大跨度预应力钢结构的结构体系.pdf

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1、第十二届全国现代结构工程学术研讨会大跨度预应力钢结构的结构体系田伟平1李旭淳2(1．广州市住宅建筑设计院有限公司，广州510623；2华南理工大学土木工程系，广州510640)摘要：预应力钢结构发展到现在大概60年，最近20多年有了较大的发展，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。本文以综述的形式概述大跨度预应力钢结构的结构体系，介绍弦支穹顶、张弦梁、索桁架结构体系、索网、整体张拉、膜结构体系及其工程应用。关键词：预应力，钢结

2、构，结构体系，工程实例一、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。根据采用的材料不同，预应力钢结构可分为两大类：异钢种预应力钢结构和同钢种预应力钢结构【11。按照使用目的的不同，预应力钢结构又可细分为提高承载力和提高刚度两种。预应力钢结构主要应用于1．高耸结构、塔桅结构等：2．承受超重荷载或动力荷载的结

3、构；3．预应力钢结构还可以改造和加固现役建筑物；4．大跨度开阔建筑空间；5．大直径筒仓结构。大跨度预应力钢结构是把现代预应力技术引用到例如网架、网壳等网格结构、索、杆组成的张力结构、立体桁架结构等一类大跨度结构，从而形成一类新型的、杂交的预应力大跨度空间钢结构体系。弦支穹顶结构体系(一)几何力学特征弦支穹顶结构体系是由日本川口卫教授于1993年提出的新型空间结构体系。该体系由上弦单层网壳、下弦环索及径向拉杆、撑杆组成(图2．1)。其中各层撑杆的上端和单层网壳相对应的节点铰接，下端由径向拉杆与单层网

4、壳的下一圈节点连接，径向拉杆与撑杆下端交点由环索连接在一起，使整个结构形成一个完整的结构体系【2】。(二)预应力索撑体系设置原则1)根据传力路径及力学平衡原理弦支穹项结构的核心力学原理是将环索(或径向拉杆)的预拉力或撑杆顶升预压力，转换为能够有效抵消向下垂直荷载的反向垂直平衡荷载和有效抵抗网壳外推力的向内水平平衡荷载(图2．2)。单层-l蠢工业建筑2012增刊第十=届全国现代结构I程学术研讨台圉2l弦支穹顶体系布置示意田图2．2下弦素撑体系传力路径根据索撑节点力平衡条件．环索径向拉杆的问距和撑杆高

5、度几何尺寸设计，径向拉杆与撑杆之间角度合理范围为60o～75。。2008奥运会羽毛球馆工程取为740．第26届世界大学生运动会篮球馆取为75。。2)保证结构体系整体稳定性弦支穹顶结构体系是柔性较大的结构体系，可通过提高外环索的预应力并由外固到内圈运次减小，增加井环索的构件H0度．增加环索的数量，以及增加撑杆高度，保证结构体系整体稳定性。3)综台改善弦支穹顶结构内力分布状况台理布簧索的间距使竖向撑杆间钢网壳应力、变形尽可能均匀；合理选择预应力度。4)满足建筑功能和美观要求索捧体系过稀少，不足以产生有

6、效预应力，进而不能保证结构安全，同时形成不了建筑的韵律感。索撑体系过密，会造成预应力不能充分发挥其效率．同时不能取得建筑室内空间简明流畅的美学效果。(--)工程实倒1)2008奥运会羽毛球馆2008奥运会羽毛球馆位于北京工业大学校园内，是第29届奥运会羽毛球及艺术体操比赛用场馆。羽毛球馆太跨度钢结构屋盖平面呈椭圆形．支撑于36根平面分布呈圆形的混凝土柱上，钢结构屋盖采用弦支穹顶结构体系，由上弦单层圆形网壳(直径93m)、下弦环索与径向拉杆、竖向撑杆组成Ⅱj。羽毛球馆屋盖钢结构如图2．3-图2．5。

7、霜露i签。三、张弦梁结构体系及节点设计(--)简介由平两张弦粱牧展而成的空间体系。顾名思义．张弦粱是预应力索撑杆形成中问支点以支承上部刚性粱I业建筑2012增刊第十二届全宙现代结构I程学术研讨舍的结构。这种结构是PSS的初始形式．上F弦由刚柔两类杆件通过捧杆相连，具有受力合理、自重轻，加工运输方使等优点。(二)工程实倒广j+

8、国际会议展览中心由日本佐藤综合计面株式会杜进行建筑设计．华南理工大学建筑设计研究院为国内旌工图设计配音单位Ⅲ。图31会震中心整体效果图图3．2张弦桁槊轴测囱广州国际会议展览大

9、厅其屋盖结构采用了颊应力张弦立体桁架结构形式，张弦桁架上弦使用了稳定性好的倒三角形断面的钢管桁架．下弦采用单根拉索，张弦立体桁架的上下弦之间由竖膜杆连接，如图3．1～圈3．2。四、索桁结构体系及节点设计(一)简介严格意义上说预应力素桁结构只是类张拉整体结构，因为对张拉整体结构而言要求压杆闻不能相互接触．而在索桁结构中压杆相互连接，没能达到连续的张拉状态。预应力索桁结构主要特点是通过捧杆连接抗弯受压构件(如粱、拱)和抗拉构件(如弦)，拉力与压力成对抵抗截面弯矩。预应力索桁絮主要由上弦