鋼結構預應力技術的特點及應用

鋼結構預應力技術以其眾多優勢在建筑工程中倍受青睞。鋼結構預應力技術類型眾多，且特性鮮明，在實際應用中應把握其特性，對其進行合理利用，以發揮工程效益。本文主要分析鋼結構預應力技術的特點，并結合實例分析其具體應用。 

【關鍵詞】鋼結構預應力技術；特點；應用 

引言 

近年來，鋼結構預應力技術在建筑工程中得到廣泛應用，與傳統鋼結構混凝土結構相比，其在提高建筑結構承載力、增加結構穩定性、創新結構體系等方面發揮著巨大作用。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，在很大程度了促進了建筑行業的發展和進步。 

1 預應力鋼結構的發展現狀 

預應力鋼結構類型眾多，按照按結構受力體系來分，可分為平面預應力鋼結構和空間預應力鋼結構。平面預應力鋼結構主要適用于預應力軸向受力鋼構件，例如：預應力支撐、預應力柱等；預應力受彎鋼構件，如：預應力實腹梁、預應力鋼桁架；平面索拱結構、索桁結構、張弦梁，如張弦桁架；平面吊掛及斜拉結構等?？臻g預應力鋼結構則在預應力網架、預應力網殼、空間張弦梁（張弦桁架）、正交（或斜交）索拱結構等方面比較適用。隨著我國的建筑行業的發展，鋼結構預應力技術也表現出其極大的實用性，如：對于需要大跨度及大體量無阻擋空間（體育館、歌舞劇院等）皆應用預應力鋼結構來提高其穩定性和承載力。 

2 鋼結構預應力技術的特點 

2.1 耐火性差 

對于預應力的鋼結構來說，溫度到達300℃左右會出現由徐變現象，對建筑結構產生較大影響，例如：造成預應力松弛的問題，進而引起結構內力重新分布，對整個建筑結構造成破壞，且隨著預應力的增大，其耐火性越來越差。因此，在應用鋼結構預應力技術時，應充分考慮其防火設計，根據工程防火等級制定嚴格的設計方案，以減少這種不利影響。但是目前對預應力鋼結構耐火問題的研究幾乎空白，因此，這一特性在一定程度上限制了其發展。 

2.2 形成新的結構體系 

鋼結構預應力技術的一大特點是可以構成新的結構體系，具有比較廣泛的適用性，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。 

2.3 監控和索張拉 

首先，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。其次，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，在實際應用中，必須使用少數設備實現目標控制索力，以降低成本。 

3 剛結構預應力技術在建筑工程中的應用――以某圖書館為例 

3.1 工程概況 

某體育館在建設中應用到鋼結構預應力技術，其概況如下：整個體育館為五層結構，地上四層、地下一層，主要由比賽區，熱身區，外圍附屬用房，地下車庫這四個分區組成。熱身區以及賽區的屋頂構成一個鋼結構整體，鋼結構屋蓋為單曲面、其形式為雙向張弦桁架鋼結構，上弦為平面桁架，且其正交正放，下弦形成雙向張拉索網結構。 

3.2 設計方案 

根據實際應用特點和施工現場的實際情況，決定采用以下設計方案：比賽館屋面呈南高北低波形曲線，結構最高點標高為42.454m。屋蓋上層采用正交正放桁架結構，桁架雙向間距8.5m，結構截面高1.518～3.973m。上弦面內的全部桿件或者腹管均為圓管，圓管截面為159×6mm～480×24mm，采用無縫鋼管，下弦面內所有桿件為焊接矩形管，截面范圍為350×200×8×8～450×275×25×20mm。上弦采用帶肋焊接球節點，截面范圍D500×18mm～D700×35mm。下弦采用鑄鋼節點。屋蓋鋼結構在比賽區區域的尺寸為114m×144.5m?？v向有B～Q軸共14榀平面桁架，兩側邊6榀桁架不布索，E～M軸共8榀，為預應力索張弦縱向桁架。橫向有7～24軸共18榀平面桁架，兩側邊各2榀不布索，9～22軸為預應力索張弦橫向桁架，見圖1。預應力索為上下兩層結構，縱索采用單索結構，且處在上面，橫索為雙索，且在下。桁架預應力鋼索采用纜索，其型式為擠包雙護層大節距扭絞型，定位撐桿（撐桿為圓管，截面為219×12mm，最長為9.248m）。上端與桁架結構的下弦連接，其切采用萬向球絞節點，下端與索連接，采用夾板節點，縱橫向索穿過鋼撐桿下端的雙向節點，形成雙向張拉空間索網，索端與鋼結構采用鑄鋼節點連接。 

圖1 張弦桁架軸測圖 

3.3 鋼結構預應力技術的應用 

3.3.1 預應力索張拉 

考慮到實際工程的特點，決定采用以下設計方案：張拉施工由兩端逐漸向中間進行雙方向對稱施工，且分3級進行。第一張拉至設計索力要求的80%；第二次張拉全部設計索力，并超張拉5%；第三級微調索力，使其達到設計要求。具體分析如下：第一次張拉9、22，E、M軸線張拉到80%設計力，分別為980、1060、1360、1360KN。第二次張拉21，F、L軸線張拉到80%設計力，分別為1110、1750、1640、1640KN。 

3.3.2 預應力監測 

在張拉中，鋼結構屋架向上拱起，在張拉完成后，屋蓋與支撐塔架脫離，完成卸載的過程。屋蓋中心起拱采用吊線墜與全站儀兩種監測方式，屋蓋中心起拱設計理論計算值為177mm，實測為159mm，偏差18mm。按設計計算，若起拱值達到理論計算值的50%（即89mm），在屋面全負荷狀態下仍可滿足承載力和正常使用要求，因此，起拱159mm與設計理論值177mm吻合較好，完全滿足設計要求。 

4 結束語 

在建筑工程中，鋼結構預應力技術已經逐漸發展為比較成熟的一項施工技術，今后在不斷的發展中，還將繼續完善。眾多工程實踐說明，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，今后應不斷擴大其應用范圍，充分發揮其優勢和作用。