预应力钢结构的结构体系及节点设计

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1、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

2、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

3、，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

4、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

5、，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：

6、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

7、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