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            建筑科技

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            多次預應力鋼構是綠色建筑精品

            作者:陸賜麟 來源: 時間:2014-10-05 14:50:07 瀏覽次數:

                一、多次預應力鋼結構建筑橫空出世
                 1994年,在四川省攀枝花市建成了世界上第一座多次預應力鋼結構網殼的體育館——攀枝花體育館。攀枝花體育館用事實、時間驗證了多次預應力鋼結構理論的正確性、經濟性和可行性。
                 1989年,攀枝花市勘察建筑設計院和筆者共同創意完成了攀枝花體育館。雖然工程的立項和審批并不順利,但建設過程卻一帆風順,多次技術把關、多次修改完善,一次安裝成功、一次投產,創造了大型創新工程成功建設的奇跡。
                 1995年攀枝花體育館工程獲得四川省科技進步一等獎、全國第一屆優秀建筑結構設計二等獎、全國第二屆優秀空間結構設計一等獎。在成功經驗的基礎上,攀枝花市建筑設計院于1997年又建成了西昌鐵路分局體育中心多次預應力鋼網殼屋蓋工程,成功實現創新。
                二、多次預應力鋼結構的特點及適用范圍
                 多次預應力鋼結構具有單次鋼結構同樣的優點,但對鋼材強度潛力卻具有重復利用、充分利用的更大優勢。所以,多次預應力鋼結構必然享有更高的經濟性。其具體屬性在材料彈性強度范圍內,可以多次地反復利用強度幅值,充分發揮強度潛力。這一屬性說明可以用有限的資源超額完成其能力以外的任務。相比單次預應力鋼結構節約鋼材的幅度10% 20%,多次預應力鋼結構可以節約鋼材達到30%、40%。由于結構中加載和卸載的應力差系數Q1和Q2不同,卸載階次越高,強度效益則越小。所以,工程實踐中結構的加載次數以2、3為宜,不宜超過4。
                 適宜采用多次預應力技術的結構類型和條件有以下四點:一是結構跨度較大,外部荷載較重,且荷載可分批施加到結構上去;二是結構承重材料具有相近的抗拉、抗壓彈性強度;三是結構體系具有較小的應力差系數Q,體系適宜采用多次預應力技術;四是施工條件可以滿足多次預應力技術的實施工藝。以上第一、第二、第四的要求都不難實現,唯獨第三點是需要探索研究的。這也就是同樣的多次預應力鋼結構工程所呈現不同經濟效益的原因。
                三、西南叢山中的兩顆綠色建筑明珠
                 攀枝花市體育館坐落在西南崇山峻嶺間的金沙江畔,是一座多功能現代化的綜合體育館。該館屋蓋呈八角花瓣形,結構是由預應力雙層鋼結構網殼構成。周邊用八個變厚度柱網殼相連。八邊形外尚有不等的懸挑。屋蓋支承于標高16.6米的8根RC圓柱上,相鄰柱距24.85米,球殼曲率半徑R=63.71米,矢高f=8.9米,殼厚h=1.8米,殼體中心標高H=27.90米,最大覆蓋平面尺寸74.8米×74.8米。該工程按7度抗震設防。1類場地,基本風壓0.5千牛/平方米,屋面荷載4.4千牛/平方米。網殼桿件采用16錳鋼管。屋蓋設計用鋼量為35千克/平方米。同比,非預應力鋼網殼的用鋼量達55.21,多次預應力鋼網殼節約鋼材達37%。與當時應用廣泛的平板網架同比用鋼量77.57千克/平方米相比,多次預應力鋼網殼節約鋼材超過了50%。
                 攀枝花體育館屋蓋設計達到如此驚人的經濟效果,歸功于多次預應力技術的采用。該方案選用了五階段加卸載設計。即:自重-第一批屋面板;第一次張拉卸載;第二批屋面板加載;第二次張拉卸載;屋面裝修-馬道-管線-全部設備。這種多次預應力施工工藝使得結構構件的內力峰值保持低量平穩,結構的變形量從增大到減小,控制在限定的范圍之內,網殼中心節點的豎向位移,隨著預應力階段的不同而有增有減,但都限定在設計要求。
                 西昌鐵路分局體育中心體育館是一座位于震區以球類比賽為主兼有其他文化娛樂的多功能體育館,其屋蓋為一矩形底球殼與外挑1~6米變厚柱殼組合的預應力鋼穹頂網殼結構。覆蓋平面尺寸為42.7米×59.7米。由于屋蓋為大開口型,所以沿兩個長向邊緣構件各設7個點支撐。球殼的曲率半徑為64.77米中心點矢高6.15米。網殼厚度1.25米?;撅L壓為0.4千牛/平方米。屋面荷載2.96千牛/平方米??拐鹆叶劝?度設防。主要桿件材質為Q235鋼管。預應力鋼索采用高強鋼絞線。網殼設計用鋼量為28.48公斤/平方米。結構選型時既要滿足建筑功能要求,又要符合安全可靠的設計規定。同時又制約于工程總投資及當地加工安裝的技術條件限制。由于屋蓋平面尺寸的長寬比較大,支承條件差,結構剛度小,屋蓋荷載重,又地處高烈度地震區,采用常規結構難以滿足設計要求。所以研究中分析三種方案:平板網架;組合雙曲扁網殼;多次預應力鋼網殼。分析表明:多次預應力鋼網殼比組合雙曲扁網殼的用鋼量節省27.99%;而多次預應力鋼網殼比平板網架的用鋼量節約更多,為34.54%。所以多次預應力鋼網殼是不二的選擇。
                四、幾點反思
                 第一,管理部門和技術單位要做科技創新的推動者及實踐者。攀枝花體育館在建設項目的審批會上曾遭到主管部門的質疑、否決。多次預應力技術創新的實踐檢驗因此被延遲了5年。筆者認為,領導者對新生事物采取謹慎和嚴格的態度是應該和必要的,但用拖延與擱置的手段以推卸“風險”責任,則是不當的做法。設計部門對此采取了積極態度,在大量研究與試驗基礎上,邀請專家們參加審查把關,化解了矛盾和困難。國際上首例的多次預應力鋼結構工程一次順利完工并投產服役。但是,近20年來多次預應力鋼結構學科發展緩慢,工程實踐未曾再現,不能不說是一個遺憾。鋼結構的科技創新在哪里?我們明確了方向,落實了項目后,需要的是真干和實干。
                 第二,對綠色建筑的理解和認識要進一步全面和深化。要可持續發展,必須重視節約資源、減免排污、環境保護、循環利用,在建筑行業中倡導綠色建筑工程。我國對綠色建筑的概念是:節能、節水、節地、節材和環保。在文字和言論表達中,較多論述的是太陽能利用、門窗保暖設計、水的循環利用等等。一座建筑物全壽命的成本當然初始投資是主要部分,而建筑材料的造價又是其重要部分。節材不僅僅是采用高強材料,更重要的是要在節約用材、合理用材、高效用材、科學選材、重復用材和回收舊材等方面多作倡導和要求。所以,設計伊始進行科學、合理、經濟的結構選型就會得到綠色建筑的關鍵保證。這樣,建筑工程才可能從“淺綠”走向“深綠”。
                 第三,“適用、經濟、美觀”建設三原則應回歸建筑行業并成為行規和“家風”。從古羅馬開始,這三原則就以不同的表述方式,貫徹在古今中外的建設過程中。攀枝花體育館在投資約束下,技術人員走出山區,面向全國尋求新體系、新技術、新方案并獲得成功的做法值得借鑒。近年來,我國關于“怪異”、“豪華建筑”的爭論至今沒有停止,違背“適用、經濟、美觀”的做法值得有關主管部門、技術單位深刻反思并認真糾正。
                 第四,積極創導行業健康發展的紛圍?,F代鋼結構產業的正確發展方向應當是機械化、自動化、工業化的大規模批量生產模式。所以對手工化、單體化、作坊化的特殊工程,尤其是對“梁柱連接節點無一雷同”、“構件形狀無一直線”的工程在行業內,應當盡量規避和淡化。符合行業發展方向與國家經濟政策的工程精品,則應大力宣傳與推廣。我們千萬不要因為被授予了某個“獎”項而迷失方向,甚至洋洋得意。我國的專業媒體和專家、學者應當根據科技發展方向和中國國情實際,把行業的健康發展作為自己責無旁貸的歷史責任。(建筑時報)
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