大跨度预应力钢结构的应用分析
【摘要】对于大跨度钢结构的设计和应用，不能简单根据手册或者图集来进行设计，应当根据结构自身特点选择合理的承重形式。（钢结构设计培训）对于荷载较大的大跨度钢桁架，需根据桁架形式来优化布置杆件。根据钢筋桁架自承重混凝土板的诸多优点，最终选用该承重板形式。本文通过介绍大跨度钢结构的设计要点，分析了大跨度预应力钢结构的应用。
【关键词】大跨度；预应力；钢结构；应用
近年来，随着社会的不断发展，各类技术也不断发展起来，大跨度结构已成为了当今经济和社会发展的需要。大跨度钢结构的应用为各类大型桥梁和房屋的建设造成了极大的便利，为建筑事业发展起到了促进作用。
1 大跨度预应力钢结构概述
大跨度钢结构是当今建筑中应用很广的结构，因为大跨度钢结构具有承载力高、延性好、刚度大、施工方便等优点，得到了日益广泛的应用。对于新型大跨结构的特点整体上是空间结构；其跨度大，可覆盖巨大的室内空间；矢高小、曲率平缓，可有效利用空间；厚度薄、自重轻，节省材料；形式多样，可适合于各种形状的平面组合。对混凝土结构来说，其根本不适合用于大跨结构中，其采用的单向板以及双向板随着跨度的增大，将会使楼板的厚度增加，所配置的钢筋量必然增大，显然这不适合用于大跨度结构中。近代大跨度结构建筑至19世纪末已有较大成就。而对于应用于跨度较大的井式楼盖中时，其特点就不尽相同了，对于以上两个类型的应用中梁的高度相等且一般等间距布置，无主次梁之分，四周承重墙支撑或角柱支撑，可以解决一些大跨度空间的设计要求，因此适用于柱网间距或房间平面面积较大时，多用于门厅、会议厅，但是把井式楼盖应用于大跨度空间结构中，必然会使造价较高。显然，对于大跨度结构来说，采用钢结构明显优于混凝土结构等，而且随着跨度的不断增大，这种优势尤为突出。尤其是对于柔性屋盖体系来说，混凝土和钢-混凝土组合屋盖暂不适用，而钢结构则具有明显优势。
2 大跨度钢结构设计要点
随着社会的发展大跨屋盖建筑的数量和规模增长非常迅速；对大跨度预应力钢结构应用的建筑的抗震设计重视不够。并且出现不少样式优美、造型奇特、风格各异、但是抗震性能很差的建筑。为此，结合大跨钢结构屋盖的设计实例，对于大跨空间钢结构来说，有许多该注意的设计要点。
钢结构与混凝土结构相比，最大的不同在于，钢结构节点形式的合理及可靠是保证结构体系安全的关键，一般而言，混凝土结构节点可以做到完全刚接，故计算假定与实际结构基本吻合，而钢结构则不同，绝大多数节点既非绝对刚接，亦非绝对铰接，根据节点形式及构造的不同，节点刚度是一个变量，但通常均将节点设定为刚接或铰接，造成理论计算与实际结构不符。还有 ， 钢结构节点造型日趋复杂，很难按常规的梁、杆或板单元进行计算，必须采用有限元方法才能找出内力分布规律，避免应力集中，保证结构安全。
钢结构节点的连接形式主要有全焊连接、高强度螺栓连接和栓焊混合连接。其中，高强度螺栓连接作为新型连接形式，在国内外得到广泛应用，尤其对于高层和超高层钢结构连接节点均采用了高强度螺栓连接方式。在对摩擦型高强度螺栓连接进行抗剪设计时，以外剪力达到由螺栓预压力所能提供的最大摩擦力为极限。设计过程中要保证摩擦力完全能承受整个使用期间外剪力，螺栓杆和孔壁间始终保持原有空隙，使板件间不会发生相对滑移变形。承压型高强度螺栓连接设计只考虑在正常使用荷载作用下剪力不超过最大摩擦力。
按照《钢结构高强度螺栓连接技术规程》中的规定，通过计算来选用高强度螺栓连接类型。通过柱翼缘或腹板上的连接板与梁腹板或翼缘用高强度螺栓连接，同时在梁翼缘对应的位置设置柱的水平加劲筋来加固。针对焊接缺陷，同时本项目深化设计时尽量使构件各部分刚度和焊缝均匀布置，对称设置焊缝，减少交叉和密集焊缝，另外采取合理的施工顺序，以减小钢结构节点处的变形。
3 大跨度预应力钢结构的应用
在当今社会中，大跨度与空间钢结构主要用于公共建筑，比如各种桥梁及有名建筑，大跨度结构也用于工业建筑，大跨度结构主要是在自重荷载下工作，主要矛盾是减轻结构自重，故最适宜采用钢结构。所以使得钢结构的应用更加广泛。随着社会技术的发展，在大跨度空间结构中引入现代预应力技术，不仅使结构体形更为丰富而且也使其先进性、合理性、经济性得到充分展示。在大跨度屋盖中应尽可能使用轻质屋面结构及轻质屋面材料，如彩色涂层压型钢板、压型铝合金板等。
大跨度预应力钢结构的应用中通过适当配置拉索，可使结构获得新的中间弹性支点或使结构产生与外载作用相反的内力和挠度而卸载，前者即为斜拉结构体系，后者则为预应力结构体系。这一类“杂交”结构体系将改善原结构的受力状态，降低内力峰值，增强结构刚度、技术经济效果明显提高。目前我国已在80余项大跨空间钢结构工程中应用了预应力技术，如广东清远市体育馆（六点支承，对角柱跨度89m，六块组合型双层扭网壳）在周边设6道预应力索后其用钢量44.3kg/m，约比原方案节省钢材32%，其它一些类型的网壳结构采用预应力技术后一般都可节约30%以上的钢材。目前许多高校对索托结构，索网结构等以高强钢索与钢材为主承重结构的预应力钢结构新体系，正在进行理论研究，积极准备工程实践，可以预期新型的预应力大跨空间钢结构不久即将涌现在各类建筑中。膜结构是当前我国正在兴起的一种空间结构，其中应用较多的是张力膜结构。这是一种以玻璃纤维织物或聚酯纤维织物为基层，以聚四氟乙烯或PVC为涂层的膜材与不同类型的支承体系间的组合，而其支承体系可为索一支柱或索一杆结构，它们常在膜材获得预应力后协同工作。
4 预应力张拉施工及质量控制
4.1 工程概况
某体育馆可以举办国际单项赛事和国内综合赛事的大型甲级体育建筑。建筑高度30m；建筑面积2.7万m2；比赛场屋面结构为大跨度多重弦支网壳钢结构，通过7 根主索桁架、6根次索桁架及其他钢构件组成；主索由 265 根 5 钢丝束组成，次索由109根 5 钢丝束组成；比赛场跨度67.2m -87.7m，多重弦支网壳钢结构预应力张拉施工是工程施工的难点和重点。
4.2 预应力张拉准备
（1）预应力张拉施工方案编制的成败，是预应力张拉的关键工作。为此首先按有关规定、程序对施工方案组织有关专家进行论证、审批。（2）预应力张拉施工监控。预应力索张拉过程中，按照监控方案选取有代表性的三榀主桁架进行了监控，并与施工油压表换算预应力张拉值进行比对，判定误差满足要求（-2%～5%）。（3）对张拉工器具特别是油压表的标定进行检查验收。
4.3 预应力张拉
预应力索设计张拉力，主索： 1294kN；次索： 582kN。张拉力分8 级进行，第一级为设计值的30%，余下各级为10%，各级实际张拉力与设计张拉力误差 +5%～-2%。应用大型有限元分析软件 ANSYS 对施工工况分析，给出了各索施工理论（ 方案） 张拉力及变形值，见表 1。张拉过程分五级： 0% →25% →50% →70% →90% →100% （ 按施工张拉索力） 第五级张拉完成后，考虑到锚固预应力损失，在理论施工张拉力的基础上，超张拉至 105%。施工理论（ 方案） 张拉力与实际张力见表 1。预应力张拉全过程对主桁架跨中竖向位移，支座水平位移，用全站仪进行动态监测，见表2。为了核实张力值由第三方监测单位，按照提前制定的监测方案，抽取有代表性的三榀主桁架进行监测，见表1。
5 结语
综上所述，在大跨度预应力钢结构的应用中，随着体外预应力束编束的增加 （ 即预应力度的增加） ，组合梁桥的自振频率就会随之增加，从而承重能力就会增加， 同时预应力度对不同振型的频率影响不同。本文从比较混凝土结构、组合结构以及钢结构出发，分析比较钢结构应用于大跨度空间结构中的优势，结合大跨度钢结构设计实践经验，提出大跨度钢结构设计要点，可为大跨度钢结构设计提供参考借鉴。