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建筑科技

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多次预应力钢构是绿色建筑精品

作者:陆赐麟 来源: 时间:2014-10-05 14:50:07 浏览次数:

    一、多次预应力钢结构建筑横空出世
     1994年,在四川省攀枝花市建成了世界上第一座多次预应力钢结构网壳的体育馆——攀枝花体育馆。攀枝花体育馆用事实、时间验证了多次预应力钢结构理论的正确性、经济性和可行性。
     1989年,攀枝花市勘察建筑设计院和笔者共同创意完成了攀枝花体育馆。虽然工程的立项和审批并不顺利,但建设过程却一帆风顺,多次技术把关、多次修改完善,一次安装成功、一次投产,创造了大型创新工程成功建设的奇迹。
     1995年攀枝花体育馆工程获得四川省科技进步一等奖、全国第一届优秀建筑结构设计二等奖、全国第二届优秀空间结构设计一等奖。在成功经验的基础上,攀枝花市建筑设计院于1997年又建成了西昌铁路分局体育中心多次预应力钢网壳屋盖工程,成功实现创新。
    二、多次预应力钢结构的特点及适用范围
     多次预应力钢结构具有单次钢结构同样的优点,但对钢材强度潜力却具有重复利用、充分利用的更大优势。所以,多次预应力钢结构必然享有更高的经济性。其具体属性在材料弹性强度范围内,可以多次地反复利用强度幅值,充分发挥强度潜力。这一属性说明可以用有限的资源超额完成其能力以外的任务。相比单次预应力钢结构节约钢材的幅度10% 20%,多次预应力钢结构可以节约钢材达到30%、40%。由于结构中加载和卸载的应力差系数Q1和Q2不同,卸载阶次越高,强度效益则越小。所以,工程实践中结构的加载次数以2、3为宜,不宜超过4。
     适宜采用多次预应力技术的结构类型和条件有以下四点:一是结构跨度较大,外部荷载较重,且荷载可分批施加到结构上去;二是结构承重材料具有相近的抗拉、抗压弹性强度;三是结构体系具有较小的应力差系数Q,体系适宜采用多次预应力技术;四是施工条件可以满足多次预应力技术的实施工艺。以上第一、第二、第四的要求都不难实现,唯独第三点是需要探索研究的。这也就是同样的多次预应力钢结构工程所呈现不同经济效益的原因。
    三、西南丛山中的两颗绿色建筑明珠
     攀枝花市体育馆坐落在西南崇山峻岭间的金沙江畔,是一座多功能现代化的综合体育馆。该馆屋盖呈八角花瓣形,结构是由预应力双层钢结构网壳构成。周边用八个变厚度柱网壳相连。八边形外尚有不等的悬挑。屋盖支承于标高16.6米的8根RC圆柱上,相邻柱距24.85米,球壳曲率半径R=63.71米,矢高f=8.9米,壳厚h=1.8米,壳体中心标高H=27.90米,最大覆盖平面尺寸74.8米×74.8米。该工程按7度抗震设防。1类场地,基本风压0.5千牛/平方米,屋面荷载4.4千牛/平方米。网壳杆件采用16锰钢管。屋盖设计用钢量为35千克/平方米。同比,非预应力钢网壳的用钢量达55.21,多次预应力钢网壳节约钢材达37%。与当时应用广泛的平板网架同比用钢量77.57千克/平方米相比,多次预应力钢网壳节约钢材超过了50%。
     攀枝花体育馆屋盖设计达到如此惊人的经济效果,归功于多次预应力技术的采用。该方案选用了五阶段加卸载设计。即:自重-第一批屋面板;第一次张拉卸载;第二批屋面板加载;第二次张拉卸载;屋面装修-马道-管线-全部设备。这种多次预应力施工工艺使得结构构件的内力峰值保持低量平稳,结构的变形量从增大到减小,控制在限定的范围之内,网壳中心节点的竖向位移,随着预应力阶段的不同而有增有减,但都限定在设计要求。
     西昌铁路分局体育中心体育馆是一座位于震区以球类比赛为主兼有其他文化娱乐的多功能体育馆,其屋盖为一矩形底球壳与外挑1~6米变厚柱壳组合的预应力钢穹顶网壳结构。覆盖平面尺寸为42.7米×59.7米。由于屋盖为大开口型,所以沿两个长向边缘构件各设7个点支撑。球壳的曲率半径为64.77米中心点矢高6.15米。网壳厚度1.25米。基本风压为0.4千牛/平方米。屋面荷载2.96千牛/平方米。抗震烈度按9度设防。主要杆件材质为Q235钢管。预应力钢索采用高强钢绞线。网壳设计用钢量为28.48公斤/平方米。结构选型时既要满足建筑功能要求,又要符合安全可靠的设计规定。同时又制约于工程总投资及当地加工安装的技术条件限制。由于屋盖平面尺寸的长宽比较大,支承条件差,结构刚度小,屋盖荷载重,又地处高烈度地震区,采用常规结构难以满足设计要求。所以研究中分析三种方案:平板网架;组合双曲扁网壳;多次预应力钢网壳。分析表明:多次预应力钢网壳比组合双曲扁网壳的用钢量节省27.99%;而多次预应力钢网壳比平板网架的用钢量节约更多,为34.54%。所以多次预应力钢网壳是不二的选择。
    四、几点反思
     第一,管理部门和技术单位要做科技创新的推动者及实践者。攀枝花体育馆在建设项目的审批会上曾遭到主管部门的质疑、否决。多次预应力技术创新的实践检验因此被延迟了5年。笔者认为,领导者对新生事物采取谨慎和严格的态度是应该和必要的,但用拖延与搁置的手段以推卸“风险”责任,则是不当的做法。设计部门对此采取了积极态度,在大量研究与试验基础上,邀请专家们参加审查把关,化解了矛盾和困难。国际上首例的多次预应力钢结构工程一次顺利完工并投产服役。但是,近20年来多次预应力钢结构学科发展缓慢,工程实践未曾再现,不能不说是一个遗憾。钢结构的科技创新在哪里?我们明确了方向,落实了项目后,需要的是真干和实干。
     第二,对绿色建筑的理解和认识要进一步全面和深化。要可持续发展,必须重视节约资源、减免排污、环境保护、循环利用,在建筑行业中倡导绿色建筑工程。我国对绿色建筑的概念是:节能、节水、节地、节材和环保。在文字和言论表达中,较多论述的是太阳能利用、门窗保暖设计、水的循环利用等等。一座建筑物全寿命的成本当然初始投资是主要部分,而建筑材料的造价又是其重要部分。节材不仅仅是采用高强材料,更重要的是要在节约用材、合理用材、高效用材、科学选材、重复用材和回收旧材等方面多作倡导和要求。所以,设计伊始进行科学、合理、经济的结构选型就会得到绿色建筑的关键保证。这样,建筑工程才可能从“浅绿”走向“深绿”。
     第三,“适用、经济、美观”建设三原则应回归建筑行业并成为行规和“家风”。从古罗马开始,这三原则就以不同的表述方式,贯彻在古今中外的建设过程中。攀枝花体育馆在投资约束下,技术人员走出山区,面向全国寻求新体系、新技术、新方案并获得成功的做法值得借鉴。近年来,我国关于“怪异”、“豪华建筑”的争论至今没有停止,违背“适用、经济、美观”的做法值得有关主管部门、技术单位深刻反思并认真纠正。
     第四,积极创导行业健康发展的纷围。现代钢结构产业的正确发展方向应当是机械化、自动化、工业化的大规模批量生产模式。所以对手工化、单体化、作坊化的特殊工程,尤其是对“梁柱连接节点无一雷同”、“构件形状无一直线”的工程在行业内,应当尽量规避和淡化。符合行业发展方向与国家经济政策的工程精品,则应大力宣传与推广。我们千万不要因为被授予了某个“奖”项而迷失方向,甚至洋洋得意。我国的专业媒体和专家、学者应当根据科技发展方向和中国国情实际,把行业的健康发展作为自己责无旁贷的历史责任。(建筑时报)
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