大跨度預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)在體育館工程中的應(yīng)用

報(bào)告人：指導(dǎo)老師：

預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)自誕生以來(lái)，已經(jīng)走過(guò)了50年歷程，尤其近20年來(lái)新材料、新工藝、新結(jié)構(gòu)發(fā)展迅速，預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍幾乎已覆蓋了全部鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域。對(duì)于需要大跨度及大體量無(wú)阻擋空間（體育館、歌舞劇院等）；重級(jí)荷載及超重負(fù)荷條件（橋梁、多層停車(chē)場(chǎng)等）；高聳結(jié)構(gòu)物（電視塔、氣象觀(guān)測(cè)塔、高壓輸電塔等）；需要?jiǎng)?chuàng)建新結(jié)構(gòu)體系、以柔索取代受彎構(gòu)件、以張力膜面取代剛性屋面層、以吊點(diǎn)取代支點(diǎn)，如吊掛體系、索穹頂及索膜結(jié)構(gòu)等體系采用預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)，將會(huì)帶來(lái)令人滿(mǎn)意的效果和可觀(guān)的經(jīng)濟(jì)效益。1.預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)

一般而言,在結(jié)構(gòu)中采用單次預(yù)應(yīng)力技術(shù),與非預(yù)應(yīng)力同類(lèi)結(jié)構(gòu)相比可獲得10%~20%的經(jīng)濟(jì)效益,而采用多次預(yù)應(yīng)力技術(shù)則可節(jié)約材料20%~40%左右。對(duì)于這些豐富多彩的百年奧運(yùn)建筑來(lái)說(shuō)，大跨度空間結(jié)構(gòu)技術(shù)對(duì)他們產(chǎn)生更大的促進(jìn)作用。而奧運(yùn)建筑也為大跨度空間結(jié)構(gòu)技術(shù)提供了精美的展現(xiàn)舞臺(tái)和實(shí)踐機(jī)會(huì)。最先進(jìn)的大跨度空間結(jié)構(gòu)技術(shù)往往首先用于奧運(yùn)會(huì)。以下是國(guó)內(nèi)外一些采用預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)例：韓國(guó)漢城奧運(yùn)會(huì)主賽館、廣東清遠(yuǎn)市體育館、北京西客站

韓國(guó)漢城奧運(yùn)會(huì)主賽館,采用整體張拉索穹頂屋蓋,上覆纖維加強(qiáng)膜面,自重僅14.6kg/m2。

廣東清遠(yuǎn)市體育館六邊形扭網(wǎng)殼屋蓋,屋蓋用鋼量44.3kg/m2,省鋼率35.7%。北京西客站采用長(zhǎng)度為45m的主桁架,進(jìn)行兩次張拉施加預(yù)應(yīng)力,節(jié)約鋼材15%。總之,采用預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益是可觀(guān)的。

(1)可以改變結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)人員所要求的結(jié)構(gòu)剛度、內(nèi)力分布和位移控制。(2)通過(guò)預(yù)應(yīng)力技術(shù)可以構(gòu)成新的結(jié)構(gòu)體系和結(jié)構(gòu)形態(tài)(形式)，如索穹頂結(jié)構(gòu)等。(3)預(yù)應(yīng)力技術(shù)可以作為預(yù)制構(gòu)件(單元桿件或組合構(gòu)件)裝配的手段，從而形成一種新型的結(jié)構(gòu)，如弓式預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)。(4)采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)后，或可組成一種雜交的空間結(jié)構(gòu)，或可構(gòu)成一種全新的空間結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)的用鋼指標(biāo)比原結(jié)構(gòu)或一般結(jié)構(gòu)可大幅度降低，具有明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。2.預(yù)應(yīng)力技術(shù)于大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)特色和優(yōu)勢(shì)

3.現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的主要類(lèi)型1.斜拉結(jié)構(gòu)2.張弦梁結(jié)構(gòu)3.弦支穹頂結(jié)構(gòu)4.索穹頂結(jié)構(gòu)5.預(yù)應(yīng)力索桁架結(jié)構(gòu)6.大型索網(wǎng)結(jié)構(gòu)

4.大跨度預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)在國(guó)家體育館工程中的應(yīng)用國(guó)家體育館鋼屋架南北長(zhǎng)144米，東兩寬114米，整個(gè)體育館鋼屋架工程由14榀桁架組成，總用鋼量達(dá)2800噸，鋼屋架形狀呈扇形波浪曲線(xiàn)，是目前國(guó)內(nèi)空間跨度最大的雙向張弦鋼屋架結(jié)構(gòu)體系。

國(guó)家體育館屋蓋采用大跨度鋼結(jié)構(gòu)。大跨度鋼結(jié)構(gòu)通過(guò)施加預(yù)應(yīng)力可有效節(jié)約鋼材，且自身剛度大，預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)受力合理，可抵消大部分自重和屋面其他懸掛物的附加應(yīng)力，應(yīng)變較小，中心撓度小，后期應(yīng)力應(yīng)變健康監(jiān)測(cè)便利，可隨時(shí)調(diào)整預(yù)應(yīng)力，保證結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。

國(guó)家體育館是奧運(yùn)中心區(qū)三大主場(chǎng)館之一，由比賽區(qū)，熱身區(qū)，外圍附屬用房，地下車(chē)庫(kù)，四個(gè)功能區(qū)組合而成，總建筑面積約81000平方米。地下一層，地上四層，比賽區(qū)和熱身區(qū)屋頂鋼結(jié)構(gòu)連成一整體，鋼屋蓋結(jié)構(gòu)形式為單曲面、雙向張弦桁架鋼結(jié)構(gòu)，上弦為正交正放的平面桁架，下弦預(yù)應(yīng)力張拉索穿過(guò)鋼撐桿下端的雙向索夾節(jié)點(diǎn)，形成雙向張拉索網(wǎng)。4.1工程概況比賽賽館館屋屋面面呈呈南南高高北北低低波波形形曲曲線(xiàn)線(xiàn)，，結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)最最高高點(diǎn)點(diǎn)標(biāo)標(biāo)高高為為42.454m。屋屋蓋蓋鋼鋼結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)上上層層采采用用正正交交正正放放桁桁架架結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)，，桁桁架架雙雙向向間間距距8.5m，結(jié)構(gòu)構(gòu)截面面高1.518-3.973m。上弦弦面內(nèi)內(nèi)所有有桿件件及腹腹管為為圓管管，圓圓管截截面為為159×6mm~480×24mm，采用用無(wú)縫縫鋼管管，下下弦面面內(nèi)所所有桿桿件為為焊接接矩形形管，，截面面范圍圍為350×200×8×8~450×275×25××20mm。上弦弦采用用帶肋肋焊接接球節(jié)節(jié)點(diǎn)，，截面面范圍D500×18mm~D700×35mm。下弦弦采用用鑄鋼鋼節(jié)點(diǎn)點(diǎn)。屋蓋鋼鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)在比比賽區(qū)區(qū)區(qū)域域的尺尺寸為為114m××144.5m?？v向向有B~Q軸共14榀平面面桁架架，兩兩側(cè)邊邊6榀桁架架不布布索，，E~M軸共8榀，為為預(yù)應(yīng)應(yīng)力索索張弦弦縱向向桁架架。橫橫向有有7~24軸共18榀平面面桁架架，兩兩側(cè)邊邊各2榀不布布索，，9~22軸為預(yù)預(yù)應(yīng)力力索張張弦橫橫向桁桁架（（圖1)。預(yù)應(yīng)應(yīng)力索索分上上下兩兩層，，縱索索在上上采用用單索索，橫橫索在在下為為雙索索。桁架預(yù)預(yù)應(yīng)力力鋼索索采用用擠包包雙護(hù)護(hù)層大大節(jié)距距扭絞絞型纜纜索，，定位位撐桿桿（撐撐桿為為圓管管，截截面為為219×12mm，最長(zhǎng)長(zhǎng)為9.248m）。上上端與與桁架架結(jié)構(gòu)構(gòu)的下下弦采采用萬(wàn)萬(wàn)向球球絞節(jié)節(jié)點(diǎn)連連接，，下端端與索索采用用夾板板節(jié)點(diǎn)點(diǎn)連接接，縱縱橫向向索穿穿過(guò)鋼鋼撐桿桿下端端的雙雙向節(jié)節(jié)點(diǎn)，，形成成雙向向張拉拉空間間索網(wǎng)網(wǎng)，索索端與與鋼結(jié)結(jié)構(gòu)相相連處處設(shè)計(jì)計(jì)為鑄鑄鋼節(jié)節(jié)點(diǎn)。。(圖2.3.4)4.2鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)預(yù)應(yīng)應(yīng)力施施工4.2.1預(yù)應(yīng)力力索的的安裝裝索的安安裝穿穿插在在鋼構(gòu)構(gòu)件的的安裝裝過(guò)程程中，，索盤(pán)盤(pán)放置置在結(jié)結(jié)構(gòu)外外地坪坪上，，縱橫橫向拉拉索使使用捯捯鏈輔輔助牽牽引，，隨鋼鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)一起起滑移移，但但索不不張拉拉，僅僅預(yù)緊緊。索索規(guī)格格主要要有4種:5××109,5××187,5××253,5××367.橫向鋼鋼索預(yù)預(yù)張力力中間間索最最大2000KN，端部部索最最小1100KN；縱向向鋼索索預(yù)張張力中中間索索最大大1600KN，端部部索最最小1300KN，張拉拉過(guò)程程中，，考慮慮縱橫橫向索相相互影影響和和張拉拉先后后順序序?qū)λ魉髁τ坝绊?，，需超超張拉拉，橫橫向雙雙索最最大張張拉力力達(dá)到到2730KN,縱向單單索最最大張張拉力力達(dá)到到1850KN。4.2.2預(yù)應(yīng)力力索張張拉按施工工方案案，張張拉施施工分分3級(jí)由兩兩端向向中間間雙方方向?qū)?duì)稱(chēng)施施工。。第一一張拉拉至80%設(shè)計(jì)索索力；；第二二次張張拉100%設(shè)計(jì)索索力，，并超超張拉拉5%；第三三級(jí)進(jìn)進(jìn)行索索力微微調(diào)，，調(diào)整整到設(shè)設(shè)計(jì)值值。分分級(jí)張張拉施施工順順序如如下圖所示示（第第一級(jí)級(jí)為1-7號(hào)圖，，第二二級(jí)為為8-14號(hào)圖，，第三三級(jí)根根據(jù)監(jiān)監(jiān)測(cè)情情況對(duì)對(duì)個(gè)別別索調(diào)調(diào)整。。）第一次次張拉拉9,22，E,M軸線(xiàn)張張拉到到80%設(shè)計(jì)力力，分分別為980.1060.1360.1360KN.第二次次張拉拉21.F.L軸線(xiàn)張張拉到到80%設(shè)計(jì)力力，分分別為為1110.1750.1640.1640KN。第三次次張拉拉⑩、、①、、⑥、、⑥軸軸線(xiàn)張張拉到到80％設(shè)計(jì)計(jì)力，，分別為為1670、2160、1850、1850(KN)。第四次次張拉拉⑩、、⑩、、⑩、、⑦軸軸線(xiàn)張張拉力力到80％設(shè)計(jì)計(jì)力，分分別為為2190、2220、1720、1640(KN)。第五次次張拉拉⑩、、⑩軸軸線(xiàn)張張拉力力到80％設(shè)計(jì)計(jì)力，，分別別為2380、2730(KN)。第六次次張拉拉⑩、、⑩軸軸線(xiàn)張張拉力力到80％設(shè)計(jì)計(jì)力，，分別別為2400、2430(KN)。第七次次張拉拉15.16軸線(xiàn)張張拉到到80%設(shè)計(jì)力力，分分別為為1860.1910KN.第八次次張拉拉15.16.H.J軸線(xiàn)張張拉到到105%設(shè)計(jì)力力，分分別為為2520.2580.1900.1900KN.第九次次張拉拉14.17.G.K軸線(xiàn)張張拉到到105%設(shè)計(jì)力力，分分別為為2270.2290.1810.1810KN第十次次張拉拉13.18.F.L軸線(xiàn)張張拉到到105%設(shè)計(jì)力力，分分別為為2110.2180.1490.1490KN第十一一次張張拉12.19.E.M軸線(xiàn)張張拉到到105%設(shè)計(jì)力力，分分別為為1940.1960.1400.1400KN第十二二次張張拉11.20軸線(xiàn)張張拉到到105%設(shè)計(jì)力力，分分別為為1540.1930KN第十三三次張張拉10.21軸線(xiàn)張張拉到到105%設(shè)計(jì)力力，分分別為為1160.1690KN第十四四次張張拉9.22軸線(xiàn)張張拉到到105%設(shè)計(jì)力力，分分別為為1160.1160KN張拉過(guò)過(guò)程中中，嚴(yán)嚴(yán)格按按方案案施工工，張張拉力力允許許偏差差5%，各級(jí)級(jí)張拉拉施工工張拉拉力實(shí)實(shí)測(cè)值值均在在允許許偏差差范圍圍內(nèi)。。（表表1）表一預(yù)預(yù)應(yīng)力力施工工張拉拉力KN4.2.3預(yù)應(yīng)應(yīng)力張張拉施施工應(yīng)應(yīng)力應(yīng)應(yīng)變監(jiān)監(jiān)測(cè)情情況張拉中中鋼屋屋架逐逐榀向向上拱拱起，，張拉拉結(jié)束束屋蓋蓋整體體與中中滑道道支撐撐塔架架成功功脫離離，完完成卸卸載，，與前前期實(shí)實(shí)驗(yàn)?zāi)ＤＰ拖嘞辔呛虾?。屋屋蓋中中心起起拱采采用吊吊線(xiàn)墜墜與全全站儀儀兩種種監(jiān)測(cè)測(cè)方式式，屋屋蓋中中心起起拱設(shè)設(shè)計(jì)理理論計(jì)計(jì)算值值為177mm，實(shí)測(cè)測(cè)為159mm，偏差差18mm。按事事先設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)計(jì)算，，若起起拱值值達(dá)到到理論論計(jì)算算值的的50%(即89mm)，在屋屋面全全負(fù)荷荷狀態(tài)態(tài)下仍仍可滿(mǎn)滿(mǎn)足承承載力力和正正常使使用要要求，，因此此，起起拱159mm與設(shè)計(jì)計(jì)理論論值177mm吻合較較好，，完全全滿(mǎn)足足設(shè)計(jì)計(jì)要求求。張拉施施工中中采用用振弦弦式應(yīng)應(yīng)變計(jì)計(jì)對(duì)鋼鋼屋架架進(jìn)行行應(yīng)力力應(yīng)變變監(jiān)控控，張張拉完完成后后，最最大應(yīng)應(yīng)力點(diǎn)點(diǎn)監(jiān)測(cè)測(cè)情況況如表表2.經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)單位位復(fù)核核認(rèn)為為，上上述屋屋蓋中中心起起拱值值，桿桿件應(yīng)應(yīng)力監(jiān)監(jiān)測(cè)值值的實(shí)實(shí)測(cè)值值和偏偏差值值狀況況良好好，滿(mǎn)滿(mǎn)足設(shè)設(shè)計(jì)要要求，，相比比前期期1:10模型試試驗(yàn)更更為理理想。。4.2.4預(yù)應(yīng)力力張拉拉施工工驗(yàn)收收按照國(guó)國(guó)家體體育館館鋼結(jié)結(jié)構(gòu)專(zhuān)專(zhuān)項(xiàng)驗(yàn)驗(yàn)收標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，，預(yù)應(yīng)應(yīng)力張張拉工工程驗(yàn)驗(yàn)收和和控制制點(diǎn)是是張拉拉后預(yù)預(yù)應(yīng)力力索是是否達(dá)達(dá)到設(shè)設(shè)計(jì)張張拉力力。標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)未未將起起拱值值列為為驗(yàn)收收項(xiàng)目目之一一，也也沒(méi)給給定允允許偏偏差值值。屋屋蓋中中心起起拱值值僅作作為預(yù)預(yù)應(yīng)力力施工工參考考，是是預(yù)應(yīng)應(yīng)力施施加和和受預(yù)預(yù)應(yīng)力力結(jié)構(gòu)構(gòu)剛度度匹配配的綜綜合反反映。。屋架高高空拼拼裝誤誤差，，高度度的不不均勻勻分布布都會(huì)會(huì)造成成張拉拉后起起拱實(shí)實(shí)測(cè)值值和理理論計(jì)計(jì)算值值的偏偏差。。預(yù)應(yīng)力力施工工質(zhì)量量的最最終評(píng)評(píng)定：一是看看預(yù)應(yīng)應(yīng)力是是否達(dá)達(dá)到設(shè)設(shè)計(jì)值值，是是否在在驗(yàn)收收標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)允許許偏差差范圍圍內(nèi)。。二是是應(yīng)力力變形形監(jiān)測(cè)測(cè)情況況經(jīng)設(shè)設(shè)計(jì)單單位復(fù)復(fù)核確確認(rèn)是是否復(fù)復(fù)核設(shè)設(shè)計(jì)要要求。。國(guó)家家體育育館鋼鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)全部部預(yù)應(yīng)應(yīng)力達(dá)達(dá)到設(shè)設(shè)計(jì)張張拉力力，并并在驗(yàn)驗(yàn)收標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)允允許偏偏差范范圍內(nèi)內(nèi)，張張拉施施工中中設(shè)計(jì)計(jì)單位位也多多次到到現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)對(duì)張張拉和和應(yīng)力力變形形監(jiān)測(cè)測(cè)情況況進(jìn)行行了驗(yàn)驗(yàn)收和和確認(rèn)認(rèn)，國(guó)國(guó)家法法定檢檢測(cè)單單位在在張拉拉施工工前后后都對(duì)對(duì)屋蓋蓋鋼結(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)進(jìn)行了了檢測(cè)測(cè)，檢檢測(cè)結(jié)結(jié)果均均符合合驗(yàn)收收標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)要求求。技術(shù)控制制的關(guān)鍵鍵是預(yù)應(yīng)應(yīng)力達(dá)到到設(shè)計(jì)值值，結(jié)構(gòu)構(gòu)構(gòu)件最最大應(yīng)力力，最大大應(yīng)變值值控制在在允許偏偏差范圍圍內(nèi)。4.3預(yù)應(yīng)力鋼鋼結(jié)構(gòu)施施工技術(shù)術(shù)控制要要點(diǎn)預(yù)應(yīng)力鋼鋼結(jié)構(gòu)施施工技術(shù)術(shù)控制要要點(diǎn)按施施工過(guò)程程可以分分為原材材料進(jìn)廠(chǎng)廠(chǎng)檢驗(yàn)，，預(yù)應(yīng)力力張拉實(shí)實(shí)施和預(yù)預(yù)應(yīng)力驗(yàn)驗(yàn)收三個(gè)個(gè)階段。。主要包包括:（1）鋼索和和張拉設(shè)設(shè)備的進(jìn)進(jìn)廠(chǎng)檢驗(yàn)驗(yàn)。（2）張拉設(shè)設(shè)備技術(shù)術(shù)參數(shù)標(biāo)標(biāo)定和檢檢定。（3）油路有有無(wú)滲漏漏。（4）索端外外露長(zhǎng)度度的初始始標(biāo)定。。（5）張拉的的同步性性控制。。（6）結(jié)構(gòu)應(yīng)應(yīng)力應(yīng)變變監(jiān)測(cè)。。（7）預(yù)應(yīng)力力張拉作