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预应力钢结构

[拼音]:yuyingli gangjiegou

[外文]:prestressed steel structure

在结构上施加荷载以前,对钢结构或构件用特定的方法预加初应力,其应力符号与荷载引起的应力符号相反;当施加荷载时,结构或构件先抵消初应力,然后再按照一般受力情况工作的钢结构称为预应力钢结构。图1a、b分别为预应力钢梁和预应力钢桁架的示意图。大跨度房屋建筑结构、吊车梁、桥跨结构、大直径贮液库、压力管道和压力容器等都可采用预应力钢结构。靠张紧钢丝绳、钢丝束等柔索维持平衡的钢塔桅结构(见塔式结构、桅式结构)和悬索结构,实际上也是预应力钢结构。此外,对已建成的钢结构工程,也可用预应力钢结构的原理进行加固。

钢结构建立预应力的方法主要有三种:

(1)张拉设在钢结构里或外的柔性杆,对结构或构件的整体或一部分建立初应力,柔性杆通常采用高强度钢丝束(绳)或圆钢。这时柔性杆的初应力是受拉;结构或构件的初应力是一部分受压、一部分受拉。这些初应力彼此相互平衡,当与荷载引起的应力叠加时,柔性拉杆的应力增加,而结构或构件各部分的应力将小于相应非预应力结构或构件的实际应力,从而可减小截面。实质上这是利用抗拉强度很高的钢材代替一部分普通钢材,是工程中应用较多的方法。

(2)在超静定结构安装时,升高或降低某些支座以建立预应力。如两跨连续梁,先降低中间支座建立初弯矩,当与荷载引起的弯矩叠加时,可减小起控制作用的支座弯矩,从而节约钢材。

(3)强制结构部件在有弹性变形状态下进行组装,利用恢复变形的能力以建立预应力。如由两根T形钢组成的I形钢梁,先对I形钢反向施加预顶力后,将两根T形钢焊接成整体;整体梁在卸除预顶力后即建立起预应力,该预应力在梁截面的中间部分与荷载引起的应力同号,但上、下翼缘与荷载引起的应力异号;预应力与荷载引起的应力叠加所得梁截面的应力较均匀,上、下翼缘的最大应力较小,从而提高了梁的承载能力,节约了钢材。

预应力的建立可以一次完成,也可随结构或构件上荷载的增加而分阶段多次完成。前者称为单次预应力,后者称为多次预应力。多次预应力钢结构常比单次预应力钢结构受力更合理,材料利用更充分;但技术要求较高,施工也复杂。

与非预应力钢结构相比较,预应力钢结构还可扩大结构或构件的弹性工作范围,减小挠度,更有效地利用高强度钢材,从而改善结构或构件的工作状况。但是,建立钢结构预应力常需设置柔性拉杆的支承脚和锚固夹头等附加零件,致使结构或构件的构造复杂,制造和安装费工。此外,复杂的结构构造和高应力状态下高强度钢的应用,往往使结构或构件的应力集中和加大脆性断裂的可能性。对柔性拉杆的防腐和防火也需要予以重视。

在设计预应力钢结构及计算其整体和各部件的强度、稳定和变形时,不但应考虑结构在制造、运输、安装和使用过程中各种荷载的作用,而且还应考虑预应力的作用,以保证结构的安全和正常使用。

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