兩塔柱間的距離達(dá)250米,每塊月牙形網(wǎng)殼上弦面上巧妙地設(shè)置了九道穩(wěn)定索以抵抗向上的風(fēng)荷載,見(jiàn)圖2.太舊高速公路舊關(guān)收費(fèi)站為我國(guó)首次采用獨(dú)塔式全方位布索的斜拉網(wǎng)殼.深圳市游泳跳水館采用了由縱橫向立體桁架系、四根桅桿及十六根斜拉鋼棒(其中四根又各再分為三根)組合的雜交空間結(jié)構(gòu),見(jiàn)圖3.這些都表明我國(guó)的斜拉空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)采用了較多的新技術(shù),取得了長(zhǎng)足的發(fā)展.
我國(guó)目前已設(shè)計(jì)和建成的斜拉網(wǎng)格結(jié)構(gòu)十多幢，其中有代表性的工程項(xiàng)目詳見(jiàn)表2。
將斜拉橋技術(shù)及預(yù)應(yīng)力技術(shù)綜合應(yīng)用到網(wǎng)格構(gòu)結(jié)而形成一種形式新穎、協(xié)同工作的雜交空間結(jié)構(gòu)體系，可稱為斜拉網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，它也是一種內(nèi)部空間寬廣、造型新奇、頗有景點(diǎn)特色的大跨度建筑結(jié)構(gòu)。對(duì)于斜拉網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，這些年來(lái)結(jié)合工程和課題作了深入的研究[13]～[16]。
4.索穹頂結(jié)構(gòu)
由美國(guó)工程師蓋格爾首次研究開(kāi)發(fā)的索穹頂結(jié)構(gòu)用于1988年韓國(guó)漢城奧運(yùn)會(huì)體操館(直徑120m)和擊劍館(直徑90m)[22][23].它由中心環(huán)、受壓圈梁、脊索、谷索、斜拉索、環(huán)向拉索,立柱和扇形膜材所組成,見(jiàn)圖4.此后,美國(guó)工程師李維進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了雙曲拋物面臨?爬??羼范ビ糜?/FONT>1996年美國(guó)嚴(yán)特蘭大奧運(yùn)會(huì)主體育館?侵窩邱范?/FONT>(240m×193m橢圓形平面).它與索穹頂不同的有四點(diǎn):一是適用于橢圓形平面,二是以兩向斜交的上弦索網(wǎng)代替脊索與谷索,三是要增設(shè)中央桁架,四是以平面投影為菱形的膜材代替扇形膜材,見(jiàn)圖5.
5.張弦梁結(jié)構(gòu)
張弦梁結(jié)構(gòu)是最近幾年發(fā)展起來(lái)的大跨度鋼結(jié)構(gòu),它可用于屋蓋結(jié)構(gòu),見(jiàn)圖6a,也可用于樓層結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6b,還可用于墻體結(jié)構(gòu)(如玻璃幕墻的立柱).
至今,包括雙曲拋物面---張拉整體穹頂在內(nèi)的索穹頂結(jié)構(gòu)連同臺(tái)灣在內(nèi)的世界各地已建成了十多幢,然而在我國(guó)大陸尚未建成一幢.在技術(shù)封鎖和缺乏資料的情況下,對(duì)索穹頂?shù)睦碚摲治龊驮囼?yàn)研究方面已做了大量的工作,相信不久在我國(guó)亦可建成自行設(shè)計(jì)與施工的這類新建筑.
張弦梁結(jié)構(gòu)具有如下一些特點(diǎn):
1.張弦梁由下弦索、上弦梁和豎腹桿組成,索為受拉、桿為受壓的二力桿,上弦梁為壓彎桿件.
2.通過(guò)拉索的張拉力,使豎腹桿產(chǎn)生向上的分力,導(dǎo)致上弦梁產(chǎn)生與外荷載作用下相反的內(nèi)力和變位,以形成整個(gè)張弦梁結(jié)構(gòu)及提高結(jié)構(gòu)剛度,通常情況下下弦索為一向下的圓弧線(實(shí)際上為折線多邊形).
3.屋面應(yīng)設(shè)置支撐體系以保證平面外地穩(wěn)定性.
4.宜采用多階段設(shè)計(jì),分析計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮幾何非線性影響.
5.在支座處宜采取必要的暫時(shí)的或永久的構(gòu)造措施,在預(yù)應(yīng)力及外荷載作用下(指自重等屋面荷載作用下)形成自平衡體系,不產(chǎn)生水平推力.
6.上弦梁可改用立體桁架,此時(shí)張弦梁便成為帶拉索的桿系張弦立體桁架,可使結(jié)構(gòu)計(jì)算及構(gòu)造得到簡(jiǎn)化.
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