科技创新预应力钢绞线在钢结构中的应用.docx

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科技创新预应力钢绞线在钢结构中的应用

预应力在钢结构中的应用探讨

预应力在混凝土工程中应用比较广泛，常见的就是桥梁工程中的箱形梁和空心板。

其张拉法可分为先张法和后张法先张法就是在绑扎完钢筋之后，对钢绞线进行预应力张拉，然后进行混凝土浇筑。

后张法是先在钢筋笼里埋设波纹管或者其他管道，浇筑混凝土，然后把钢绞线穿进波纹管进行张拉，但我们对预应力钢结构的认识比较有限，现通过对预应力钢结构的初步研究，来阐述其原理，为在以后的钢结构工程中开辟一条新的思路，取得新的发展和效益。

一、预应力钢结构的定义

预应力钢结构，就是在结构承受荷载之前，预先对其施加压力，使其在外荷载作用时的受拉区内力产生压应力，用以抵消或减小外荷载产生的拉应力，使结构在正常使用的情况下不产生变形或者脆性破坏。

钢结构中施加预应力的目的除提高结构刚度，改善结构性能。

钢结构中施加预应力的目的除提高结构强度、稳度、刚度外，主要是创建新型结构体系。

赋予零刚度结构以必要刚度，改变几何可变体系为几何不变体系、设计按强度计算的压杆及具有预压应力的拉杆以及无受弯杆件的跨度结构等。

预应力钢结构的主要特点在于：

①充分、反复地利用钢材弹性强度幅值，从而提高结构承载力。

②改善结构受力状态，节省钢材。

例如受弯构件中的部分弯矩可以施加预应力转换为轴拉力，从而构件截面可以缩小，降低用钢量。

③提高结构刚度及稳定性，改善结构的各种属性。

由于降低结构自重而减小地震荷载，提高其抗震性能等。

一般预应力都是通过钢绞线实现的，钢绞线是由多根钢丝绞合构成的钢铁制品，碳钢表面可以根据需要增加镀锌层、锌铝合金层、包铝层（aluminumclad）、镀铜层、涂环氧树脂（epoxycoated）等。

最常用的钢绞线为镀锌钢绞线和预应力钢绞线，常用预应力钢绞线直径在9.53mm-17.8mm范围，有少量更粗直径的钢绞线。

每根预应力钢绞线中的钢丝一般为7根，截面面积为15.2mm2,也有2根、3根及19根，钢丝上可以有金属或非金属的防腐层,涂防腐油脂或石蜡后包HDPE的称为无粘结预应力钢绞线（unbondedsteelstrand）

二、预应力钢结构几个具体运用

举例说明，第一、在巩义原日报社楼顶增设钢结构工程项目中，考虑到屋顶要摆放大型设备，为提高钢梁的承重能力，同时减轻结构自身重量，甲方和施工方从经济和安全角度出发，决定采用钢绞线张拉的预应为钢结构体系，如图所示：

由于本工程只是加固，所以张拉施工工艺是人工转动螺丝来上紧钢绞线，如果其他大型张拉工程需采用千斤顶等辅助设备。

锚具垫片如图所示：

D轴端用空心螺杆上紧，上紧程度用梁起拱的高度确定，根据PKPM计算结果，恒载取0.3KN/m2,活载取0.5KN/m2,钢梁HN400*200*10*13，中间位置下挠为34.9mm,由于此钢梁只是加固，故测量方法为拉线测量，具体方法为：

1.钢绞线一端用垫片固定好。

2.另一端钢绞线穿过空心锚杆用垫片固定好。

3.用扳手转动螺帽，上紧钢绞线。

4.梁端部线绳拉直，慢慢用扳手上紧螺丝，同时一人在梁中间部位测量钢梁上拱的高度，当钢梁起拱高度达到34.9mm时，停止。

5.一根钢绞线承受的重量，直径15.2钢绞线，可承受的压强是1860MPa,他的横截面积是140mm2，所能承受的力是1860Mpa*140mm2*0.75=195300N=193KN=19.3t

第二，某钢结构厂房由于下大雪，导致钢梁局部失稳，下挠过大，肉眼可以明显观察到梁下挠，为消除隐患，可以采取更换钢梁的办法，但工程量大，且需要拆除屋面板，此时可采用预应力来加固，具体作法为：

1.首先加固钢柱，用地锚45度斜拉钢柱，防止因施工遭成二次破坏。

2.在钢梁的下翼板距钢柱1m左右下侧焊上锚固件，用来固定钢绞线。

3.如果钢梁变形小，则直接在钢梁下翼缘板上张拉，由于上部有约束，下部无约束，故钢梁要向上起拱。

如果钢梁变形过大，则需在钢绞线与钢梁的下翼缘板加几个支架，张拉钢绞线，梁受到一个向上的反力，故向上起拱，纠正变形。

第三，利用以上原理，可增加钢吊车梁荷载，钢吊车梁下翼板下部焊接锚固件，之后通过张拉钢绞线，让钢绞线承受因吊车梁下挠产生的拉力，从而增加吊车吨位，

这种改造的优点是：

1.不破坏原厂房结构。

2.对原厂房的生产可减少到最小程度。

3.可节省改造成本。

另外还可修复下挠过大的吊车梁和改正因设计考虑不足而造成的受力缺陷。

三、预应力钢结构张拉原理：

第一，预应力张拉控制要以应力控制为主，伸长值作为复核的控制方法。

也就是说，以张拉力控制做为主要控制指标。

第二：

根据校定的千斤顶和油表来确定油表读数；

第三：

依据图纸或设计要求来确定初始应力为多少一般为控制应力的10%-20%；（主要作用是在正式张拉前张紧钢绞线，控制每一根钢绞线初始应力都相同）

第四：

根据钢绞线数量和截面积把应力转换成力值；

第五：

将初始控制应力和控制应力转换的力值带入校顶报告的线性方程中，这样可以得到相应的油表读数，这个油表读数就是你要张拉时主要控制的数据，张力中一定要达到这个数值；

第六；根据图纸给出的不同区段长度要计算出钢绞线理论伸长值；

第七：

将按照油表读数张拉的张拉值产生的伸长值与理论伸长值比较，看看误差是否在规范要求范围内（一般为正负6%）

预应力钢绞线伸长量的计算公式：

1、预应力钢绞线张拉理论伸长量计算公式

ΔL＝（PpL）/（ApEp）

式中：

Pp――预应力筋的平均张拉力（N）

L――预应力筋的长度（mm）

Ap――预应力筋的截面面积（mm2）

Ep――预应力筋的弹性模量（N／mm2）

2、千斤顶油表读数计算公式：

千斤顶线性方程：

Y=AX+B

则：

X=（Y-B）/A

Y:

张拉力

A、B:

千斤顶特征系数

X:

油表读数

四、钢结构施加预应力的方法：

钢绞线张拉法

在结构体系中布置索系，通过千斤顶张拉索端而在结构中产生卸载应力而受益，这是国内外应用广泛技术成熟的一种工艺。

但索端须有锚头固定，且需张力设备等。

支座位移法

在连续梁和超静定结构中，人为地强迫支座位移（垂直或水平移位），改变支座设计位置可调整内力，降低弯矩峰值，减小结构截面面积。

这种方法可节省钢索，锚头等附加材耗及张拉工艺，适用于地基基础较好的工程，如钢结构桥梁工程，中间支座先抬升，钢梁焊接后，再恢复原来位置，中间起拱而增加受力。

弹性变形法

钢材在弹性变形条件下，将组成结构的杆件和板件连成整体。

卸除强制外力后，结构内出现恢复力产生的有益预应力，如网架工程。

手工简易法

用于中、小跨，施加张力不大情况下，例如拧紧螺母张拉拉杆，用正反扣螺栓横向椎拉拉索产生张力等手工操作法，简易可行，便于推广，适用于广大地区。

热量变形法，用可燃气体，烤热钢梁，利用热涨冷缩的原理，向有利于我们需要的方向发展，如控制梁的拱度。

凡是钢结构适用的地方都可以用预应力钢结构取代以改善结构性能降低钢耗。

尤其在跨度大，荷载重的情况下经济效益更为显著。

对预应力钢结构应用广泛的领域是房屋建筑结构，如体育场馆、会展中心、剧院、商场、飞机库、候机楼等大型公共建筑中。

另一个应用较多的领域是桥梁结构，国内外许多悬索桥，斜拉桥都是技术成熟的预应力钢结构工程。

把预应力技术用于服役钢结构的加固补强上更是内容丰富、种类繁多。

预应力技术用于轻钢结构、钢板结构的研究已经启动，其在工程中的应用与发展有待深入。