摘要 朱龙 (天津钢线钢缆集团有限公司,天津30040) 摘要介绍预应力钢结构的发展、特点及各种分类方法。拉索法是对预应力钢结构施加预应力的主导方法。建筑工程用索是预应力钢结构张力源
朱龙
(天津钢线钢缆集团有限公司,天津30040)
摘要介绍预应力钢结构的发展、特点及各种分类方法。拉索法是对预应力钢结构施加预应力的主导方法。建筑工程用索是预应力钢结构张力源,给出镀锌钢丝、钢绞线、钢丝绳和钢棒《钢拉杆)及其他金属制品的索体
材料执行标准,指出锌铝镀层(Galfna)钢丝是今后重点发展的产品。提出预应力钢结构的发展方向及行业应配套发展的产品。
关键词预应力钢结构:建筑工程用索;高钒索:索膜结构:钢丝绳索体:钢绞线索体
随着经济快速发展,我国与世界各国交往日渐增多,要求有快速、便捷的交通网络、大型豪华的宾馆、多功能的综合大型商场、舒适的游乐场所等,为举(承)办大型国际赛事和博(展)览会,需要有容纳几万人的体育场馆。这些建筑的特点是:大跨度、重荷载、结构形式多种多样、外形轻巧、线条流畅,有良好的视觉效果。传统的钢筋混凝土结构、钢结构、预应力混凝土结构都不能满足这些新型建筑的要求。预应力钢结构以其适应大跨度、减轻结构自重、降低建筑高度、结构形式多变等优点,可用于建造这些建筑。
1预应力钢结构发展
二战以后,世界各国都开始大规模重建,当时钢材奇缺,因此可大量节约钢材的预应力混凝土和预应力钢结构技术就应运而生。9184年,苏联建成基辅双伸臂公路桥(L=48.4m),节省造价达52%。
1953年,比利时用双跨预应力连续钢析架(76.sm+67.s)m建成布鲁塞尔机场飞机库,节省钢材6
我国“一五”、“二五”期间,为节约钢材预应力钢结构技术被提上议事日程。1958年,大同煤矿用平行弦钢析架(L二52)m建成输煤栈桥,节材达20%,这是我国首座用预应力钢结构技术建造的钢析架。由于我国钢产量太少、建设项目又多,直至上世纪08年代中期,对各类建筑都要考核用钢量,除非特殊需要(如冶金厂房、大型铁路桥),尽量不用钢结构来建设,预应力钢结构在此时期属于初创
奠基阶段。
二十世纪年代08后期至1世纪2初为预应力钢结构的发展阶段。“六五”期间,天津钢厂研发出高强镀锌预应力钢丝用于广东西樵山斜拉桥,使预应力钢结构有了拉索的原料。二十世纪九十年代初,上海为建南浦桥,在南汇县建了浦江缆索厂,可为斜拉桥提供斜拉索,为悬索桥提供主缆的索股,为大型公共建筑提供建筑工程用索。另一方面,设计理论进一步完善和电子计算机技术的应用,用有限元分析、CAD设计计算、CMA制造,完成了许多结构复杂、造型新颖、静力和动力性能良好的结构体系。网架、网壳、悬索及索膜结构等新型承重体系及张拉结构体系也涌现出来。代表性的建筑(桥梁以外)有1990年的亚运会主赛馆;1994年的北京西客站主站房连体钢屋盖,其跨度为45m高sm,钢结构重180t,在里面布置2层办公用房,采用2次预应力技术,该工程为东南大学吕志涛院士及其团队的国内首个大型预应力钢结构项目;1997年的上海体育场看台,这是国内首次索膜结构用于大型工程,其天棚覆盖面积为30Om,;200年的浙江黄龙体育馆,该工程由中国建筑科学研究院承建,是大型吊索网壳结构;
北京机场第二航站楼等。
近十几年来,我国经济进入持续跨跃式高速发展时期,钢产量突破7亿t,1998年,国家发文“鼓励应用钢结构”来建造大型工程。高层超高层建筑拔地而起;高速公路、高速铁路、国际化的大型航空港遍布南北东西;举办了奥运会、世博会、花博会、世界大学生运动会、博鳌论坛、达沃斯论坛等;各地纷纷开展碧水蓝天的城市美化建设,建起了供承接大型国际赛(展)事、供市民休闲娱乐的大型超大型体育场馆、展览馆、博物馆:在此期间预应力技术以传统平面钢结构与优秀的空间钢结构结合,形成预应力空间钢结构体系;将斜拉桥和悬索桥体系引入建筑屋盖、纤维加强膜、特种玻璃、耐候钢、压型钢板、Glafan钢丝等新材料的应用,因此预应力钢结构进入快速发展阶段。
这阶段的代表性预应力钢结构建筑工程有:配合高铁建设的北京南站、天津站、天津西站、济南西站、南京南站、广州南火车站等铁路枢纽;北京机场第三航站楼、河南新郑国际机场航站楼、鄂尔多斯机场航站楼、杭州一萧山国际机场航站楼、广州白云机场航站楼、成都双流国际机场航站楼、天津滨海国际机场航站楼等等;奥运工程中的国家体育馆、乒乓球馆、网球馆、羽毛球馆、奥体中心综合训练馆、青岛国际帆船中心等;其他还有鄂尔多斯伊金霍洛旗全民健身体育活动中心、盘锦体育中心体育场、常州体育中心体育馆、广州中洲中心工程玻璃光棚、哈尔滨国际会展中心、广州外语外贸大学体育场、天津天山米立方海世界、中国石油大厦、北京新保利大厦、江南造船博物馆、北京北苑8号温泉度假酒店、中国(太原)煤炭交易中心展览中心、广州珠江新城西塔及作为景观的索膜结构等。它们中许多成为各城市的地标式建筑。
2预应力钢结构概念和特点
许多现代技术的诞生和发展大多来自人类生活和生产中的经验和技巧。常用的雨伞和帐篷就是预应力钢结构中弦支弯顶和索膜结构的雏形之一。如图2所示,伞面和帐篷在自然状态下是柔软折皱不成型
的。雨伞只有撑开后,伞骨架对伞面施加张力才能抗风遮雨。幅篷只有在绳索拉紧、地锚牢固的情况下才能住人、藏物。预应力钢拱桥、张弦梁、索拱结构是从古代兵器—弓上得到启迪。
预应力钢结构是指在施加荷载之前,经过预加应力以调整结构内力分布,藉以充分发挥材料强度或增大结构刚度的一种钢结构。换言之,预应力钢结构是在设计、制造、安装、施工和使用过程中,采用人为方法引入预应力,以提高结构强度、刚度、稳定性的各类钢结构12〕。对钢结构施加预应力是通过调控结构构件的应力、调控结构构件的变形来增强钢结构的强度、刚度和稳定性。该结构的特点为能充分、反复地利用钢材弹性强度幅值,提高结构承载力、刚度及稳定性,改善结构受力状态和结构的属性,节省钢材。与传统钢结构比可节省钢材10%一40%。
预应力钢结构产品市场迅猛发展的原因:符合建筑结构发展趋势,满足更大、更轻、更好的技术要求;符合加工批量化、构件商品化、施工装配化的现代建筑工业化规律;符合“可持续发展”原则、“绿色生态”要求等现代化特征。
3.1按结构形式和刚度分类
预应力钢结构按结构形式和刚度分类。
1993年刘志伟先生发明了“预应力弓式支架钢结构”(下称弓式结构),该结构被董石麟院士誉为世界上第83种结构〔]3。如图5所示,这种结构跨度大、矢跨比范围宽、覆盖面积广、结构合理、力学性能优良、外观流畅。弓式结构既用于永久性建筑,也可用于可装卸的临时建筑。常见的有可开合的网球馆、游泳馆,大型剧场和展销中心,飞机库(永久的和可移动的),临时演出、展销场所等。
这种结构的特点是;(l)符合建筑工业化的发展方向。弓式结构是由01余种规格统一的零件组成若干组合小型结构单元构成的。各零件实现了通用化、标准化方针,其标准化率达010%,所有零件在工厂批量生产,在工地现场组装。()2传力结构与支承结构合二为一。弓式结构整个建筑都采用大致相同的格子尺寸,把相同或小型组合单元同节点插接,销钉固定,再用双重相交的弦(拉索)拉紧。每个单元既是传力结构,又是承重结构。(3)节点简单、新颖、可靠。如图6这种节点是我国首创的既是承插工作节点,又是一个小型组合单元。(4)工期短、造价低。弓式结构采用“地面渐序散装法”来组装。对一个覆盖面积为1224扩的网球馆,只需6台起重量为Zt,起吊高度为1.9m的起重设备,20人左右5天架起主结构,1天完成整个钢结构安装。对覆盖面积40mZ以下的建筑物,可不用任何起重设备。弓式结构组装时不用模板、不用脚手架、不用大吨位起重设备、施工现场干净整洁,可称为绿色施工。
3.4.2玻璃幕墙索网(索衍架)结构
玻璃幕墙索网(索衍架)结构是以预应力拉索作为支撑体系的一种玻璃幕墙形式。图a7为重庆江北国际机场的玻璃幕墙。通过对拉索施加预应力,为玻璃幕墙自身提供刚度,以抵抗平面内玻璃自重和平面外风荷载及地震荷载的作用。其建筑造型美观,结构轻巧纤细,通透性好。
4建筑工程用索
对预应力钢结构施加预应力有许多种方法,有弹性变形法、强迫位移法和拉索法。近年来,由于高强镀锌钢丝、经预张拉的高强钢丝绳、高钒钢丝、高强度低松弛钢绞线等新材料出现,拉索法成为对预应力钢结构施加预应力的主导方法。
建筑工程用索(拉索)是作为对钢结构施加预应力的张力源。建筑工程用索与斜拉桥索、悬索桥用索属于同类产品。21世纪初,预应力钢结构进入快速发展时期,出现许多结构型式复杂多变的大型建筑。这就要求有许多类型的建筑工程用索与之相适应。2004~2090年,我国着手建筑工程用索标准的编制,其标准号和标准名称为:JGT/330一20n《建筑工程用索》。
4.1建筑工程用索分类
建筑工程用索(拉索)由索体和两端的锚具组成。索体由索体材料、绕包层和护层纽成。建筑工程用索的分类有许多不同分法。
4.2建筑工程用索索体材料和截面型式建筑工程用索(拉索)除用于预应力钢结构外还可用于其他类型的建筑结构中。其常用索体材料有以下几种:
(1)钢丝索体。钢丝为热镀锌钢丝,其质量应符合GB/T71011《桥梁缆索用热镀锌钢丝》的各项规定,常用的钢丝直径为5.Onu和7.omln,强度等级为1607淤a、1770MPa,现在也有用1860MPa等级。单根索体中钢丝数量从91丝到694丝。索体的断面形状有成六边形排列的扭绞型和多层捻制的单股钢丝绳式。索体中钢丝应排列整齐、扭绞均匀、无交叉错位。这要求每根钢丝丝都有良好的伸直性。
(2)钢丝绳索体。经预张拉的钢芯镀层钢丝绳和不锈钢钢丝绳是钢丝绳索体的主要原材料。它们执行GB8918《重要用途钢丝绳》和GBT/9944《不锈钢丝绳》的各项技术要求。常用的钢丝绳直径为
8.0一60nu,常用的钢丝绳结构有6x7、6x19、6x37、8x19、8x37等,强度等级有1570MPa、
1670MPa、1770PMa、1870MPa等。
()3钢绞线索体。高强度低松弛裸钢绞线、高强度低松弛热镀锌钢绞线、环氧涂层钢绞线均可用作
钢绞线索体的原料。它们执行GB/T5224《预应力混凝土用钢绞线)、YB/T125《高强度低松弛预应力热镀锌钢绞线》和GBT/21037《环氧涂层7丝预应力钢绞线》的各项规定。钢绞线的结构为lx7和1
x19。钢绞线的直径为9.5、12.7、15.2、17.8、21.8二,其中lxlg一21.8m1860PMa级钢绞线
特别适合做单根钢绞线的拉索。钢绞线的强度级别为1702淤a和1806MPa。单根钢绞线索体中钢绞线的根数从1根、2根、3根直至127根。单根钢绞线拉索的公称破断力可达3007Nk。
(4)钢棒索体(钢拉杆)。以上三种材料制成的拉索是柔性体,刚度很小,可承受很大的拉力,不能承受压力。在预应力钢结构中有些部位需要刚度大的拉索,有的要承受压应力,因此出现了钢棒拉索(钢拉杆)。钢拉杆是用合金结构钢或不锈钢的圆钢作原料,执行GBT/20934《钢拉杆》和GB/T1220
《不锈钢棒》标准。其直径从21一20。,强度级别为505~1008MPa。
(5)其他材料索体。其他材料是指在标准编写期间,以前用过但用量很少的、国际上在使用且有发展前景的材料。这些材料有锌铝合金涂层(Glafan)钢丝、铝包钢绞线、密封钢丝绳、碳纤维等。特别是锌铝合金涂层(Glafan)钢丝,它在建筑行业称为高钒(音译)钢丝。由于这种钢丝有良好的耐腐蚀性,可制成无护层的拉索,大幅度降低拉索的制造成本,因此近年其应用得到快速发展。
5结语
2012年,党的“十八大”提出要把我国建成小康社会、要大力发展中、西部地区经济,可以预见今后十年我国经济仍将保持高速发展的态势。拉动经济发展仍要靠大量基础建设的投入,过剩的钢铁产能有待消化,乡村城镇化建设,将会修建建许多高速公路、高速铁路、大型铁路(航空)枢纽、大型商场及娱乐场所、大型体育(展、博)场馆等,节材、绿色、环保的预应力钢结构、预应力混凝土结构就有了用武之地〔7一81。
今后十年、预应力钢结构除现有各种结构形式进一步完善和提高外,杂交预应力钢结构将得到发展和应用。如单向张弦梁~双向张弦梁一三向张弦梁~弦支弯顶;索单元作为活力单元与钢结构、混凝土结构、复合木结构等结合使用;高效率的索弯顶结构将得到应用。预应力钢结构的张力结构是结构美与张力索的力度美的结合体图。
碳纤维、高强不锈钢索材、防腐性能良好的合全涂层(Galfan)索材、环氧涂层钢丝和钢绞线、多丝大直径高强度的预应力钢绞线、密封钢丝绳等新型索体材料将得到进一步研发和应用。近年来,高强度、重量轻、无磁、强耐腐蚀性的碳纤维索的发展势头迅猛,值得关注。
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