预应力网壳结构的工程应用特点

【摘 要】随着投资者对经济效益最大的追求,预应力网壳结构在大跨度空间结构中满足了节约钢材、施工方便及建筑造型美观等各项要求.

【关 键 词】预应力钢结构；网壳结构；工程应用；特点

一、前言

网壳结构是具有曲面形状并具有壳体的结构特征的空间网格结构即为网状的壳体结构,是格构化的壳体.它是由杆件构成的曲面网格结构,可以看作是曲面状的网架结构.

预应力作为一种技术手段来源于日常生活,并陆续应用于工程中,预应力网壳结构便是其中之一.二十世纪四十年代,美国著名的建筑大师巴克明斯特·富勒（CR.BuckminsterFuller）,从一些自然现象中得到启迪,发现了自然界的“间断压连续拉”的客观规律,将这种规律命名为张拉整体（Tensegrity）[1,2].结构中尽量减少受压状态而使结构处于连续的张力状态,从而使压力成为张力海洋中的孤岛.依据对称性法则,既然宇宙中存在着“间断压连续拉”的原理,就应该存在着“间断拉连续压”的原理.实际上确实也广泛存在着“间断拉连续压”的现象.宇宙的星球就是“间断拉连续压”的最好模型,物质在万有引力的作用下收缩,又由于内部的相互挤压从而形成稳定的结构形态.

二、预应力网壳结构的发展情况

一种结构型式的产生或者被淘汰都存在一定的条件,而使设计能满足当前应用的需要是主要的.早期网壳结构的雏形是钢筋混凝土薄壳,但是钢筋混凝土薄壳施工时需要架设大量模板,工作量很大,施工速度较慢,工程造价高.因而人们对之逐渐丧失兴趣,开始寻求新的结构构造形式.与其他传统结构相类似,预应力网壳结构的发展首先是依赖于实际应用的需要,在一些大空间、大跨度的应用需求下,促进了预应力网壳结构的发展.譬如,体育建筑、会展中心、交通设施以及其他公共建筑的需要.

随着研究开发工作的加强,理论上已取得了一定的进展,基本上满足了工程设计的需要.尤其近年来,我国陆续建成预应力拉索钢网壳结构十余座,建筑面积达400余万平方米[4],建筑造型和结构形式丰富新颖,预应力工艺和布索方式多种多样,预应力技术高科技含量显著,取得了一些国外没有或罕见的科技成果及技术[5].目前,预应力钢结构正在快速发展,其主要趋势是：现代预应力技术的应用已从平面结构拓展到空间结构；单次预应力迈向多次预应力；对结构施加预应力的布索趋于灵活高效化；设计分析借助新理论和计算机更加深入精确化；构件制作趋于工厂定型化；施工装配趋于大型严密化.这些“标志着中国大型建筑结构的设计理论和工程实践已大步进入世界先进技术行列,表明我国预应力钢结构学科的研究、设计和实践水平向更深、更高的方向发展”.

三、预应力网壳结构的工程应用

预应力钢结构自诞生以来,已经走过了50年历程.而在二次大战后经济建设的中空间结构得到很大发展,各种类型的薄壳、折板、悬索、网架、网壳和薄膜等空间结构相继在世界各地问世和兴建.经过20余年的工程实践,各类空间结构都充分显示了自己的优缺点及适用范围,对那些适应工业化批量生产、整体快速施工和经济耐用的结构类型,在工程建设中表现了强大的生命力.

德国工程师施威德勒对网壳的诞生与发展起了关键性的作用,他在钢筋混凝土薄壳的基础上提出了一种新的构造型式,即把弯顶壳面划分为径向的肋和纬向的水平环线,并连接在一起,而且在每个梯形网格内再用斜杆分成两个或四个三角形,这样弯顶表面的内力分布会更加均匀,结构自身重量也会进一步降低,从而可跨越更大的空间.这样的网壳结构即沿某种曲面有规律的布置大致相同的网格或尺寸较小的单元,从而组成空间杆系结构.1863年施威德勒在德国建造的一个设计的30m直径钢穹顶,是作为贮气罐的顶盖之用,由此命名的这种施威德勒形式（我国规程称为肋环斜杆型）的网壳穹顶,至今仍作为球面网壳的一种重要形式.

近年来,由于计算机的迅猛发展使曲面形网壳的设计与制作大为方便,我国也开始了预应力钢结构的研究与发展,兴建了一批有代表性的工程建筑物.如攀枝花市体育馆多次预应力网壳屋盖,北京华北电力调度塔,四川达竹矿多次预应力输煤栈桥等.这些标志着我国大型建筑结构的设计理论和工程研究已大步进入世界先进技术行列,表明我国预应力钢结构学科的研究、设计和实践水平向更深、更高的方向发展.

四、预应力网壳结构的特点

预应力网壳结构是把现代预应力技术应用到网壳中,从而形成一类新型的预应力大跨度空间钢结构体系,这一类结构受力合理、刚度大、自重轻,制作安装也比较方便,在近十多年来得到开发与发展,并受到国内外科技界和工程界的关注和重视,也总结出以下几方面特点：

1、充分利用材料的弹性强度潜力以提高承载能力

普通钢结构杆件的受力过程是从零应力开始（不计自重）,外部荷载作用后杆件开始受力直至应力达到材料的抗拉或抗压极限.杆件承载力大小取决于杆件截面积A与强度极限f的乘积,即F等于A*f.在钢材抗拉与抗压强度相等的条件下,先在受拉杆件中引入最大的预压应力（不计稳定系数时）,然后承受荷载,则其抗拉能力可提高一倍.普通拉杆的承载力F1是从零应力状态开始的,当截面应力达到极限值f后就不再受载.而引入预压应力时其承载能力F2是从预应力状态-f开始的.随着荷载的增长首先抵消截面预应力,荷载继续增大至截面应力为极限值f后而不再能受力.显然F2等于2F1.换句话说,非预应力钢结构杆件的材料强度最大值只是可以被利用的强度幅值的一半,而预应力杆件在引入与荷载应力符号相反的预应力后,则可提高原强度承载能力一倍.也就是说预应力可以大大提高结构的弹性受力范围.

2、预应力网壳结构可以改善结构的受力状态,节约钢材

在传统网壳结构中,杆件的内力一般为轴力,各杆件的内力分布也比较均匀,但是在杆件内引入预应力后可以改善其受力状态,降低内力峰值,节约用钢量.例如拉索法预应力网壳结构,它是在网壳结构的不同部位布置高强柔性拉索,借助张拉钢索在结构中产生预应力的方法.拉索法是目前广泛使用的一种施加预应力的手段,可使结构达到较佳的受力状态,而且预应力网壳比非预应力网壳的省钢率一般为30%左右,有的甚至高达40%以上,自重降低,使预应力网壳结构可以跨越更大的空间.

3.提高结构的刚度和稳定性,调整其动力性能

预应力能使结构产生与外部荷载作用下位移方向相反或相同的预应力位移v0,可以提高结构的刚度.反向预应力位移v0如同结构的起拱,在荷载作用下可先抵消初始挠度,再在水平轴线基础上计算结构实际挠度.同向预应力位移如同预位移,在荷载作用前因预应力作用而产生挠度,待荷载作用时,则不再产生新的挠度.换言之,结构大大提高了刚度.预应力还可以改变基本杆件的动力性能.根据预应力体系的选择与预应力施加力度的大小可以调节基本杆件的振动频率与自振周期,从而调整其动力特性.

五、结论

预应力网壳结构最大限度地利用了预应力和网壳结构技术本身的优点,随着建筑材料、计算机技术和结构理论的进步,预应力网壳结构总的发展趋势是：跨度越来越大,所用材料越来越经济.