論預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)在建筑土木工程中的應(yīng)用

1、論預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)在建筑土木工程中的應(yīng)用    摘要：預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)具有自重輕、抗震性能好、節(jié)能效果好、工業(yè)化程度高等一系列優(yōu)點(diǎn)。土木工程結(jié)構(gòu)常用到兩種材料，即鋼筋混凝土以及結(jié)構(gòu)鋼，對(duì)于土木工程來說，不僅要從結(jié)構(gòu)特性的角度考慮，還要考慮施工的成本有效性以及施工有效性。本文就分析了預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，鋼結(jié)構(gòu)在土木工程中的特點(diǎn)。 關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)；土木工程 ； 應(yīng)用； Abstract: The prestressed steel structure with light weight, good seismic performance, energy savi

2、ng, high degree of industrialization a number of advantages. Civil engineering structures common to the two materials, reinforced concrete and structural steel for civil engineering, not only from the perspective of the structural characteristics of considerations, but also consider the cost effecti

3、veness of construction and construction validity. This article analyzes the characteristics of prestressed steel structure, steel structures in civil engineering features. Keywords: prestressed steel; civil engineering; application; 中圖分類號(hào)：TU391文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：  1、預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)是一種將預(yù)應(yīng)力與鋼結(jié)構(gòu)相結(jié)合的新型結(jié)

4、構(gòu)，預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)通過施加預(yù)應(yīng)力以充分利用鋼材彈性范圍內(nèi)強(qiáng)度，而多次預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)可以反復(fù)利用鋼材彈性范圍內(nèi)極限強(qiáng)度，提高結(jié)構(gòu)承載能力并進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)剛度，比單次預(yù)應(yīng)力具有更好的經(jīng)濟(jì)效益，因此，對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。 預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)是一門新的學(xué)科，其是在鋼結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上引入預(yù)應(yīng)力而發(fā)展起來的。預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容包括九點(diǎn)：一是結(jié)構(gòu)選型與優(yōu)化；二是施加預(yù)應(yīng)力方法的選擇與論證；三是布索方案的經(jīng)濟(jì)分析；四是張拉階次與力度設(shè)計(jì)；五是結(jié)構(gòu)體系靜力和動(dòng)力計(jì)算與分析；六是預(yù)應(yīng)力損失及對(duì)結(jié)構(gòu)影響；七是結(jié)構(gòu)構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)、錨具設(shè)計(jì)；八是結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)及分析；九是張拉工藝研究及施工模

5、擬計(jì)算。 1.1預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)有四個(gè)。一是可以充分、反復(fù)地利用鋼材彈性強(qiáng)度幅值，從而提高結(jié)構(gòu)承載能力。傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)的承載力是從材料的零應(yīng)力狀態(tài)開始，逐漸加載而達(dá)到材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度而終止受力的，其承載力即為結(jié)構(gòu)承受各種荷載的總和。而預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)承載力則始于預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的負(fù)應(yīng)力狀態(tài)。預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)受載后，材料經(jīng)過負(fù)應(yīng)力零應(yīng)力正應(yīng)力設(shè)計(jì)強(qiáng)度應(yīng)力，達(dá)到結(jié)構(gòu)的承載力終值。二是可以改善結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，降低應(yīng)力峰值。受彎構(gòu)件中的峰值彎矩，可以通過增加撐桿施加預(yù)應(yīng)力，將部分彎矩轉(zhuǎn)換為軸向力。因此，將彎矩峰值降低，并減小構(gòu)件截面，甚至利用預(yù)應(yīng)力技術(shù)創(chuàng)造出零彎矩的橫向結(jié)構(gòu)體系，如索穹頂。三是可以提高結(jié)構(gòu)剛度及穩(wěn)定性，

6、改善結(jié)構(gòu)的各種屬性。預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變形常與荷載下變形反向，因而結(jié)構(gòu)剛度得以提高。由于布索而改變結(jié)構(gòu)邊界條件，可以提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。預(yù)應(yīng)力可以調(diào)整結(jié)構(gòu)循環(huán)應(yīng)力特征而提高疲勞強(qiáng)度。降低結(jié)構(gòu)自重而減小地震荷載，從而提高其抗震性能等。四是可以降低用鋼量，節(jié)約成本。挖掘鋼材強(qiáng)度潛力，改善結(jié)構(gòu)邊界條件，優(yōu)化結(jié)構(gòu)桿件、截面尺寸，創(chuàng)新承重結(jié)構(gòu)體系等優(yōu)勢(shì)的總和，必然反映在降低鋼材總量上。在保證結(jié)構(gòu)承載和使用功能的前提下，節(jié)約材料消耗量、降低成本，就是設(shè)計(jì)人員在本職工作中體現(xiàn)“低碳經(jīng)濟(jì)”、“綠色建筑”理念的大事。 1.2、預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)效益如何？ 預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性與結(jié)構(gòu)體系類別、布索方案與工藝、荷載性質(zhì)與

7、力度、結(jié)構(gòu)構(gòu)造與節(jié)點(diǎn)、安裝方法與材料價(jià)格等眾多因素有關(guān)。正常情況下，預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)采用單次預(yù)應(yīng)力可節(jié)約10%20%的鋼材；采用多次預(yù)應(yīng)力可節(jié)約30%40%的鋼材。而預(yù)應(yīng)力創(chuàng)新體系結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比要節(jié)約鋼材50%以上或更多。總之，結(jié)構(gòu)材料中的強(qiáng)度潛力越大，采用預(yù)應(yīng)力的經(jīng)濟(jì)效益越高。 2、  土木工程中鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)        2.1 強(qiáng)度  一般來說，結(jié)構(gòu)構(gòu)件承受或者容納作用效應(yīng)的能力是由材料的強(qiáng)度來決定的?？梢岳糜嘘P(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)來確定結(jié)構(gòu)鋼的構(gòu)件性能，這些標(biāo)準(zhǔn)中

8、列出了鋼結(jié)構(gòu)可使用的材料，比如建筑結(jié)構(gòu)鋼要滿足CSA標(biāo)準(zhǔn)ASTM standardA992/A992M或者CAN/CSA G40.20/C40.21等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。近幾年來，建筑用鋼發(fā)生了很大的變化，過去的建筑結(jié)構(gòu)所用的抗拉強(qiáng)度以及屈服強(qiáng)度相關(guān)數(shù)據(jù)均摘自于CISC（2006）歷史記錄，而目前加拿大對(duì)于工程結(jié)構(gòu)鋼以及普通建筑結(jié)構(gòu)鋼的標(biāo)準(zhǔn)定出7個(gè)鋼種和8個(gè)強(qiáng)度級(jí)別。根據(jù)屈服強(qiáng)度其范圍為260700Mpa。不過并不是全部的鋼種都有所有的強(qiáng)度級(jí)別，因此如果是一個(gè)特定的建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，那么對(duì)鋼種類型和強(qiáng)度級(jí)別的選擇就非常重要。從整體來說，采用鋼結(jié)構(gòu)可以減少物料消耗、減輕結(jié)構(gòu)自重、降

9、低支撐部件與地基的尺寸，最終降低整個(gè)建筑的結(jié)構(gòu)成本。        2.2 剛度  振動(dòng)、變形等適用性參數(shù)由構(gòu)件的剛度來決定，進(jìn)而由結(jié)構(gòu)體系的剛度來決定。結(jié)構(gòu)體系的實(shí)際剛度又由其構(gòu)件和連接件的分布來決定。不過簡單說來，構(gòu)件的剛度由材料的幾何截面特性以及材料的彈性模量來決定，結(jié)構(gòu)鋼的彈性模量通常為200GPa。而普通密度抗壓強(qiáng)度在20-40Gpa范圍內(nèi)的混凝土其彈性模量通常在20-28GPa范圍內(nèi)；即使對(duì)于高強(qiáng)度混凝土來說，其彈性模量也不過在40-45GPa之間，由此可見，鋼結(jié)構(gòu)的鋼性是混凝土的十

10、倍及五倍左右，所以鋼結(jié)構(gòu)的剛性有著顯著的優(yōu)勢(shì)。         2.3 延性  延性指的是某種材料拉伸的過程中無斷裂的塑性變形能力。一般情況下延性是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，特別是抗震設(shè)計(jì)中比較重要的特性參數(shù)，地震中幸存的建筑物直接依賴于主要結(jié)構(gòu)框架經(jīng)歷大的非彈性變形時(shí)的滯后耗能性。鋼結(jié)構(gòu)可以說是目前使用最廣泛的、韌性最好的工程材料之一。不過材料內(nèi)在的延性并不一定都會(huì)轉(zhuǎn)化為建筑結(jié)構(gòu)的內(nèi)在延性，因此要充分認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，采取適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)策略和可靠、穩(wěn)定的滯消機(jī)制。通常一個(gè)設(shè)計(jì)具有延性響應(yīng)就要有足夠的材料截

11、面、材料延性以及結(jié)構(gòu)延性和構(gòu)件延性。延性值的能力和需求要與變延性水平、曲率延性（構(gòu)件延性）以及位移延性（結(jié)構(gòu)延性）所匹配。不過雖然鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)變延性比較高，但是因?yàn)槭軓潣?gòu)件的受力不穩(wěn)定，所以構(gòu)件的曲率延性經(jīng)常不足。        2. 4 整體  由上可知，無論是從剛度、強(qiáng)度還是在延性方面，鋼結(jié)構(gòu)都要優(yōu)于鋼筋混凝土，并且鋼結(jié)構(gòu)可以比較容易建構(gòu)出有異國風(fēng)情的建筑形式，通常鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可以提供最佳的設(shè)計(jì)靈活性以及最大的空間利用率。鋼結(jié)構(gòu)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是：它還是一個(gè)理想的懸臂施工體系。適當(dāng)?shù)膽?yīng)用空腹鋼鐵托

12、架以及構(gòu)件腹板開孔，可以為管道以及其它供電線路提供通道，不僅降低了樓層的高度，而且增加了審美吸引力。鋼架像在鋼結(jié)構(gòu)中一樣，被用來擴(kuò)展現(xiàn)有的混凝土建筑結(jié)構(gòu)或者增加樓層。在進(jìn)行施工時(shí)，裝配鋼結(jié)構(gòu)的施工人員要遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于混凝土建筑結(jié)構(gòu)所需要的人數(shù)；與混凝土建筑相比，鋼結(jié)構(gòu)的安裝以及制作質(zhì)量都要更加的可靠和簡便。并且在修改時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)比混凝土結(jié)構(gòu)更加容易，成本更低，特別是要附加支撐系統(tǒng)時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)可以更加快施工進(jìn)度。         3、  鋼結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)     

13、0;   當(dāng)然，每種材料都不是完美的，所以鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和施工也存在著一定的缺點(diǎn)，其主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方而：         3.1 材料缺點(diǎn)  盡管鋼結(jié)構(gòu)的剛度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于混凝土，但是對(duì)于一個(gè)給定的負(fù)載，鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件截面剛度則要小于與其對(duì)比的混凝土結(jié)構(gòu)，這主要是因?yàn)殇摰膹?qiáng)度優(yōu)勢(shì)導(dǎo)致其構(gòu)件的尺寸相對(duì)較小。因此要提高這些構(gòu)件的穩(wěn)定性，就要增加型鋼的尺寸或者采取填充混凝土以及外包混凝土的措施，以提高截面的剛度。并且鋼材的耐火性和耐腐蝕性都相對(duì)有欠缺。鋼材長期受到1

14、00度的輻射熱時(shí)強(qiáng)度的變化不大，表現(xiàn)出一定的耐熱性能，但當(dāng)溫度達(dá)到150度時(shí)，就要采用隔熱層進(jìn)行保護(hù)，并且重要部位的鋼結(jié)構(gòu)一定要涂刷防火涂料。  4、 市場(chǎng)環(huán)境      4.1 設(shè)計(jì)力量較薄弱  在設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)時(shí)要注意結(jié)構(gòu)的功能要求是不是屬于鋼結(jié)構(gòu)合理的應(yīng)用范圍。通常在設(shè)計(jì)較高承載力需要使用鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，要考慮用不適合繼續(xù)承載的巨大變形為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的極限狀態(tài)為準(zhǔn)則。鋼結(jié)構(gòu)有很多節(jié)點(diǎn)，要對(duì)每個(gè)螺絲、墊板以及焊縫進(jìn)行精確的計(jì)算，而且每個(gè)專業(yè)要一次性到位，所以鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要比混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)更復(fù)雜，并且圖紙也遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于混凝土結(jié)構(gòu)。        4.2 鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)未形成體系  只有在大規(guī)模生產(chǎn)的情況下才可以體現(xiàn)出鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。并且目前鋼結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)、價(jià)格標(biāo)準(zhǔn)以及質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)都沒有統(tǒng)一，國家標(biāo)準(zhǔn)以及監(jiān)管機(jī)制方面也都有一定的欠缺，因此很多設(shè)計(jì)師以及開發(fā)商都相