在預(yù)應(yīng)力方面的幾點(diǎn)看法

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 一、預(yù)應(yīng)力對(duì)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(dāng)柱間跨度較大時(shí)，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(yù)應(yīng)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(dāng)預(yù)應(yīng)力，為了簡(jiǎn)單有時(shí)也直接在扁網(wǎng)殼相鄰支座之間布索，相對(duì)而言第3種方法比較經(jīng)濟(jì)。
    預(yù)應(yīng)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(jì)，其屋蓋為8柱支承周邊懸挑的預(yù)應(yīng)力球面扁網(wǎng)殼。比較設(shè)計(jì)表明預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)可以適當(dāng)提高柱支扁網(wǎng)殼的屈曲荷載，但提高的幅度很有限。當(dāng)預(yù)應(yīng)力相同時(shí)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(yù)應(yīng)力沒有改變結(jié)構(gòu)的屈曲特征，對(duì)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(yù)應(yīng)力空間結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用 
    張力松弛法是針對(duì)預(yù)應(yīng)力空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工張力控制值計(jì)算問題而研究出的一種力學(xué)分析方法。這種方法不僅能計(jì)算索的張力施工控制值，而且能計(jì)算結(jié)構(gòu)中所有構(gòu)件在張拉施工任一階段時(shí)的內(nèi)力、節(jié)點(diǎn)變位。當(dāng)采用分組分批張拉施工方法時(shí)，每批索只要一次張拉到計(jì)算所得的張力施工控制值即可，當(dāng)最后一批索張拉完畢，所有組索的實(shí)際內(nèi)力將達(dá)到它們各自的張力設(shè)計(jì)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(jì)算結(jié)構(gòu)中各構(gòu)件在索張拉施工每一階段時(shí)的實(shí)際內(nèi)力，包括在索張拉全部完成時(shí)各構(gòu)件的最終實(shí)際內(nèi)力；（過程內(nèi)力計(jì)算）
    （2）依據(jù)索張力設(shè)計(jì)值，根據(jù)張拉的實(shí)際情況，計(jì)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(shí)，各組索的實(shí)際內(nèi)力恰好等于其張力設(shè)計(jì)值。（以結(jié)果內(nèi)力為目標(biāo)反推算過程內(nèi)力）
    該方法還可用于預(yù)應(yīng)力空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)行合理布索與結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析。 
    預(yù)應(yīng)力空間結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)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(fèi)用相當(dāng)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(jiǎn)單且易于操作，但施工的張力調(diào)整工作相當(dāng)麻煩費(fèi)時(shí)且費(fèi)用亦較高且必須考慮以下問題： 
    （1）分批張拉時(shí)，后批索張拉必然會(huì)造成前面所有批索實(shí)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(dāng)最后一批索張拉完畢時(shí)，除最后一批索外，所有的索的實(shí)際內(nèi)力值均不是施工時(shí)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(yù)應(yīng)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(gè)組，其中每組索包含同時(shí)張拉施工的索，各組索的劃分應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)索的分布情況以及施工的實(shí)際情況而定。 
    幾點(diǎn)張力松弛法的結(jié)論： 
    （1）張力松弛法主要應(yīng)用于帶有施加預(yù)應(yīng)力加強(qiáng)索的空間結(jié)構(gòu)受力分析，可應(yīng)用于張力施工控制值的計(jì)算，也可應(yīng)用于張拉施工過程各階段中各索及桿件的實(shí)際內(nèi)力值的計(jì)算。同時(shí)，還能計(jì)算結(jié)構(gòu)中所有構(gòu)件在張拉施工任一階段時(shí)的內(nèi)力與節(jié)點(diǎn)變位。
    （2）各組索的張力施工控制值均是針對(duì)某一特定張拉施工順序的，施工時(shí)的張拉順序不同，則計(jì)算所得的張力施工控制值也不同。本方法的計(jì)算結(jié)果應(yīng)用于分組分批張拉施工時(shí)，必須按照計(jì)算時(shí)設(shè)定的施工張拉順序進(jìn)行，否則最后的結(jié)果是錯(cuò)誤的。每批索只要一次張拉到計(jì)算所得的相應(yīng)的張力施工控制值即可，當(dāng)最后一批索張拉完畢，所有組索的實(shí)際內(nèi)力將達(dá)到它們各自的張力設(shè)計(jì)值。
    （3）該方法還可用于預(yù)應(yīng)力空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)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(shí)用的、非常高效率的分析方法。
    （5）張力松弛法可以推廣應(yīng)用到任何形狀的預(yù)應(yīng)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(jì)值相同或不相同。
    三、張弦梁結(jié)構(gòu)中的預(yù)應(yīng)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(duì)下弦索施加預(yù)應(yīng)力可以使結(jié)構(gòu)形成整體共同參加工作。下弦索的預(yù)應(yīng)力，通過撐桿使梁產(chǎn)生與使用荷載作用時(shí)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(duì)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(shí)，下弦索負(fù)擔(dān)外荷載對(duì)上弦梁產(chǎn)生的外推力，從而不會(huì)對(duì)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(rèn)為隨著預(yù)應(yīng)力的增大，結(jié)構(gòu)的變形將減??；已有的一些對(duì)張弦梁結(jié)構(gòu)的研究工作也得出類似結(jié)論，認(rèn)為增大預(yù)應(yīng)力可以有效的減小變形和上弦梁的正應(yīng)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(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力作用時(shí)的放樣狀態(tài)；初始態(tài)為體系在自重和預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力分布提出了逆迭代法，但是無法在此基礎(chǔ)上連續(xù)進(jìn)行承受外荷載作用下的分析。因而以往的一些對(duì)張弦梁結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的研究并未區(qū)分這兩種狀態(tài)，同時(shí)對(duì)預(yù)應(yīng)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(duì)該結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的誤識(shí)。 
    可以說，預(yù)應(yīng)力的增大對(duì)于張弦梁結(jié)構(gòu)位移的影響是很小的，尤其對(duì)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(yù)應(yīng)力這個(gè)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(yù)應(yīng)力本身來講，它的增大導(dǎo)致所有內(nèi)力項(xiàng)都增大，但并不能有效地增加結(jié)構(gòu)的剛度，所以預(yù)應(yīng)力所起的作用主要就是使屋架形成整體結(jié)構(gòu)。
    就預(yù)應(yīng)力對(duì)張弦梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響來看，預(yù)應(yīng)力的增大會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)所有內(nèi)力項(xiàng)都相應(yīng)增大，對(duì)于上弦梁的主要內(nèi)力項(xiàng)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(shí)際工程中預(yù)應(yīng)力的取值必須合理，該取值范圍應(yīng)當(dāng)是在使結(jié)構(gòu)形成整體的時(shí)候，初始態(tài)至荷載狀態(tài)的過程中，應(yīng)盡可能地減小上弦梁的彎矩和軸力。 
    四、大跨度預(yù)應(yīng)力張弦鋼管桁架的應(yīng)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(xué)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(duì)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(dāng)然也有用“膜”完成的，但充氣膜由于一些缺點(diǎn)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(chǎng)館、會(huì)議展覽中心、博覽館、候機(jī)廳、飛機(jī)庫(kù)等。 
    預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)因其良好的受力性能和廣闊的應(yīng)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(qiáng)索的強(qiáng)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(yùn)輸方便、施工簡(jiǎn)單的自平衡體系，是具有良好應(yīng)用價(jià)值和前景的新型結(jié)構(gòu)形式。 
    我國(guó)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(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓鋼屋架和正在建設(shè)中的廣州國(guó)際會(huì)議展覽中心展覽大廳鋼屋架。 
    預(yù)應(yīng)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(dá)到很大的跨度。