鋼結構預應力技術的特點及應用

摘 要：本文基于鋼結構的特殊要求，分析了其預應力技術的主要特點，包括預應力的施加可以形成新的結構形式、預應力的監控、索張拉的階段性，介紹了預應力技術在弦支穹頂結構、張拉膜結構等典型結構的應用情況，并指出了鋼結構預應力技術應用中存在的問題。

關鍵詞：鋼結構 預應力技術 特點

中圖分類號：TG142 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）12（a）-0052-02

現代鋼結構中引入預應力卻是近50多年的事情。人為地在鋼結構承重體系中施加預應力以提高結構承載力，增加結構剛度及穩定性，改善結構其他屬性以及利用預應力技術創新結構體系的都應稱之為預應力鋼結構。經過多年的發展創新，預應力鋼結構的應用范圍幾乎已覆蓋了全部鋼結構領域。然而鋼結構因其本身材料的特性，造成了其預應力技術與鋼筋混凝土結構中預應力技術的截然不同。

1 鋼結構預應力技術的特點

預應力鋼結構主要使用在平面承重結構體系、空間承重結構體系、特種承重結構體系、加固與改建工程中。基于這些結構體系自身的特點，其預應力技術也有著鮮明的特點。

1.1 預應力的施加可以形成新的結構形式

通過預應力技術可以構成新的結構體系和結構形態，例如索穹頂結構，如果沒有預應力技術，就沒有索穹頂結構，另外預應力技術還可以作為預制構件（單元桿件和組合結構）裝備的手段，從而形成一種新型的結構，如弓式預應力結構，還有采用預應力技術后，可以組成一種雜交的空間結構，或者可構成一種全新的空間結構，其結構的用鋼指標比原結構或一般結構可大幅度的降低，具有明顯的經濟效益。

1.2 預應力的監控

預應力施加完成前結構尚未成形時，鋼結構整體剛度較差，因此一般都會邊施加預應力邊用有限元軟件進行仿真驗算，同時進行張拉力和位移的監測，以確保鋼結構順利的建成。

1.3 索張拉的階段性

鋼結構預應力施工會有階段性，可以是嵌套形式；另外還需要確定一個形狀控制為索張拉目標，目標實現時的索力為目標控制索力，目標實現時控制點位移為目標控制位移，即初始狀態；最后控制索力往往是幾個，甚至是十幾個以上。由于實際張拉設備有限，不可能所有索同時張拉，因此必須制定使用少數設備實現目標控制索力和目標控制位移的張拉方案。

2 鋼結構預應力技術的應用

由于經過30多年的工程實踐，已經肯定了預應力鋼結構的可行性、可靠性、先進性，以及新材料的大量涌現與新技術不斷完善提高，還有人們審美觀念的轉變與更新，使鋼結構具有了許多結構類型[1]。分別為弦支穹頂結構、張拉膜結構、網殼結構、張弦結構、拉索拱結構、吊掛結構、高聳鋼結構等。每一種結構類型由于其構造各異、用材多樣、形式不一，其預應力設計方法和施工存在著很大的差異，下面介紹預應力技術在幾種典型鋼結構中的應用。

2.1 預應力技術在弦支穹頂結構中的應用

張弦穹頂結構是由日本川口教授于1993年提出的一種新型復合空間結構體系。我國1999年起才開始從事對張弦穹頂結構的研究，并建成了第一座張弦穹頂—天AM1LSm0Yjt6uBRzNOVwUO+5D2AIEbT+junuK4feKfIA=津開發區商務中心大堂張弦穹頂。

2008年奧運會羽毛球館位于北京工業大學校內，總建筑面積24383 m2，屋蓋最大跨度93 m，矢高9.3 m，上部采用新型空間結構體系—弦支穹頂結構[2]，下部為鋼筋混凝土框架結構。

本工程通過環向索施加預應力，經過仿真計算，環向索最大張拉力約2660 kN，需要2臺150 t千斤頂，同一圈環向索有4個張拉端，故選用8臺150 t千斤頂，即同時使用4套張拉設備。張拉設備采用預應力鋼結構專用千斤頂和配套油泵、油壓傳感器、讀數儀。根據設計和預應力工藝要求的實際張拉力對油壓傳感器及讀數儀進行標定。

預應力控制參數張拉時采取雙控原則；索力控制為主，伸長值控制為輔，同時考慮網殼變形。

預應力操作要點是：張拉前將各圈環向索進行預緊，然后進行正式張拉。總體張拉過程分為3級：分別張拉到設計張拉力的70%、90%、110%。總體張拉順序為：前2級張拉都是由外圈向內圈依次張拉，第3級是由內圈向外圈依次張拉完成。由于本工程張拉設備組件較多，在進行安裝時必須小心安放，使張拉設備形心與鋼索重合，以保證預應力鋼索在張拉時不產生偏心；預應力鋼索張拉要保證油泵啟動供油正常后開始加壓；張拉時，要控制給油速度，給油時間應0.5 min；每圈環向索在張拉過程中要保證同步性。

在張拉過程中，通過仿真計算進行校核，并用全站儀監測結構變形，用振弦應變計監測結構應力。

2.2 預應力技術在索膜（張拉膜）結構中的應用

張拉索膜結構最早出現在1957年，由德國奧托設計建成，奧托是張拉膜結構的先行者和開拓者。經過幾十年的發展，目前世界上已建成的張拉膜結構有沙特阿拉伯吉達航空港、沙特阿拉伯法赫德國際體育場、美國圣迭戈會議中心、美國新丹佛國際機場等。

青島頤中體育場蓬蓋膜結構工程，是目前國內自行設計、施工的第1個大型膜結構工程項目，覆蓋面積達30000 m2。其造型優美，成為青島市標志性城市建筑[3]。

工程內容包括：（1）周圈鋼結構分上、下兩個環梁，60個立柱、弦桿組成的錐體。桿件均為管材，節點大部分為銷接，總用鋼量約2000 t。（2）鋼索：主要有內環索4條，加索夾后重達200 t；上下吊索用于連接內環索與周圈鋼結構；另外60個膜單元由脊索、谷索和邊索組成。（3）膜片：由進口膜材料裁剪、熱合而成。

本工程在競標過程中許多施工單位都以“吊裝”原則進行施工，但是經過反復的數據計算和方案論證，“柔性結構剛性假設進行吊裝施工”幾乎是不可能的（特別是此項目中的內環索的安裝）。這就要求施工單位必須對柔性張拉結構與剛性鋼結構的安裝施工工藝有所區別，對傳統的施工工藝有所突破。最后我公司確定如下兩個原則。

（1）輔助鋼結構的全柔性假設即除周圈鋼結構外，對內部直線段的上、下桁架進行柔性假設，用備用索替代桁架，備用索一端固定于內環索的索夾上，進行直線段內環索的張拉到位（見圖1）。這樣全部60個立柱柱頂均安裝千斤頂、鋼絞線可直接拉動上吊索和備用索，使內環索整體張拉。到位后，弧線段吊索銷接于柱頂，直線段用起重機械吊裝桁架替代備用索（見圖2）。

（2）設備的改造 將“提升”用的千斤頂用于“張拉”施工，其作業方向由垂直變為斜向，且角度隨時在改變，這要求我們對原有的設備加以改造，滿足轉動張拉的要求（見圖3）。

最終的施工方案為將48臺千斤頂分設在弧線段看臺外段的鋼柱上。將48組，每組長60 m的鋼絞線通過千斤頂并與內環索進行連接。通過4個控制臺，操作48臺千斤頂同步提升，與直線段的12臺卷揚機配合，最后將200 t重的內環索張拉提升到35 m高的設計安裝高度。實踐證明，此方法減少了鋼絞線、控制臺、千斤頂及泵站的用量，進一步了降低施工成本。直線段卷揚機安裝示意如圖3所示。

3 鋼結構預應力技術應用中存在的問題

3.1 防火問題

眾所周知鋼結構具有強度高、重量輕、材質均勻等許多優點，但有一個非常致命的缺點就是不耐火。國內外均對高溫下結構鋼材的材料特性和火災下鋼結構的結構響應[4，5]進行了大量的試驗研究。結論為鋼材抵抗高溫的能力非常有限，在火災高溫作用下，其力學性能會隨溫度的升高而降低，變形會不斷增大，在2000 ℃以內時，其性能沒有很大變化，430 ℃～540 ℃之間則強度急劇下降，600 ℃時強度很低，不能承擔荷載。同時260 ℃～320 ℃時還有徐變現象。紐約世界貿易中心主9ccbf7bb002b4cf177b7149debfc95fda04f2653a587559d1ea058e080f9309f樓的911事件，飛機撞進大廈和大廈燃燒初期，大廈均沒有立即倒塌，這說明鋼結構是在火災溫度升到一定的時候才破壞的。而對于預應力的鋼結構來說，不需要溫度升到400 ℃以上，只要到達300 ℃左右，由于徐變現象的出現，預應力松弛而引起的內力重分布就可能造成整個結構的破壞，預應力越大的結構耐火性越差。因此，預應力鋼結構的防火設計應比普通鋼結構和預應力混凝土結構應更加嚴格。目前對預應力鋼結構耐火問題的研究幾乎空白。

3.2 其它問題

預應力鋼結構的抗疲勞性，在鋼結構中引入預應力，那么預應力因素對疲勞強度影響是怎樣的，目前還沒有定論。

預應力鋼結構新體系、影響預應力值控制問題的主要因素和機理分析、索的防腐蝕問題、預應力鋼結構中鋼件與預應力筋節點構造問題、預加應力值的簡便實用測量及監控方法、預應力損失的簡便補充方法、簡便適用于多次張拉預應力鋼結構施工的支座研制等問題。

針對以上問題，要求開發新型、性能優越的防火涂抹材料，以及進一步研究預應力鋼結構構件在荷載、預應力及高溫共同作用下的變形和力學性能，研究火災后預應力鋼結構構件的承載能力，研究如何利用計算機仿真試驗來了解不同形式預應力鋼結構的耐火性能，提出改善結構抗火性能的方法；同時需要研發新的預應力結構體系；需要加強預應力對鋼結構抗疲勞性能的影響；需要加強預應力值控制方法的研究；需要開發索的新防腐方案、需要找到充分發揮預應力節材優勢的主要途徑。

4 結語

預應力技術經過了幾十年的研究和工程實踐，已經是比較成熟的一項工程技術，在今后的發展中，還將日臻完善。工程實踐告訴我們，預應力技術以種種優勢，在鋼結構中有著強大的生命力和競爭力。

參考文獻

[1] 陸賜麟.現代預應力鋼結構[M].北京：人民交通出版社，2003.

[2] 王澤強.2008年奧運會羽毛球館弦支穹頂結構預應力施工技術[J].施工技術，2007，36（11）：9-10.

[3] 趙宇力.大型索膜結構整體張拉施工的構想與實施[J].施工技術，2000，29（6）： 14-15.

[4]Bailey C G.Development of computer software to simulate the structural behavior of steel-framed buildings in fire. Computers and Structures[J]，1998，67（6）：421-438.

[5]K.H.Tan，S.K.Ting，andZ.F.Huang.Visco-Elasto-Plastic Analysis of Steel Frames in Fire.Journal of the Structural Engineering[J]，2002.