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预应力钢结构抗火研究现状

发布者:鑫诺压瓦机 发布时间:2017-05-17 17:23
预应力钢结构是在结构上施加正常使用荷载之前,在结构上用特定的方法预加初应力,使结构构件控制截面产生的应力与设计荷载产生的应力符号相反,在结构中产生有利的应力分布,以提高构件或结构的承载能力,减小其结构变形,从而达到节约钢材,降低工程造价的目的。

  预应力钢结构是在结构上施加正常使用荷载之前,在结构上用特定的方法预加初应力,使结构构件控制截面产生的应力与设计荷载产生的应力符号相反,在结构中产生有利的应力分布,以提高构件或结构的承载能力,减小其结构变形,从而达到节约钢材,降低工程造价的目的。在钢结构中引入预应力技术是充分利用钢材弹性范围内的强度,使钢结构在相同的材料消耗时改善结构的受力性能,提高其承载能力和刚度,满足建筑功能要求,提高建筑空间利用率,节约钢材,提高综合效益。
  近年来,由于经济的快速发展,人们不断对建筑物功能提出新的标准与要求,特别是大跨空间结构建筑物如展览馆、会展中心、多功能厅等则提出了高的使用功能要求,使得钢结构得到广泛的应用,由于预应力钢结构可以改善其结构性能,降低钢材的使用量,在跨度大、荷载重的情况下,采用预应力技术的经济效益为显著。
  目前,预应力钢结构应用广泛的领域是大跨度建筑结构,譬如2008年北京奥运会羽毛球馆的屋盖钢结构采用了新型弦支弯顶结构体系,弦支弯顶是一种将刚性的单层网壳和柔性索撑体系组合在一起的杂交预应力大跨度结构体系。通过索撑体系引入预应力,减小了结构位移,降低了杆件应力,减少了结构对支座的水平推力,提高了结构整体稳定性。2008年北京奥运会羽毛球馆是目前世界上采用弦支弯顶结构体系的大跨度钢结构工程之一,也是目前国内预应力大跨度钢结构工程中体系具创新性的工程之一。在高层建筑中也有采用预应力钢结构的实例,譬如南非约翰内斯堡市的发展银行大楼、北京电视中心综合业务楼以及北京新保利大厦等。此外,在桥梁结构方面预应力应用的也较多,国内外许多悬索桥、斜拉桥都是技术成熟的工程实践,譬如2004年年底建成的法国米洛高架桥。高耸构筑物是利用预应力增强结构刚度的又一种类型,这是源于拉索作用能够大大提高主塔桅结构的水平刚度。把预应力技术用在已使用的钢结构的加固上是内容丰富、种类繁多。
  然而,任何事物都有“两面性”,钢材虽具有强度高、重量轻、材质均匀等许多优点,但有一个致命的缺点—不耐火,随着温度升高,钢材的强度和刚度下降,当温度超过300℃时,钢材的屈服强度和弹性模量开始明显降低,当温度达到400℃时其屈服强度将下降到常温下的1/2左右,弹性模量将下降到常温下的60%,当温度超过500℃时,钢材会发生明显的塑性变形,超过500℃时钢材的承载力将急剧降低。在火灾中无保护层的钢结构升温很快,即使室温下相对的结构在高温时也可能迅速破坏。不加保护的构件的耐火仅为10~20min一旦发生火灾,钢结构的承载能力将降低,变形增加,并在较短时间内就可能达到状态,甚至发生结构破坏,后果不堪设想。而预应力钢结构多属无劲结预应力体系,且多数结构长期暴露在外,对于预应力钢结构来说,不需要温度升到400℃以上,只要到达300℃左右,由于徐变现象的出现,预应力松弛而引起的内力重分布就可能造成整个结构的破坏,预应力度越大的结构耐火性越差,防火问题显得为重要。因此,预应力钢结构的防火设计应比普通钢结构和预应力混凝土结构加严格。