在預應力方面的幾點看法

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 一、預應力對柱支承球面扁網(wǎng)殼穩(wěn)定的作用 
    鋼扁網(wǎng)殼很多采用柱作支承。當柱間跨度較大時，為控制結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下的變形和減小扁網(wǎng)殼支座的水平推力，一般采取以下措施：1）設(shè)置較大的鋼或鋼筋混凝土邊緣構(gòu)件（邊梁、邊桁架）；2）在外加邊緣構(gòu)件的體內(nèi)或體外施加預應力，以協(xié)調(diào)扁網(wǎng)殼與邊緣構(gòu)件的變形，減小邊緣構(gòu)件的斷面尺寸；3）沿扁網(wǎng)殼周邊拉力環(huán)域施加適當預應力，為了簡單有時也直接在扁網(wǎng)殼相鄰支座之間布索，相對而言第3種方法比較經(jīng)濟。
    預應力扁網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的分析以前都采用線彈性方法。四川省攀枝花市體育館的結(jié)構(gòu)設(shè)計，其屋蓋為8柱支承周邊懸挑的預應力球面扁網(wǎng)殼。比較設(shè)計表明預應力的施加能夠有效控制結(jié)構(gòu)的變形，并降低用鋼量。 
    在沿扁網(wǎng)殼周邊引入預應力的過程中結(jié)構(gòu)要產(chǎn)生變形，線彈性分析不能考慮這一因素，所得結(jié)論具有局限性。通常的預應力設(shè)計可以適當提高柱支扁網(wǎng)殼的屈曲荷載，但提高的幅度很有限。當預應力相同時沿拉力環(huán)域布索的屈曲荷載提高幅度比在扁網(wǎng)殼支座間布索大。預應力沒有改變結(jié)構(gòu)的屈曲特征，對荷載-位移平衡路徑的影響也有限。要較大幅度地提高結(jié)構(gòu)的屈曲荷載只能采取其它途徑。 
    二、張力松弛法在預應力空間結(jié)構(gòu)中的應用 
    張力松弛法是針對預應力空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工張力控制值計算問題而研究出的一種力學分析方法。這種方法不僅能計算索的張力施工控制值，而且能計算結(jié)構(gòu)中所有構(gòu)件在張拉施工任一階段時的內(nèi)力、節(jié)點變位。當采用分組分批張拉施工方法時，每批索只要一次張拉到計算所得的張力施工控制值即可，當最后一批索張拉完畢，所有組索的實際內(nèi)力將達到它們各自的張力設(shè)計值。這樣，目前通常所采用的分階段分組分批張拉，逐階段張力調(diào)整的施工方法將得以改善，張拉施工的工作效率將大大提高，施工成本大大降低。 
    解決的問題包括： 
    （1）計算結(jié)構(gòu)中各構(gòu)件在索張拉施工每一階段時的實際內(nèi)力，包括在索張拉全部完成時各構(gòu)件的最終實際內(nèi)力；（過程內(nèi)力計算）
    （2）依據(jù)索張力設(shè)計值，根據(jù)張拉的實際情況，計算張拉各階段中索的張力施工控制值，以使張拉工作全部完成時，各組索的實際內(nèi)力恰好等于其張力設(shè)計值。（以結(jié)果內(nèi)力為目標反推算過程內(nèi)力）
    該方法還可用于預應力空間結(jié)構(gòu)設(shè)計，進行合理布索與結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析。 
    預應力空間結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點在于：增加結(jié)構(gòu)的整體剛度和提高結(jié)構(gòu)的承載力；減輕結(jié)構(gòu)的重量；優(yōu)化結(jié)構(gòu)的空間利用并使結(jié)構(gòu)更美觀。結(jié)構(gòu)中的索若采用整體張拉方法則施工費用相當高昂；若采用分組分批張拉、逐步調(diào)整張力的施工方法，工藝簡單且易于操作，但施工的張力調(diào)整工作相當麻煩費時且費用亦較高且必須考慮以下問題： 
    （1）分批張拉時，后批索張拉必然會造成前面所有批索實際張力發(fā)生改變，這種變化既不是純粹的遞增關(guān)系也不是純粹的遞減關(guān)系，但這種變化并不是沒有規(guī)律的。
    （2）當最后一批索張拉完畢時，除最后一批索外，所有的索的實際內(nèi)力值均不是施工時的張力控制值，即：幾乎所有的索由于張拉施工的原因，其初始內(nèi)力都發(fā)生了變化。
    預應力空間結(jié)構(gòu)中有許多與剛性構(gòu)件相連接的索，這些索分成若干個組，其中每組索包含同時張拉施工的索，各組索的劃分應根據(jù)結(jié)構(gòu)索的分布情況以及施工的實際情況而定。 
    幾點張力松弛法的結(jié)論： 
    （1）張力松弛法主要應用于帶有施加預應力加強索的空間結(jié)構(gòu)受力分析，可應用于張力施工控制值的計算，也可應用于張拉施工過程各階段中各索及桿件的實際內(nèi)力值的計算。同時，還能計算結(jié)構(gòu)中所有構(gòu)件在張拉施工任一階段時的內(nèi)力與節(jié)點變位。
    （2）各組索的張力施工控制值均是針對某一特定張拉施工順序的，施工時的張拉順序不同，則計算所得的張力施工控制值也不同。本方法的計算結(jié)果應用于分組分批張拉施工時，必須按照計算時設(shè)定的施工張拉順序進行，否則最后的結(jié)果是錯誤的。每批索只要一次張拉到計算所得的相應的張力施工控制值即可，當最后一批索張拉完畢，所有組索的實際內(nèi)力將達到它們各自的張力設(shè)計值。
    （3）該方法還可用于預應力空間結(jié)構(gòu)設(shè)計，進行合理布索與結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析。
    （4）張力松弛法是一種實用的、非常高效率的分析方法。
    （5）張力松弛法可以推廣應用到任何形狀的預應力空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，無論結(jié)構(gòu)中各根索的張力設(shè)計值相同或不相同。
    三、張弦梁結(jié)構(gòu)中的預應力作用 
    張弦梁結(jié)構(gòu)是通過撐桿連接梁（拱）和索而形成的一種新型雜交結(jié)構(gòu)形式，通過對下弦索施加預應力可以使結(jié)構(gòu)形成整體共同參加工作。下弦索的預應力，通過撐桿使梁產(chǎn)生與使用荷載作用時相反的位移，從而部分抵消了外荷載的作用；聯(lián)系索與梁之間的撐桿對于上弦梁起到了彈性支撐的作用，可以減小上弦梁的彎矩；同時，下弦索負擔外荷載對上弦梁產(chǎn)生的外推力，從而不會對邊緣構(gòu)件產(chǎn)生水平推力，整體結(jié)構(gòu)形成自平衡體系。
    通常認為隨著預應力的增大，結(jié)構(gòu)的變形將減??；已有的一些對張弦梁結(jié)構(gòu)的研究工作也得出類似結(jié)論，認為增大預應力可以有效的減小變形和上弦梁的正應力，有益于結(jié)構(gòu)性能的改善。但是，分析該結(jié)構(gòu)，必須區(qū)分其在施加預應力前后的狀態(tài)，即零狀態(tài)和初始態(tài)，本文定義零狀態(tài)為體系在無自重、無預應力作用時的放樣狀態(tài)；初始態(tài)為體系在自重和預應力作用下的自平衡狀態(tài)。為求解零狀態(tài)幾何參數(shù)和初始態(tài)預應力分布提出了逆迭代法，但是無法在此基礎(chǔ)上連續(xù)進行承受外荷載作用下的分析。因而以往的一些對張弦梁結(jié)構(gòu)力學性能的研究并未區(qū)分這兩種狀態(tài)，同時對預應力張拉過程中的位移（初始態(tài)位移）和承受使用荷載作用下的位移（荷載態(tài)位移）也未區(qū)分，這就可能造成對該結(jié)構(gòu)力學性能的誤識。 
    可以說，預應力的增大對于張弦梁結(jié)構(gòu)位移的影響是很小的，尤其對豎向位移而言，更是微乎其微；在大跨度的情況下，由于僅僅依靠上弦梁的剛度是不足以抵抗結(jié)構(gòu)自重和外荷載的，所以要通過預應力這個媒介，使梁、索、桿形成整體參與工作，從而使結(jié)構(gòu)的整體剛度大大增加；但是單就預應力本身來講，它的增大導致所有內(nèi)力項都增大，但并不能有效地增加結(jié)構(gòu)的剛度，所以預應力所起的作用主要就是使屋架形成整體結(jié)構(gòu)。
    就預應力對張弦梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響來看，預應力的增大會導致結(jié)構(gòu)所有內(nèi)力項都相應增大，對于上弦梁的主要內(nèi)力項彎矩的影響尤為顯著，這是不利于結(jié)構(gòu)受力性能的改善的。所以，在實際工程中預應力的取值必須合理，該取值范圍應當是在使結(jié)構(gòu)形成整體的時候，初始態(tài)至荷載狀態(tài)的過程中，應盡可能地減小上弦梁的彎矩和軸力。 
    四、大跨度預應力張弦鋼管桁架的應用 
    張弦梁結(jié)構(gòu)是最近幾年發(fā)展起來的一種新型的大跨度鋼結(jié)構(gòu)，隨著現(xiàn)代建筑美學的發(fā)展和使用功能的要求，現(xiàn)在的結(jié)構(gòu)物跨度越來越大。對于大跨度或較大跨度的結(jié)構(gòu)物大多采用鋼結(jié)構(gòu)，當然也有用“膜”完成的，但充氣膜由于一些缺點近年來很少用，張力膜則也需要鋼索和鋼桿的支撐。大跨度鋼結(jié)構(gòu)多用于多功能體育場館、會議展覽中心、博覽館、候機廳、飛機庫等。 
    預應力鋼結(jié)構(gòu)因其良好的受力性能和廣闊的應用前景已經(jīng)越來越得到人們重視。張弦梁結(jié)構(gòu)由弦、撐桿和壓彎構(gòu)件組合而成的新型自平衡體系。它充分利用高強索的強抗拉性改善了整體結(jié)構(gòu)受力性能，成為受力合理、制造運輸方便、施工簡單的自平衡體系，是具有良好應用價值和前景的新型結(jié)構(gòu)形式。 
    我國大跨度張弦梁結(jié)構(gòu)剛剛開始采用。其代表性工程為已經(jīng)建成使用的上海浦東國際機場航站樓鋼屋架和正在建設(shè)中的廣州國際會議展覽中心展覽大廳鋼屋架。 
    預應力張弦桁架結(jié)構(gòu)受力明確、合理，剛度大、重量輕、桿件類型少、制作安裝方便，能夠達到很大的跨度。