鋼結(jié)構(gòu)建立預應力的方法主要有三種:
①張拉設在鋼結(jié)構(gòu)里或外的柔性桿,對結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的整體或一部分建立初應力,柔性桿通常采用高強度鋼絲束(繩)或圓鋼。這時柔性桿的初應力是受拉;結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的初應力是一部分受壓、一部分受拉。這些初應力彼此相互平衡,當與荷載引起的應力疊加時,柔性拉桿的應力增加,而結(jié)構(gòu)或構(gòu)件各部分的應力將小于相應非預應力結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的實際應力,從而可減小截面。實質(zhì)上這是利用抗拉強度很高的鋼材代替一部分普通鋼材,是工程中應用較多的方法。
②在超靜定結(jié)構(gòu)安裝時,升高或降低某些支座以建立預應力。如兩跨連續(xù)梁,先降低中間支座建立初彎矩,當與荷載引起的彎矩疊加時,可減小起控制作用的支座彎矩,從而節(jié)約鋼材。
③強制結(jié)構(gòu)部件在有彈性變形狀態(tài)下進行組裝,利用恢復變形的能力以建立預應力。如由兩根T形鋼組成的I形鋼梁,先對I形鋼反向施加預頂力后,將兩根T形鋼焊接成整體;整體梁在卸除預頂力后即建立起預應力,該預應力在梁截面的中間部分與荷載引起的應力同號,但上、下翼緣與荷載引起的應力異號;預應力與荷載引起的應力疊加所得梁截面的應力較均勻,上、下翼緣的最大應力較小,從而提高了梁的承載能力,節(jié)約了鋼材。
預應力的建立可以一次完成,也可隨結(jié)構(gòu)或構(gòu)件上荷載的增加而分階段多次完成。前者稱為單次預應力,后者稱為多次預應力。多次預應力鋼結(jié)構(gòu)常比單次預應力鋼結(jié)構(gòu)受力更合理,材料利用更充分;但技術要求較高,施工也復雜。
與非預應力鋼結(jié)構(gòu)相比較,預應力鋼結(jié)構(gòu)還可擴大結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的彈性工作范圍,減小撓度,更有效地利用高強度鋼材,從而改善結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的工作狀況。但是,建立鋼結(jié)構(gòu)預應力常需設置柔性拉桿的支承腳和錨固夾頭等附加零件,致使結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的構(gòu)造復雜,制造和安裝費工。此外,復雜的結(jié)構(gòu)構(gòu)造和高應力狀態(tài)下高強度鋼的應用,往往使結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的應力集中和加大脆性斷裂的可能性。對柔性拉桿的防腐和防火也需要予以重視。
在設計預應力鋼結(jié)構(gòu)及計算其整體和各部件的強度、穩(wěn)定和變形時,不但應考慮結(jié)構(gòu)在制造、運輸、安裝和使用過程中各種荷載的作用,而且還應考慮預應力的作用,以保證結(jié)構(gòu)的安全和正常使用。
預應力鋼結(jié)構(gòu)的特點
一是可以充分、反復地利用鋼材彈性強度幅值,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力狀態(tài)開始,逐漸加 載而達到材料設計強度而終止受力的,其承載力即為結(jié)構(gòu)承受各種荷載的總和。而預應力鋼結(jié)構(gòu)承載力則始于預應力產(chǎn)生的負應力狀態(tài)。預應力鋼結(jié)構(gòu)受載后,材料 經(jīng)過負應力→零應力→正應力→設計強度應力,達到結(jié)構(gòu)的承載力終值。所以,結(jié)構(gòu)承載力提高部分是由材料從負應力至零應力這一階段貢獻的。多次預應力鋼結(jié)構(gòu) 具有多次從負應力至零應力的受載過程,因此,其能多次作出貢獻,所以具有更大的承載能力。
二是可以改善結(jié)構(gòu)受力狀態(tài),降低應力峰值。譬如,受彎構(gòu)件中的峰值彎矩,可以通過增加撐桿施加預應力,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,甚至利用預應力技術創(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,改善結(jié)構(gòu)的各種屬性。預應力產(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。預應力可以調(diào)整結(jié)構(gòu)循環(huán)應力特征而提高疲勞強度。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,就是設計人員在本職工作中體現(xiàn)“低碳經(jīng)濟”、“綠色建筑”理念的大事。