2012 大跨授课文稿7（预悬索屋盖） Word 03 文档

授课文稿7（预应力 悬索屋盖）

第2卷柔性结构 第1篇索结构 第 2 章 预应力钢结构

参考哈建《大跨房屋钢结构》第二版

第2章 预应力钢结构内容：

预应力方面知识已经了解，广泛应用于混凝土结构和钢结构，柔性结构离不开预应力，内容非常丰富。在此仅对预应力作几点提示、简介在大跨钢结构中的应用。 ? 2.1关于预应力的提示 ? 2.2预应力的应用

2.1 关于预应力的提示：

1、预应力为混凝土控制裂缝雪中送碳(钢材替代混凝土抗拉)；

预应力给钢结构锦上添花如虎添翼，形成劲柔杂交结构。“更重要更辉煌” 2、预应力——指结构在无外荷载作用的情况下自身所维持的“平衡受力状态”。 (无外荷载、指结构所有构件内力分布的总体描述、是自平衡体系)

3、预应力实施措施——常用高强钢索通过张拉锚固或调整支座位置(对超静定结构)等方法实施。

（预应力混凝土结构采用电热法，使钢筋伸长后锚固，锚固后冷却实施预应力“热伸锚冷”）。

4、预应力产生根源——“缺陷长度”与“强迫就位”所致 (张拉锚固、热伸锚冷、支座位移) 。

（非线性有限元对构件实施预应力可通过施加负“应变”或“降温”等手段实施）。 5、预应力作用：

可改变结构体系内力分布，降低内力峰值。 可使柔性结构刚化、定形，保形状增刚度。

6、预应力施加特点：

预应力可分级施加，可多次重复施加。 预应力施加可与结构承载任意组合。

7、预应力效应与外荷载作用效应

预应力态专门分析预应力效应。（施工阶段） 荷载态两类效应同时存在。（使用阶段） 构件验算预应力效应按永久作用效应考虑。

8、预应力钢结构充分利用高强度钢的抗拉强度，“材尽其用”。

预应力钢结构通过知识分子的劳动节省钢材，“才尽其用”- - -“节约物质资源”。

2.2 预应力的应用

预应力可用于各类钢结构---劲性结构、柔性结构、平面结构、空间结构、杂交结构。

在此只介绍预应力在劲性平面结构中的应用。

1

一、预应力拉杆 构造见图1-8→

零状态-预应力态-荷载态预应力—普钢钢管与高钢拉杆组成平衡力系。形心

? 预应力拉杆应用： 用于大跨桁架下弦→

? 效果——省钢 对单杆省40~50% 对整桁省 8~10% ? 注意：下弦施加预应力，其他杆件相应产生平衡内力。

二、预应力桁架(受弯矩M的格构梁)

? 对整个桁架 配置预应力 ? 预应力态—桁架整体反弯。

? 构造方法：见下图-哈[P7图1-10] ? 预应力桁架

构造方法 预应力配置原则：M预= - Ms

使预应力的弯矩M预与荷载引起的弯矩Ms反向。 见图1-10→

预应力桁架图b)完善发展成“张弦桁架”，在大跨结构中得到广泛应用。详见第3卷

三、预应力框架

1、框架的立柱和横梁均受M、N，对M?a可通过配置预应力，调整弯矩M。

2、调整弯矩M预应力配置原则： M预= - Ms 使预应力的弯矩M预与荷载引起的弯矩Ms反向 甚至加大M预，使横梁反弯成拱—即“预应力拱架” 构造方法见下图-哈[图1-27]

3、预应力框架 构造方法→预应力框架的不断完善，发展出一种“预应力拱架”在大跨结构中得到较好应用。澳大利亚专利。详见第3卷。

四、 预应力拱 ? 设拉杆

拱属推力体系。支座间设拉杆——承受推力，对基础卸荷。

再施加预拉力——可 抵消拱承载后的弯矩或 减少支座位移。见图1-38 ? 理念复习题： 1.预应力的概念?

2.预应力对钢结构的作用? 3.对钢结构配置预应力的原则? ? 实践练习题: 1. 续作《大跨钢结构课作业题》5。

? 第3章 悬索屋盖结构内容：

3.1悬索屋盖的基本构成 3.2悬索屋盖的结构形式 3.3悬索屋盖的发展应用

3.4悬索屋盖结构设计与分析 3.5悬索屋盖节点设计与构造 3.6悬索屋盖结构施工要点

3.1 悬索屋盖的基本构成

? 悬索结构——由一系列作为主要承重构件的悬挂拉索按一定规律布置而组成的结构体

2

系。

? 悬索结构按体系可细分为：单层索系（单索和索网）、双层索系（索桁架）、横向加劲索系。

? 悬索屋盖——指的是以悬索为主要承重构件的屋盖。

悬索屋盖由屋面系统、索系统、支承系统构成。

? 屋面系统——由檩条、屋面板、吊顶等构件组成，形成保温、隔热、防水等维护功能。 ? 索系统——形成屋面、承担屋面荷载并将荷载传至下部支承结构。索系统即悬索结构。 ? 支承系统——由边梁(桁架)、横梁、立柱或拱等构件构成，承受索传来的荷载，并将荷载传至基础。

3.2 悬索屋盖的结构形式

三种悬索结构体系构成四种悬索屋盖： ? 单索屋盖； ? 索网屋盖；

? 双层索系屋盖（索桁架）； ? 横向加劲索系屋盖。

- - - - - -简单认识 ，见图。

一、单索屋盖——见图3.1.3 二、索网屋盖——见图3.1.4

三、双层索系屋盖——见图3.1.5 四、横向加劲索系屋盖——见图3.1.6

3.3 悬索屋盖的发展应用

悬索结构——最古老的结构形式之一。

? 球类馆如蜗牛形。两馆均采用悬索结构。

我国随后相继建成：

索结构必将快速发展

3.4 悬索屋盖结构设计与分析

? 在索结构概论 1.7 节中所述的索结构选型原则、索结构方案设计和索结构设计分析对

悬索屋盖结构均适用。

针对悬索屋盖再补充两点： ? 悬索屋盖结构选型； ? 悬索屋盖结构设计。

一、悬索屋盖结构选型

悬索屋盖结构形式有4种。 1、单索屋盖

单索的布置方式与建筑平面形状紧密相关。

? 当平面为矩形或多边形时，可将拉索平行布置构成单曲下凹屋面，图3.1.3(a)。 ? 当平面为圆形时，拉索可以按辐射状布置构成碟形屋面，中心宜设置受拉环，图3.1.3(b)。

? 当平面为圆形并允许在中心设置立柱时，拉索可按辐射状布置构成伞形屋面，图

3

3.1.3(c)。

? 图3.1.3 单索

? 单索只有承重索，单索的形状稳定性不好，易在不对称荷载下产生机构性位移，抗负风

压的能力也很差。

? 单索屋盖宜采用重型屋面。

? 采用重型屋面是解决形状稳定性不好问题的一个途径。

2、索网屋盖

? 索网由相互正交和曲率相反的承重索和稳定索组成，形成负高斯曲率的曲面。

? 索网屋盖结构构成：下垂的承重索（主索）、上拱的稳定索（副索）以及强大的边缘构件。——与“网球拍”相似。

? 在施加一定的预应力后，索网可以具有很大的刚度，索网的形状稳定性比单索好。 ? 索网屋盖宜采用轻型屋面。

? 索网屋盖，平面形状可为方形、矩形、多边形、菱形、圆形、椭圆形等。索网见图3.1.4

3、双层索系屋盖 （索桁架屋盖）

? 双层索系的承重索与稳定索可采用不同的组合方式，两索之间应分别以受压撑杆或拉索相联系。

? 双层索系的承重索、稳定索、受压撑杆和拉索一般布置在同一竖向平面内。由于其外形及受力特点与传统的“平面桁架”很相似——又被称为“索桁架”。 ? 双层索系的布置方式取决于建筑平面：

? 当平面为矩形或多边形时，承重索与稳定索宜平行布置，构成索桁架形式的双层索系，图3.1.5(a)；

? 当平面为圆形时，承重索与稳定索宜按辐射状布置，中心宜设置受拉环，图3.1.5(b)。 图3.1.5 双层索系结构

? 在施加预应力后，稳定索可以和承重索一起抵抗竖向荷载作用，从而使体系的刚度得到加强。

? 双层索系具有良好的形状稳定性，宜采用轻型屋面。

4、横向加劲索系屋盖

? 单索形状稳定性不好，设置横向加劲构件是改善单索工作性能的一种方法。横向加劲构件可采用梁或桁架，它们与索垂直相交并设置于索上。 ? 横向加劲索系见图3.1.6 图3.1.6 横向加劲索系

? 开始安装时，横向加劲构件两端的支座与支承之间空开一段距离，然后对两端支座下压而产生强迫位移，从而在结构中建立预应力。这时横向加劲构件呈反拱状态，承受的是负弯矩。结构承受荷载后，跨中挠度逐步增加，横向加劲构件也转而承受正弯矩。 ? 实践表明，通过下压支座建立预应力，使横向加劲构件与索共同受力，大大增加了屋盖结构的刚度，尤其是在承受不均匀分布荷载时，横向加劲构件能有效地分担和传递荷载。

? 当平面形状为方形、矩形或多边形时，拉索应按纵向平行布置。此时，横向加劲索系是一种很优越的结构体系。 “优越”——因为实质上是劲柔构件杂交体系。 ? 横向加劲索系屋盖宜采用轻型屋面。

二、悬索屋盖结构设计

? 对于悬索结构，索的垂度与跨度之比“垂跨比”是十分重要的参数。在同等条件下，“垂

4

跨比”越小，结构的形状稳定性及刚度越差，索的拉力也越大；反之，结构性态得以改善，但结构所占空间有所加大。

? 《索规》对悬索结构的“垂跨比”等指标的范围作出明确规定，结构设计时应遵守。 ? 具体规定见《索规》3.2.5~3.2.8 （自阅）

5、悬索屋盖结构变形控制

正常使用极限状态，对承重索跨中竖向位移应作限制： “索规” 3.2.13 对悬索结构规定如下：

? 单索屋盖最大挠度与跨度之比自初始几何状态之后不宜大于 1/200；

? 索网、双层索系及横向加劲索系屋盖最大挠度与跨度之比自初始预应力状态之后不宜大于 1/250。

3.5 悬索屋盖节点设计与构造（要搞清楚、完成作业）

一、悬索屋盖节点设计原则与内容

1、原则应符合索结构节点设计一般规定。 2、悬索屋盖节点设计内容应包括： ? 索与索的连接、

? 索与刚性构件的连接、 ? 索与支承构件连接、

? 索与混凝土屋面板的连接、 ? 索与钢檩条的连接 ? 索的锚锭。

二、悬索屋盖节点构造

1、索与索的连接（搞清楚、能绘图表示） ? 双向拉索的U形夹具连接 图6.2.1-1(a) ? 双向拉索的螺栓夹具连接 图6.2.1-1(b) ? 拉索与柔性边索的连接 图6.2.1-2

? 在同一平面内不同方向多根拉索之间可采用连接板连接：见图 6.2.2 在构造上应使拉索轴线汇交于一点，避免连接板偏心受力。

2、索与刚性构件的连接（搞清楚、能绘图表示）

? 横向加劲索系的拉索与作为横向加劲构件的桁架下弦的连接，可采用U形夹具，在构造上应满足桁架下弦与索之间可以产生转角位移但不可产生相对线位移的要求。图6.3.1 拉索与桁架下弦的连接

3、索与支承构件连接、（锚固节点）

? 拉索的锚固节点应采取可靠、有效的构造措施，保证传力可靠、减少预应力损失及施工便利；应保证锚固区的局部强度及刚度。

? 拉索与钢筋混凝土支承构件的连接宜通过预埋钢管或预埋锚栓将拉索锚固；见示例。拉索与钢筋混凝土支承结构的锚固连接形式。（搞清楚、能绘图表示）

? 拉索与钢支承构件的连接宜通过加劲钢板将拉索锚固，通过端部的螺母与螺杆调整拉索拉力。

4、索与混凝土屋面板连接

? 拉索与钢筋混凝土屋面板的连接宜采用连接板或钢筋钩连接，6.5.1-1(a) 为连接板连接，图6.5.1-1(b) 钢筋钩连接。（搞清楚、能绘图表示） 5、索与钢檩条的连接

? 拉索与屋面钢檩条的连接宜采用夹具或螺栓夹具连接， 6.5.1-2(a) U形夹具连接，图6.5.1-2(b) 螺栓夹具连接。（搞清楚、能绘图表示） 6、索的锚锭（索与大地连接）

5

? 拉索的锚锭系统应根据具体情况采用重力锚、盘型锚、蘑菇形锚、或摩擦桩、拉力桩、

阻力墙等类型。图6.6.1

3.6 悬索屋盖结构施工要点

一、 索结构施工特点：

?

不需大型吊装设备、不需大量脚手架、速度快周期短，综合施工费用经济。

? 需特别注意：悬索结构的施工与设计联系密不可分。设计时必须预先考虑施工的步骤，尤其张拉预应力和安装铺设屋面的步骤。

? 实际施工时必须严格按照规定的步骤进行，施工人员必须清楚了解设计人员的意图，设计人员必须做好透彻的技术交底，并在关键阶段亲临现场监督。

二、悬索屋盖结构施工程序 1、支承结构的施工； 2、索的制作；

3、索的安装：先安装承重索，后安装稳定索； 4、张拉及索力调整：

? 张拉采用专门的千斤顶，操作方便，易于控制拉力的大小。

? 张拉应遵循分阶段、分级、对称、缓慢匀速、同步加载的原则，并根据结构和材料特点确定超张拉的要求。

? 张拉前应确定以索力控制为主或结构位移控制为主的原则。 - - - - - -具体参见《索规》7.4。

6

? 拉索的锚锭系统应根据具体情况采用重力锚、盘型锚、蘑菇形锚、或摩擦桩、拉力桩、

阻力墙等类型。图6.6.1

3.6 悬索屋盖结构施工要点

一、 索结构施工特点：

?

不需大型吊装设备、不需大量脚手架、速度快周期短，综合施工费用经济。

? 需特别注意：悬索结构的施工与设计联系密不可分。设计时必须预先考虑施工的步骤，尤其张拉预应力和安装铺设屋面的步骤。

? 实际施工时必须严格按照规定的步骤进行，施工人员必须清楚了解设计人员的意图，设计人员必须做好透彻的技术交底，并在关键阶段亲临现场监督。

二、悬索屋盖结构施工程序 1、支承结构的施工； 2、索的制作；

3、索的安装：先安装承重索，后安装稳定索； 4、张拉及索力调整：

? 张拉采用专门的千斤顶，操作方便，易于控制拉力的大小。

? 张拉应遵循分阶段、分级、对称、缓慢匀速、同步加载的原则，并根据结构和材料特点确定超张拉的要求。

? 张拉前应确定以索力控制为主或结构位移控制为主的原则。 - - - - - -具体参见《索规》7.4。

6

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/kq3f.html