预应力钢结构的结构形式与节点设计

预应力钢结构的结构形式及节点设计

郑佳锌

[摘要]：预应力钢结构做为一种较新型钢结构类型，具有受力合理、节约材料、外观优美等诸多特点，近年来得到广泛应用。本文主要介绍预应力钢结构常用的结构形式及相应的节点设计，并对这门新兴工程学科的未来发展做一定展望。

[关键词]：预应力钢结构结构形式节点设计

第一章绪论

预应力钢结构始于20世纪50年代，发展初期，各国都偏向于基本构件的试验研究，并逐渐投入工程实践。期间，大多数的工程及试验是在平面钢结构体系中引入预应力进行的，如1953年建造的布鲁塞尔机场飞机库双跨预应力连续钢桁架门梁结构，便是在简单的桁架体系中加入预应力而产生的。这时候，最佳预应力效果的结构体系并未出现。

在经历了十余年的探索和研究后，在对基本平面体系与基本构件的掌握达到一定程度后。预应力钢结构这种新型的结构体系的改革，寻找更节约高效的结构体系成为研究者们的共识。伴随着计算机技术在结构设计领域的应用，钢结构高难度计算及高精度加工难题得以解决，一时间，各种新型结构形式如雨后春笋般涌现，如网架、网壳、悬索及索膜结构等以其优异的受力性能和新颖独特的造型，风靡世界。

我国在解放后也曾开展过预应力钢结构研究，并兴建了少量预应力钢结构建筑。但后来因为历史原因，预应力钢结构的研究和使用一度陷入停滞。改革开放三十余年以来，建筑行业发展欣欣向荣，带动了预应力钢结构的发展。近年来，各种结构形式的预应力钢结构建筑相继建成，我国对这种新型的建筑结构的研究也渐深入，积累了不少的工程实践和设计经验。

第二章预应力钢结构的结构形式

预应力钢结构在经历了六十余年发展，已形成了多种多样的结构类型。本文主要介绍工程中使用较多的结构体系，而对其基本构件则不再赘述。

一、预应力钢桁架

预应力钢桁架作为一种使用较早平面结构体系，是通过各种手段在结构承受全部荷载单次或多次地引入预应力以对杆件卸载、降低内力峰值的。其中，拉索预应力桁架作为研究较多较深入的一种，将是我们重点介绍的。

拉索预应力钢桁架通过布索方案可分为局部布索和整体布索两类；整体布索又可分为廓外布索和廓内布索两种。

局部布索一般布置于受力较大的杆件上，受力计算简单明确，单杆经济效益好，适用于现场装配的重型桁架。但因其节点构造复杂，用钢量大。从整体上考量省钢率仅为10%左右。

在设计时，应考虑布索与杆件共同工作，采取措施保证预应力体系的整体工作性能。

平面桁架结构简单，但平面外钢度较差。应用立体桁架能很好的解决这个问题。一般情况下，立体钢桁架的跨中挠度值仅为（1/400~1/500）l，远小于平面桁架。立体钢桁架的截面形式有三角形和四边形，就采用预应力而言，三边形截面比四边形的易于布置拉索，方便施工，具有较大的卸载力臂，所以三角形桁架要优于四边形的。

图1-1 预应力钢结构桁架结构示意图

二、预应力拱架结构

预应力拱架是一种无弯矩或小弯矩结构，可分为拉索式和位移式两种。预应力索拱的布索方案多种（图2-1），其经济效益与拱的几何轴线、荷载特征、索系类型、张拉程度等因素有关。拉索的功能是承担拱架的侧推力及调整拱困截面应力峰值。

图2-1 预应力拱架结构方案

为免除张索工艺的麻烦与减少锚固件及拉索的材料消耗量，可采取强迫支座位移法引入预应力，即为位移式拱架。澳大利亚Strarch建筑体系是支座位移预应力拱架体系的先进典型。在全球各地已兴建了80余座Strarch拱架，2002年海口美兰机场维修机库就是采用跨度99.6米的拱架专利技术。

三、预应力框架

在框架中引入预应力主要有三种方式：一是拉索法，或是局部或整体拉索；二是支座位移法，强迫支座水平位移或垂直位移调整内力；三是以上两种联合使用。由于预应力效应对杆件的卸载和增载并存，预应力布索与力度的合理性应以卸载节约量和增载消耗量之间的比例为准。

在预应力框架结构体系中，合理的框架图形及布索方案尤为重要，不合理的方案往往会产生反效果，造成得不偿失的情况。

支座位移预应力同样能产生较好的效果，但在地质条件差时不宜使用，因其基础加固用料增加抵消了大部分的卸载节约量。

在框架结构体系中采用预应力效益的大小与结构图形、几何尺寸、布索方案、张拉力度等因素有关。避免或降低增载的不利影响，扩大或加强卸载的有利范围，以及采用梁柱铰接的混合结构体系等，可能是提高经济效益的合理途径。

四、吊挂结构

吊挂结构是指用高强钢索吊挂屋盖的承重结构体系的统称。可分为平面吊挂结构和空间吊挂结构两类。而按吊索的几何形状可分为斜向吊挂结构和竖向吊挂结构两种。

吊挂结构可由三部分组成：支承结构、屋盖结构和吊索。

平面吊挂体系承受平面外荷载的能力很差，必须尽量加大平面外的稳定性和刚度，措施有：

1、由顶点吊挂屋盖的索系采用多根沿纵向交错吊挂相邻横梁的方案，加大结构纵向刚度；

2、在主承重结构间布置纵向十字拉索支撑以传递平面外荷载；

3、在同一平面吊挂单元交界处进行竖向连接以加强屋盖结构的整体性，但应保证水平向的相

对位移及自由胀缩。

4、选择结构合理的几何尺寸及简图，例如适宜的高跨比会影响索系交角与附加力大小；合理的刚度比会影响中间弹性支座的弹性系数等。

空间吊挂结构宜采用整体式，亦可由单元式组拼成整体结构。吊挂的空间结构可采用网架、网壳、空间桁架等形式。

吊索的形式可分为放射式，竖琴式，扇式和星式数种。吊索与屋面的夹角不宜小于25度。

图4-1 预应力斜拉结构的布索方案示意

1958年布鲁塞尔博览会上前苏联馆是早期的吊挂结构的工程之一（图4-2）。跨度48m的主厅由一对高29.5m的格构钢柱吊挂体系构成。钢柱两侧对称布索形成12m副跨及主跨拱桁架支点。在外墙平面设有抗风索，施加预拉力以承受风载下的压应力。由于其承重结构以受压为主，受弯构件皆跨度不大，所以结构轻巧灵活。该馆于会后被苏联方面拆解运回国内。

图4-2 布鲁塞尔博览会前苏联馆（尺寸单位：m）

五、预应力网架

预应力网架是一种把预应力技术引入网架结构而形成的新型预应力大跨度空间结构。近十几年来，我国在该结构体系的研究相当活跃，并已开发了独创的结构形式。

1、预应力网架的分类和特点

按施工预应力方法分类：支座位移法、拉索法。

按网架结构形式分类：有单层、双层的和多层的，仅双层网架，目前应用较多的有平面桁架体系网架、四角锥体系网架和三角锥网架体系等。

按施加预应力阶次分类：可分为单次预应力网架和多次预应力网架。

2、预应力网架的布索方案

预应力网架布索应遵循以下原则：布索应选择在网架受力的敏感区域，使以较小的索力换取较大的杆力，以卸载量最大、挠度合适、杆力峰值不致过大，用钢量最省为目标，经过多方案优选，试算后确定。

目前常用的几种布索方案有：直线布索（图5-1a）、折线布索(图5-1b、c)。

图5-1 预应力拉索类型

a)直线索b)折线索c)双折索

预应力索的平面布置可采用对角线布索（图5-2a）、平行边布索（图5-2b）、井字式布索（图5-2c）、多重井字布索（图5-2d）和四角放射布索（图5-2e）等方案。

图5-2 预应力网架中索的平面布置

在预应力网架的设计中，只有保证布索的合理布置和预应力的合理施加，才能有效的改善结构的受力性能，控制结构的刚度和内力分布，从而可以较大地节省用钢量，降低结构造价。这点在设计过程中应特别注意。

六、预应力网壳结构

近年来，我国在预应力空间结构方面取得了一些国外没有或罕见的科技成果及新技术。1994年9月建成的四川省攀枝花体育馆是世界首例多次预应力钢网壳工程。2008年北京奥运会羽毛球馆采用弦支穹顶的预应力结构屋盖，同样取得了良好的社会和经济效益。利用预应力网壳所建工程，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，能大幅度节省钢材消耗量和工程造价，是一种有广阔发展前景的空间结构体系。

1、预应力网壳结构的分类

预应力网壳按照受力体系特点可分为以下几种：支座拉索预应力网壳、交叉梁系预应力网壳和弦支穹顶等。

其中支座拉索预应力网壳可采用下列结构形式：预应力球面网壳、预应力柱面网壳、预应力双曲扁网壳和预应力扭网壳。

图6-1 预应力网壳曲面外形

a)球面网壳b)双曲扁网壳c)柱面网壳d)双曲抛物面鞍形网壳

交叉梁系预应力网壳包含双向、多向和肋形环交叉梁系预应力网壳。

弦支穹顶则可分为：肋环型、施威德勒型、联方型、凯威特型和凯威特-联方型弦支穹顶几种。

图6-2 弦支穹顶结构体系

2、预加应力体系及布索方案

预应力网架的体系设计应满足以下几个要求：

1）符合建筑造型和使用功能的要求；

2）卸载效果好；

3）计算简图明晰；

4）构造简单，施工方便。

在布索设计时，应使结构体系具有最多数量的卸载杆，最少数量的增载杆和中性杆，这样才能使网壳的卸载作用明显，从而收到明显的受益。

正是由于预应力网架结构的形式及布索方案对建筑的成功与否产生着至关重要的作用，在进行此类型结构设计时，应做到：结构的选型和优化、布索方案的比较与选择以及张拉阶次与力度的分析与设计几方面内容。

第三章预应力钢结构的节点设计

根据预应力钢结构的特点和拉索节点的连接功能，节点可分为张拉节点、锚固节点、转折节点、索杆连接节点、交叉节点等类型。

一、张拉节点

张拉节点主要设置于预应力构件端头位置，起到拉索张拉及张拉后固定以及与结构体系相连接的作用。张拉节点应能满足以下几个要求：首先，应易于张拉锚固，施工操作简便；其次，张拉节点为本身为应力集中处，设计时应考虑超张拉力及使用荷载阶段拉索实际受力大小，节点与主体结构杆件连接应牢固可靠，防止节点处Z向破坏。

以下是几种类型的张拉节点示意图：

图7-1 张拉法锚头式节点

图7-2 顶推法锚头式节点

图7-3 花蓝螺栓式节点

二、锚固节点

锚固节点应采用传力可靠、预应力损失低且施工便利的锚具，尤其应保证锚固区的局部承压强度和刚度，应设置必要的加劲肋、加劲环或加劲构件等加强措施。

锚固节点仅起到锚固预应力索、杆，传递应力的作用，因此其节点构造相对较为简单，节点形式也较为多样，但无论采用何种形式的节点，节点区的强度、刚度应是重点控制对象。

三、转折节点

转折节点宜与主体结构连接。转折节点应设置滑槽或孔道供应索准确定位和改变角度。滑槽或孔道内可采用润滑剂或衬垫等摩擦系数低的材料；转折节点沿拉索夹角平分线方向对主体结构施加集中力，应验算该处的局部承压强度和该集中力对主体结构的影响，并采取加强措施。节点处受力可采用有限元法进行分析。

转折节点形式：

图8-1 下弦拉索节点

图8-2 弧形连接件式节点

图8-3 弧形夹具式节点

四、索杆连接节点

索杆连接节点应保证其承载力不低于杆件和拉索承载力的较小值。节点应传力可靠，连接便利，外形符合建筑造型的要求。

索杆连接节点又有以下几种不用形式：铸钢节点、销接节点板式空间节点、销接式平面节点、U型夹具式钢节点、

在进行索杆节点设计时应注意直接受拉式节点，节点宜设计成“变拉为压”式（图9-1、图9-2），防止局部屈曲或者产生Z向撕裂破坏。

图9-1 铸钢节点

图9-2 销接式节点

五、拉索交叉节点

拉索交叉节点应根据拉索的交叉角度优化连接节点板的外形，避免因夹角过小而拉索相碰；节点板上因开孔和造型切角等引起的应力集中区，可采取构造措施减少应力集中；必要时应进行平面或空间的有限元分析。

第四章结语

预应力钢结构的先进性、经济性、可行性与现实性已被60年的发展史及国内外众多的工程实践所证实。预应力空间钢结构作为学科中的最新成就及创新体系亦为土建界同行所接受。近十余年预

应力空间钢结构在科研、设计、制造、施工方面进行了大量的工作，积累了宝贵的经验。

从现代钢结构整体水平来看，我国在基础研究、理论储备及创新结构体系等方面，与国际水平尚有差距。如可开合结构、膜结构、索网结构、吊挂式高层结构等方面。这需要我国钢结构研究人员通过不懈的努力，继续推动我国预应力钢结构的发展，开发出新型的、效益高的预应力钢结构体系，为我国社会主义建设做出贡献。

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