索在预应力钢结构设计方法探讨

【摘要】计算机技术的飞速发展和结构分析理论的不断深入，为研究和发展结构分析设计方法提供了现实条件和理论基础，使人们对钢结构分析理论和设计方法的理解和应用也更加深入。文中主要阐述了预应力钢结构中索的应用。

【关键词】预应力；钢结构；索

一、预应力钢结构的常用的布索方式：

1.1横架的形式取决于跨度、荷载及功能的要求外，还要考虑预应力的经济效益和工艺可能，一般单跨时采用平行弦精架，制造安装方便（图1 a，b，c，d，e），或采用坡面横架便于排水和施加预应力（图1 g，h，i），跨度较大时采用弧形横架（图1 j），内力分布合理。预应力索的布置有两种方案，一是局部布索，拉索位于个别杆件上（图1 a，d），预应力只影响布索杆件；二是整体布索，它由分为廊内布索（图1 b，h）和廊外布索（图1 c）两种，张拉钢索时对横架大部分杆件卸载，对小部分杆件增载。局部布索效果明确，杆件可在工厂预制，工地装配，但锚头增多，节点构造复杂等原因使横架整体经济效益不高。所以只有当跨度大，荷载重时采用局部布索才是合理的。整体布索时大部分杆件卸载，预应力工艺简捷，用料少，所以经济效益比局部布索要好。但它仍对部分杆件增载，所以整体布索方案与横架形式的选择会直接影响横架的总体经济效益。廊外布索可以增加预应力的力度和效果，在净空允许条件下不失为可供选择的良好方案。局部布索时一般将索布于受拉杆身，如悬臂横架位于上弦（图1 k），简支横架位于下弦。跨度大、荷载重时可以重叠布索（图1 e）以节约索材。连续横架布索一般位于受拉弦杆（图1 f），也可采用整体布索来改善较多杆件的受力条件（图1 I）。如果条件合适可以采用多次施加预应力方案，经济效益要比单次施加预应力高10%左右。

图1预应力横架形式

1.2空间结构

空间结构由于结构形式的千变万化，可以采用的施加预应力的方式更加变化多样，下面只列出是比较典型的对网架和网壳施加预应力的两种方式，如图2。

图2预应力空间结构

二、索析架分析法

预应力钢结构目前所采用的设计方法如上所述， 本文将提供一种新的预应力钢结构的分析方法一索析架分析法， 该方法将预应力钢结构视为索析架结构， 预应力索（ 直线、折线或曲线）被视为索析架的拉杆， 钢析架被视为索析架的压杆，基于结构在塑性极限平衡条件下进行分析， 预应力索承担的荷载按索的特性构造确定， 钢析架承担的荷载按析架截面构造计算， 预应力索和钢析架组合后按两个结构的连接条件进行协调。预应力索结构分担的荷载与施加预应力的阶段、朽架结构的高度及永久荷载与可变荷载的大小有关。通常考虑预应力索分担全部永久荷载加3 0 %―7 0% 可变荷载， 其余荷载由钢彬架承担。对单一构件（ 如析架、钢栈桥、实腹式钢梁） 可取小值， 对网架结构可取较大值。按网架结构的预应力钠筋布置方式， 预应力索结构分担的荷载只考虑预应力索对应的网架结构。上弦一个节间的荷载， 永久荷载和可变荷载的组合按上述比例取值。

三、计算实例

网架平面尺寸为30×30m， 网格尺寸为3×3m， 采用钢筋混凝土屋面板， 作用在网架结构上的恒载标准值为2.8kN/m2， 活载标准值为0.7kN/m2， 网架为周边支承。现说明采用索析架结构分析方法的计算过程。

当按非预应力网架结构设计时， 网架的高度应取L/12=2.5m，网架最大弦杆截面为 159×6， 网架用钢量为27.2kg/m2（不含网架支座和支托用钢量）。

采用预应力网架结构， 预应力钢筋的布置如图3所示， 在每边下弦中部布置两道预应力钢筋，取网架的高度为L/20=1.5m，预应力索结构分担的设计荷载q=2.8×12+0.5×0.7×1.4=3.85kN/m2（预应力索对应的网架上弦一个节间的荷载， 即3.85×3=11.55kN/m）， 而网架结构在其相应节间上的荷载为0.3×0.7×1.4=0.294kN/m2，其余部为的荷载为2.8×1.2+0.7×1.4=4.34kN/m2。

网架结构计算结果， 网架最大弦杆截面为 159×6，网架用钢量为23.1kg/m2（不含网架支座和支托用钢量）；预应力索结构计算结果， 预应力钢筋（ 15钢纹线） 用钢量1.82kg/m2（不含锚具及连接件）。上述计算结果与按有限元分析方法得到的计算结果是一致（网架杆件作为杆单元， 节点均为铰接， 预应力索为柔性索单元）。

三、结束语

采用预应力网架结构在用网量略有降低、结构造价基本不变的情况下， 可以降低结构高度， 增加建筑空间， 减少维护结构的费用， 预应力钢结构的应用具有一定的发展前景。

参考文献：

[1]李国强，沈祖炎著.钢结构框架体系弹性及弹塑性分析与计算理论[M].上海科学技术出版社，1998

[2]吕志涛主编.现代土木工程的新发展[M].东南大学出版社，1998

[3]陈绍蕃著.钢结构稳定设计指南[M].中国建筑工业出版社，1996

[4]梁启智编著.高层建筑结构分析与设计[M].华南理工大学出版社，1992

[5]李继华等编著.建筑结构概率极限状态设计[M].中国建筑工业出版社，1990