大跨空间钢结构预应力施工技术研究

(陕西国防工业职业技术学院， 陕西 西安 710300)

钢结构预应力是现代经济和科技发展下的产物，也是建筑业一直在推广使用的新技术，预应力施工技术经过混凝土结构的应用发展到了大跨度空间钢结构的应用，这一发展体现了我国过程建设技术的进步。给钢结构施加预应力对于钢结构结构变形的调控和调整杆件应力分布有着积极的作用，当对钢结构变形和杆件应力进行有效的调控以后，钢结构的承载力将大大的提升，可以减少施工过程中的用钢量，这样不仅可以节约资源还可以使结构变得轻盈，便于大跨度、大空间的跨越。大块空间钢结构的预应力施工技术会涉及到很多的结构形式和各种新型的拉索材料，此外还需要与各种高强材料、高级非线性力学分析和施工技术进行融合，所以其应用的难度还是比较大的，但在近些年来，我国大跨空间钢结构预应力施工还是取得了显著的进步和发展，主要以现在拉索材料、结构形式以及施工技术这三个方面。

1 拉索材料的发展

1.1 组装索

过去的钢结构预应力中拉索材料主要是钢绞线组装索和钢丝绳组装索，这两种方式制作简单，对于索长制作的要求比较的低，且制作费用较低，所以过去得到了广泛的应用，但是这种组装索的缩短节点构造比较的复杂，，所以缺乏美观性，且这种组装索的整体性和腐蚀性不强，所以需要对其进行改进，近些年来，钢绞线组装索经过不断的改进，防腐性大大高于传统的组装索，且美观性和整体性更强一些。

1.2 成品索

到现在为止，高强钢丝束成品索和钢拉杆成品索已经渐渐的代替了过去的组装索，被广泛的应用在钢结构预应力的施工过程中。这种成品索的质量、性能、美观度与防腐性大大的提高了，但是成品索的应用意味着锚具形式、节点构造、张拉工艺等的要求将变得更高，施工难度相应的增加了。

2 结构形式的进步

2.1 张弦梁/桁架/网格

在1998年，张弦梁第一次得到应用，它是由上弦钢构、中间撑杆和下弦索共同构成的，这种结构可以在拉索张拉的过程中允许支座华东，所以对于保证拉索的预张力有积极的意义，保证预张力的主要是上弦钢构，它还可以促进预应力形成自平衡体系。

2.2 斜拉结构

钢构、桅杆和斜拉索共同构成了斜拉结构，其中斜拉索能够给钢构提供弹性支持，它位于钢构的上方，在这种布置下，结构内力的状况将会得到改善，可以减少结构变形和支座弯矩等问题的出现，还可以满足更大跨度的需求。此外斜拉结构还可以在一定的结构上节约钢材料。

2.3 预应力钢桁架结构

预应力钢桁架结构主要包括了钢桁架和拉索两部分，钢桁架的刚度较大，还可以自己形成结构，拉索可以对桁架内力状况进行调整，使其处于较合理的状态。预应力钢桁架结构的应用非常的广泛，在北京西客站主站、湖南省政府大楼、成都会展中心、广东省博物馆新馆等建筑中都应用了这一结构。

2.4 索桁架结构

承重索、稳定索、中间腹索、腹杆等又是构成所桁架结构的主要成分。其中承重索的主要作用是承受竖向向下的重量，它的线形是下凹的，所以承重量比较的好；稳定索的线形与承重索相反，为负曲率所以它的承重负荷与承重索也是相反的；后面两种部分是形成整个结构的重要因素。但需要特别注意的是，在索桁架结构中需要使用大纲度的边梁使预应力保持平衡。

2.5 索拱结构

索拱结构是由拉索和拱组成的，拉索的主要作用是减少拱的推力，从而对拱的稳定性进行提高，索拱结构被应用在了淮海工学院体育馆当中。

2.6 弦支穹顶结构

网壳、撑杆、径向索以及环向索又共同构成了弦支穹顶结构，要在网壳下方布置呈现“N”字形的索杆，这样既可以对支座的推力进行平衡又可以将建筑结构的整体刚度和稳定性进行提高。弦支穹顶结构的网壳具有多样性的特征，主要的网壳包括了联方形网壳、凯威特形网壳以及环柱形网壳等。除了网壳具有多样性以外，其撑杆、径向索以及环向索也是有多种形式的。

2.7 索拱顶结构

索拱顶结构主要由四部分构成，分别是脊索、斜索、压杆和环索。要想保证全张力结构顺利成型的一个必要前提是预应力，在意在施工和施工过程中一定要求索拱顶结构具有非线性的特点，但是非线性的索拱顶对于结构分析、结构设计以及施工的要求又是非常的高的，所以需要对结构分析、结构设计和施工技术进行提升。到目前为止，在大跨空间钢结构预应力的施工技术中索拱顶结构是整个研究中比较重要和核心的部分之一。其中采用刚性屋面的索拱顶在将来会得到迅速的发展和应用。

3 施工技术的创新

3.1 分析和工艺的结合

大跨空间钢结构预应力施工技术的应用目标是保证设计方案的初始状态，主要包括了力和形这两个部分施工要求的实现，需要明白的是，力和形这两个部分的要求远远的高于一般钢结构的施工要求。理论上要求力和形是完全对应的，但在实际的施工中会发现误差是无法避免的，所以要求在施工之前就对各项施工部分进行仔细的分析，在施工中将分析和工艺进行有效的结合，从而更好的实现设计的目的。进行分析时需要对结构性能、施工力学和施工成型状态对结构性能的影响进行仔细的分析。

3.2 节点、索头和张拉机具的结合

节点、索头和张拉机具的结合是大跨空间钢结构预应力施工技术中比较关键的技术之一，多样性的建筑形式和结构形式要求节点形式和索头形式具有多样想，而张拉机具需要与索头和节点进行连接，所以就要求节点、索头和张拉机具具有匹配性，能够进行有效的结合。

3.3 钢构和拉索施工的结合

钢构性能的形成和改善需要通过拉索和拉索的张力来实现，所以实现钢构和拉索施工的有效结合是实现结构整体目标的关键部分。钢构和拉索施工的结合主要体现在施工方案。全过程分析以及相互施工误差影响这三个方面。

3.4 从分析到制作、安装和张拉的全过程控制

与其它钢结构的施工控制相区别的是，在大跨空间预应力钢结构中的施工控制需要从分析开始，贯彻制作、安装和张拉的整个过程中。所以需要从结构性能、施工力学、制作以及张拉这四个部分进行有效的分析，并对其制作、安装的整个过程进行有效的控制。

4 结论

由上文可知，大跨度和大空间预应力钢结构在近些年来取得了迅速的发展，在拉索材料方面，已经从过去的预应力钢绞线组装索变成了高强钢丝束和钢拉杆成品索，整个拉索材料的质量和性能得到了显著的发展，此外，拉索材料的索头变得更加的多样和美观，还具有了更加广泛的适用性。从结构形式来看，我国的钢结构预应力结构是非常的多样和全面的，它大大的丰富了预应力钢结构的应用范围，从施工技术来看，具有建筑特色的、系统的大跨空间钢结构预应力施工技术已经形成，但大跨空间钢结构预应力还在不断的进行技术改造和创新，力求大跨空间预应力钢结构能够不断的发展，能够满足大跨度、大空间建筑的需求。

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