编委特刊 | 曾滨院士：预应力钢结构建造服役技术现状与展望

研究背景

 Research background 

1  预应力钢结构建造技术

1.1  发展历程

预应力钢结构诞生于二战后欧洲的重建时期。20 世纪 50 年代预应力钢结构技术引入国内。早期,钢材的缺乏限制了我国预应力钢结构的发展。随着材料与技术进步,自 20 世纪 80 年代起,预应力钢结构技术逐渐发展, 种类形式不断增加。

1.2　设计建造关键技术

建筑材料方面,20 世纪 80 年代,我国预应力钢结构中普遍采用 1470、1570 MPa 级和普通松弛钢绞线作为建筑材料。柔性自承结构以小型索膜结构为主,主要采用钢丝绳拉索。90 年代,钢绞线强度提升到 1770、1860 MPa,且松弛率低于 2.5%。同一时期,国内研发出的钢拉杆产品,强度等级也取得了提升,由 Q460、Q550 提升至 Q650 及以上。成品索因力学性能、整体性、防腐性及美观性优异,得到广泛应用,并进一步推动预应力钢结构迅速发展。

结构形式方面,1958 年我国首个预应力刚性传统钢结构山西大同四老沟煤矿建成,标志着预应力钢结构形式在中国正式落地应用。1961 年我国首个弱刚性支承结构北京工人体育馆悬索屋盖竣工,跨度达到 94 m,其规模与技术在同期处于国际较为先进水平。20 世纪 70 年代,在“结构成型理论”指导下,预应力柔性自承结构得以设计建造。随后,伴随着新型合成材料和纤维加强薄膜的发明,索膜结构发挥优势,显著减轻结构自重,缩短施工工期。在 80 年代前,我国预应力钢结构建造以刚性传统结构形式为主。1986 年上海浦东国际机场(一期)航站楼是我国首个采用张弦梁屋盖的工程,随后半刚性张弦结构在国内进入了快速发展期。

近年来,在建筑材料和结构形式发展过程中,形成了预应力钢结构领域标准体系。1963 年国际首部预应力钢结构领域专著《预应力承重金属结构》在苏联出版,同年,首部领域规范《预应力钢结构设计规程》(苏联标准)一同发布,为预应力钢结构领域发展奠定了基础。我国首部预应力钢结构领域标准 CECS 212 ∶2006《预应力钢结构技术规程》于 2006 年正式出版并实施,在苏联《预应力钢结构设计规程》的基础上结合当时新材料、新工艺与新结构形式,对预应力钢结构学科进行了完善和提高。时至今日,预应力钢结构领域标准不断推陈出新,已初具规模,部分标准见表 1。

表1　我国预应力钢结构领域标准

1.3　现状与分类

近年来,随着钢材产量的持续增长和预应力技术的飞速发展,预应力钢结构在 21 世纪初得到迅速发展。如今,预应力钢结构在大型公共建筑中的应用规模越来越广泛,促进了新型结构体系的开发与应用。

预应力钢结构的分类方式有多种,按结构外形可以分为张弦结构、悬索结构、斜拉结构、索膜结构等;按基本钢结构类型可以分为网壳、桁架、网架等;按空间结构形式又可划分为网架、悬索、网壳、薄壳、薄膜等。

基于预应力对结构刚度的贡献,将预应力作用作为划分依据,可划分为刚性传统结构、弱刚性支承结构和柔性自承结构(图 2)。其中,“刚性”“弱刚性”和“柔性”是指施加预应力之前钢结构的刚度特征;“传统”“支承”和“自承”是指预应力的作用模式。“传统”是指通过施加预应力为结构构件提供反向应力,改善调整结构受力状态;“支承”是指通过引入预应力,为结构构件提供弹性约束支座,调整改变结构受力方式;“自承”是指预应力载体为主承重构件,为结构提供整体刚度。

图2　基于预应力作用的预应力钢结构分类

刚性传统结构在传统钢结构的基础上,通过直接对构件施加预应力来改善结构受力性能,并且施加的预应力作用与结构外界荷载作用相反,部分抵消外荷载作用效应,从而提高钢结构承载能力。弱刚性支承结构分为上承式悬挂结构(如斜拉结构、悬索结构、索拱结构等)、下承式张弦结构(如张弦梁、张弦桁架等)和侧向支承竖向结构(如玻璃幕墙)。与刚性传统结构和弱刚性支承结构不同,柔性自承结构中,施加预应力后的索、膜为结构提供了整体刚度,使几何可变的机构转化为几何不变的稳定结构。

现今,预应力钢结构结构形式的发展由传统刚性过渡到弱刚性再到柔性,并且呈现出弱刚性和柔性结构占据主流的趋势。

2  预应力钢结构服役性能评价

2.1　检测技术

预应力钢结构拉索索力测试方法可分为直接法与间接法两类,直接法是直接测得索力的方法,如压力传感器法、油压表测试法等;间接法通过测得其他物理量换算索力,如磁通量法和振动频率法等(图 3)。

图3　索力检测设备

2.1.1　直接法

压力传感器法通过在拉索端部设置压力传感器来检测拉索索力。按原理可分为振弦式、电阻式、压电式、光栅式四类。该方法操作方便,精度高,但需在新建时预安装传感器,无法应用于既有结构,且传感器长期处于高应力状态,容易破坏失效。

油压表测试法是指在拉索张拉时,通过千斤顶油缸中液压与千斤顶张拉力的比例关系得到拉索索力的方法。该方法传力路径明确, 测量精度高,但仅能测量施工中的拉索索力,无法应用于在役结构。

弓式测力计法又称三点弯曲法,该方法通过测力器在钢索上制造三点弯曲的局部变形,假定索为完全柔性体,根据力的平衡计算得到拉索索力。该方法操作简便,可应用于在役索结构,但截面较大的封闭式钢索等无法视为“完全柔性索”的结构,需要依据抗弯刚度进行修正。

2.1.2　间接法

磁通量法在拉索外部穿套线圈,检测拉索的磁导率变化,由磁导率与拉索材料所受张力的关系推定拉索索力。根据传感器的数量,磁通量法可分为单传感器系统和多传感器系统。磁通量法传感器安装方便、稳定性高、耐久性好,但受初始条件设置与温度等影响较大。

振动频率法通过采集拉索的加速度、速度等动力响应信号,根据频谱分析得到自振频率,由自振频率与索力之间的关系得到索力。传统的接触式动力采集操作繁复,应用于高空、大跨度的索结构时干扰较大,因此近年采用雷达波、摄影测量、激光等发射介质的非接触测试方法逐渐得到应用。几种方法的特点和优缺点如表 2 所示。

表2　几种方法的特点和优缺点

2.2　评定技术

索力评定有如下两种方法:

1) 磁通量法分析。

工程中,已知磁通量传感线圈有效截面面积 A₀,拉索的横截面面积 A_f,采集线圈中有钢丝和无钢丝时的感应电压 V_out 与 V,根据工作需要外加的磁场 H,结合拉索的应力 R 和温度 T,在测试得到磁导率相关系数 L(R,T,H) 的条件下,可通过拉索索力与测试采集的磁导率关系模型计算得到索力,如式(1):

在温度一定的情况下,磁导率渗透系数与材料应力呈现显著且稳定的线性关系,借由上述磁通量分析方法,可快速计算得到拉索索力,但面对温差较大的工程环境,该套分析方法应用较为困难。

2) 频率法分析。

工程中,使用频率计算索力时,已知拉索的单位长度的质量 m,拉索计算长度 l,并根据频谱图得到第 n 阶固有频率 f_n,便可以通过基于弦理论的计算公式(式(2)),计算得到拉索索力 T。

然而该公式只适用于大索力、小垂度的工况,且并未考虑抗弯刚度、支承约束以及附加质量等服役条件的影响。

拉索的抗弯刚度会极大地影响拉索的振动频率,且随主频阶数的增加而迅速增加,可通过在公式中加入修正项消减,附加质量一般指索夹、拉索包覆、传感器等的质量影响,计算时可假定集中质量 m₁ 在索上位置, 通过能量守恒定律推导分析。综合考虑抗弯刚度、集中质量影响时,索力与频率关系式可表达为:

2.3　损伤识别

在预应力钢结构中,拉索作为关键承载构件,其健康状态直接影响结构整体的安全性和耐久性。因此,准确识别拉索的损伤显得尤为重要。

传统的索力损伤识别方法主要包括固有频率法、曲率模态法等。固有频率法通过监测拉索的固有频率变化来推断其损伤情况,这种方法频率参数易获取且识别精度高,但在实际应用中频率变化对不同位置和程度的损伤反应不一致,且高阶频率难以测得,难以精准量化和定位损伤。曲率模态法主要利用结构损伤前后的曲率变化来确定结构损伤的位置,需多测点数据方可保证测试精度的局限性。

正交分解法提出通过对拉索振动信号进行正交分解,提取出关键特征值,以此来反映拉索的健康状态。正交分解法在处理复杂环境下的数据时表现出色,能够有效过滤噪声干扰,提高识别精度。

3  在役性能提升技术

3.1　结构性能评价

大型预应力钢结构一般由工况复杂、数量庞大的预应力拉索组成,受制于资金与工作面的限值,现场检测工作往往采取抽检的方式。实际工程中需要凭借有限抽检数据对构件与结构性能进行较为精确的评价。

1) 设计复核。

传统预应力钢结构的评价一般采取设计复核的方式,即通过磁通量法、振动频率法等现场方法抽检构件的预应力,与设计值进行比对,并依据结构所处的环境条件和规范,对结构的服役性能进行综合评价。

2) 时空离散。

预应力钢结构在建造与服役过程中,受材料特性、结构荷载等多源不确定因素的影响,有效预应力的数值往往不符合理论计算结果,反映至整个结构,可能造成整体有效预应力的离散性偏大,性能评价困难。为此,可以使用单个正态分布或者高斯混合分布模拟单根拉索的有限预应力概率分布,再叠加形成构件的有效预应力分布,以实现对结构的整体评价。

3.2　构件性能提升

在预应力钢结构中,压杆稳定是结构安全控制的重要组成部分。套管加固是目前常用的压杆加固技术,将现有的杆件作为内管,并在其外部包覆构件以抑制其侧向弯曲变形。内管作为受力构件,主要承担全部的轴向压力,而外包构件则仅提供横向支撑,限制内管的侧向位移,防止内管在受压时发生低阶屈曲失效。

套管结构内管在受压屈曲失稳后,中部截面与外管接触,外管为内管提供足够的后屈曲强度,从而提升内管的受压承载能力,使其能承受极高的应力,甚至超过屈服应力,最终有效地控制内管的稳定性。目前,已建立了有初始荷载作用下的轴压钢构件预应力加固极限承载力简化计算方法和在具有侧向限位时的弹性稳定性临界荷载计算方法。

3.3　结构性能提升

预应力钢结构性能提升的两大思路分别是静力冗余与动力耗能提升,具体如下。

1) 增设冗余索。

合理设置结构中的冗余索,确保在主索失效或结构受到局部损伤时,提供额外的承载路径和结构冗余,从而有效避免因单一构件失效而引发的连续倒塌。

2) 结构体系阻尼加固。

在预应力钢结构内部安装耗能减振装置,通常采用在屋盖系统中增设具备质量、刚度和阻尼特性的子结构,即将振动能量在原结构与新增的子结构之间重新分配,以此减少主结构的振动幅度,并增强其抗震性能。

4  未来趋势与展望

4. 1　新材料应用

结构材料的创新是预应力钢结构发展的重要推动力之一。纤维增强复合材料作为近年来得到迅速发展的代表性高性能工程材料,具有轻质、高强、耐腐蚀、抗疲劳、温度变形小等优点,适合在预应力钢结构中作为传递预应力的重要材料。同时,其耐腐蚀、抗疲劳特性也可从根本上解决传统钢拉索的腐蚀疲劳问题,降低维护费用和对桥梁运行造成的影响;其温度变形小的特性可以显著改善桥梁温度效应,可带来显著的附加效益。

以 FRP 为代表的新材料,目前已经在城市景观、空间结构、公铁桥梁等钢结构公共建筑中开展了示范应用。未来,新材料在各类预应力结构中的推广应用将会为预应力结构的发展提供新的助力。

4.2　数字化维护系统

预应力钢结构的维护管理正逐步迈向数字化,建立一个综合性的数字化维护系统是提升结构安全性和使用寿命的重要手段。系统可通过“看、测、诊”三方面的技术手段,实现对结构状态的全方位监控和评估。

在“看”的方面,系统利用高分辨率摄像头和无人机技术进行实时监控和巡检,通过图像识别技术进行初步分析和预警。“测”方面,系统集成多种传感器,实时采集数据并通过大数据分析技术识别异常数据,为诊断提供依据,并帮助预测结构性能。“诊”的方面,系统结合人工智能技术进行故障诊断和健康评估,生成详细诊断报告,提出维护建议。

4.3　拉索智能建造与调控

传统预应力施工方法存在人工误差大、效率低、监控难等问题。通过引入物联网、大数据和人工智能,可显著提升索力施加精准度和施工效率。高精度传感器实时采集数据,传输至控制中心,实现动态监控和调整,提高施工精度,避免安全隐患。大数据分析优化施工方案,识别风险,提高质量和效率。人工智能推动自动化建造,智能设备根据反馈调整,减少人工风险,提高效率和安全性。

同时,智能建造提供的自动化调节系统,可结合数字化维护系统的监测分析数据实施主动调控,通过调节预应力作用,实现静力和动力承载下结构刚度的重分布,从而实现智能化服役目标。在突发灾变下,系统通过保护性应激响应调整结构刚度,确保结构不坏;通过选择性应激响应允许耗能杆件大变形,确保结构不倒,保障安全性。智能平台提高了安全性和耐久性,减少了维护成本和停工时间。

结  论

  Conclusions