中國鋼構(gòu)網(wǎng)訊：目前預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展迅速, 

應(yīng)用廣泛。本文通過對預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用、特點(diǎn)、類型、經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行闡述, 提出了尚待開發(fā)與研究的領(lǐng)域, 隨著科技進(jìn)步,工業(yè)發(fā)展, 

預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)學(xué)科將更加深入地發(fā)展和提高。

　　關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu); 預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)

　　鋼結(jié)構(gòu)本身具有較為優(yōu)越的特點(diǎn), 

是一種比較理想的結(jié)構(gòu)。目前廣應(yīng)用于橋梁、電視臺(tái)、體育館以及各種大跨度結(jié)構(gòu)和高層結(jié)構(gòu)中。而將預(yù)應(yīng)力技術(shù)引入鋼結(jié)構(gòu), 能使鋼材的拉、壓強(qiáng)度同時(shí)得到充分利用, 

還能調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的剛度, 有效節(jié)約鋼材, 增加結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性, 減少結(jié)構(gòu)變形。預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)家族中的索膜體系、吊掛體系和網(wǎng)架網(wǎng)殼體系, 還以其新穎奇巧的建筑造型, 

有著強(qiáng)烈的美感。在當(dāng)前的大規(guī)模工程建設(shè)中有著非常廣闊的應(yīng)用前景。

　　1.預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展概況

　　預(yù)應(yīng)力技術(shù)不僅局限于混凝土結(jié)構(gòu), 

而且廣泛應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)中。預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展, 工程建設(shè)要求擴(kuò)大鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用, 而又應(yīng)該盡量節(jié)約鋼材。解決矛盾的主要途徑是: 

不斷研究和改進(jìn)現(xiàn)有的鋼結(jié)構(gòu)型式和設(shè)計(jì)理論, 并創(chuàng)造新型的鋼結(jié)構(gòu)形式( 包括組合或復(fù)合結(jié)構(gòu)) 。除節(jié)約鋼材減輕自重外, 還擴(kuò)大其應(yīng)用的范圍, 

創(chuàng)造新型的獨(dú)特建筑風(fēng)格。在此過程中, 預(yù)應(yīng)力技術(shù)必不可少, 

各種型式的預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)或預(yù)應(yīng)力組合結(jié)構(gòu)的研究與應(yīng)用也應(yīng)運(yùn)而生。五六十年代預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)學(xué)科的研究工作開展較為廣泛, 

從實(shí)腹梁、桁架等領(lǐng)域擴(kuò)展到鋼架、懸索結(jié)構(gòu)、大跨空間結(jié)構(gòu)、塔桅結(jié)構(gòu)、高層建筑、橋跨結(jié)構(gòu)、起重設(shè)備結(jié)構(gòu)、儲(chǔ)液庫和大直徑高壓管道結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域。發(fā)展初期, 

各國都偏重于理論和基本桿件的研究和試驗(yàn), 以后逐步進(jìn)入實(shí)用階段?，F(xiàn)在世界各地已陸續(xù)興建了不少預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)工程。我國在50 年代后期, 

也開始預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的研究與開發(fā), 

并在一批工礦企業(yè)的運(yùn)輸斜棧橋和吊車梁上采用了預(yù)應(yīng)力技術(shù)。同時(shí)對一批舊有的橋梁及建筑物在戰(zhàn)后人力物資匱乏的條件下采取了預(yù)應(yīng)力加固措施。對這一領(lǐng)域的開拓工作, 

我國其實(shí)起步不晚, 只因多種原因,曾一度進(jìn)展滯緩。近年來, 隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展, 

預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)再次受到各地的重視和應(yīng)用。

　　2.預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

　　預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)學(xué)科自誕生以來, 已經(jīng)走過了50年歷程, 

尤其近年來新材料、新工藝、新結(jié)構(gòu)發(fā)展迅速, 預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍幾乎已覆蓋了全部鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域。對于需要大跨度及大體量無阻擋空間, 

如體育館、歌舞劇院等;重級荷載及超重負(fù)荷條件, 如橋梁、多層停車場等; 活動(dòng)及移動(dòng)結(jié)構(gòu)物, 減輕自重是重要原則, 如塔吊、開啟式體育館、臨時(shí)性展覽廳等; 

高聳結(jié)構(gòu)物、穩(wěn)定性及剛度是主導(dǎo)因素, 如電視塔、氣象觀測塔、高壓輸電塔等; 需要?jiǎng)?chuàng)建新結(jié)構(gòu)體系、以柔索取代受彎構(gòu)件、以張力膜面取代剛性屋面層、以吊點(diǎn)取代支點(diǎn), 

如吊掛體系、索穹頂及索膜結(jié)構(gòu)等體系采用預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu), 將會(huì)帶來令人滿意的效果和可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

　　3. 預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

　　3.1 

預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)能夠充分發(fā)揮材料的強(qiáng)度潛力

　　普通鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力都是從零應(yīng)力開始，荷載作用后，構(gòu)件能夠受力至材料的抗拉或抗壓強(qiáng)度極限。構(gòu)件承載力大小取決于構(gòu)件的截面面積A與材料的強(qiáng)度極限f，即F=Axf，材料的應(yīng)力區(qū)間為[0.f]。而引入了預(yù)應(yīng)力技術(shù)后，在鋼材抗拉與抗壓強(qiáng)度相等的條件下，對于受拉構(gòu)件來說，可以通過拉桿中穿預(yù)應(yīng)力索，預(yù)拉索使拉桿預(yù)壓f暫不計(jì)穩(wěn)定系數(shù))，使壓應(yīng)力達(dá)到-f。然后，承受拉荷載的用，拉桿的極限承載能力將提高一倍，材料的應(yīng)力區(qū)間變?yōu)閇-f，+f] 

同時(shí)，對于拉桿中的索，結(jié)構(gòu)的很大的內(nèi)力轉(zhuǎn)移到索中，使高強(qiáng)材料適得其所。這只是一個(gè)簡單的例子，也就是說明了鋼結(jié)構(gòu)中引入了預(yù)應(yīng)力技術(shù)可以大大地提高結(jié)構(gòu)的彈性受力范圍和承載能力。

　　3.2預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)可以提高結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性，調(diào)整其動(dòng)力性能，特別是抗震性能

　　預(yù)應(yīng)力能在結(jié)構(gòu)構(gòu)件或體系中產(chǎn)生與荷載作用下位移（或撓度)方向相反或相同的預(yù)應(yīng)力位移（或撓度），以提高結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性圓。預(yù)應(yīng)力還能夠改變構(gòu)件的動(dòng)力性能，根據(jù)不同荷載（風(fēng)荷載、地震荷載等），通過合理選擇預(yù)應(yīng)力大小、預(yù)應(yīng)力體系等不同方案調(diào)整結(jié)構(gòu)中基本構(gòu)件的自振頻率和自振周期，以達(dá)到減震的效果。不加預(yù)應(yīng)力的和加預(yù)應(yīng)力的效果是很明顯的。結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度提高 

了十幾倍，但當(dāng)預(yù)應(yīng)力加到一定的程度，剛度的提高不再明顯。在變形以剪切為主的鋼框架上從底層到頂層，或者就在底部的幾層中(底層剪切變形大的樓層中)施加這樣的結(jié)構(gòu)，可以大大地提高整體結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，同時(shí)提高結(jié)構(gòu)的抗震耗能性能，但這樣的結(jié)構(gòu)增加了局部樓層的柱子和梁的軸力，對結(jié)構(gòu)也產(chǎn)生不利的影響。

　　3.3預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)有效地調(diào)整結(jié)構(gòu)的內(nèi)力狀態(tài)

　　結(jié)構(gòu)構(gòu)件中預(yù)應(yīng)力的合理引入，使結(jié)構(gòu)構(gòu)件或體系的內(nèi)力(彎矩，剪力和軸力等)發(fā)生了重分布，控制截面的內(nèi)力峰值產(chǎn)生不同程度的下降，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加經(jīng)濟(jì)合理。

　　4. 

預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的種類和受力機(jī)理

　　預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的種類和受力機(jī)理依采用的材料不同,預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)分為: 

同鋼種預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)和異鋼種預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)兩大類。依使用目的的不同, 

預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)又可分為提高承載力和提高剛度兩種。但常常既提高了承載力,又提高了剛度。所謂同鋼種預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu), 即是將兩個(gè)鋼構(gòu)件迭接, 施加和使用荷載反向的彎曲, 

然后將兩者焊接,連成整體后釋去反向荷載, 截面中就建立了預(yù)應(yīng)力。異鋼種預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)是在結(jié)構(gòu)體系中增設(shè)一些高強(qiáng)度鋼構(gòu)件,并張拉它們, 

在體系中建立一種和使用時(shí)反號的預(yù)應(yīng)力,提高了體系的承載力和剛度。同鋼種預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)基本受力機(jī)理為擴(kuò)大截面的彈性工作范圍, 

調(diào)整結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布,使結(jié)構(gòu)的各部分材料更充分地發(fā)揮承載潛力。也就是說,調(diào)動(dòng)了低應(yīng)力區(qū)材料的潛力, 

以提高高應(yīng)力區(qū)的承載力。異鋼種預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)包括靜定體系中不同部分采用強(qiáng)度不同鋼材和超靜定體系中由強(qiáng)度不同的鋼構(gòu)件組成兩種。第一種也是利用強(qiáng)度較高的鋼材參與受力, 

擴(kuò)大構(gòu)件的彈性工作范圍。第二種即是采用高強(qiáng)度鋼材作預(yù)應(yīng)力筋, 

與一般鋼結(jié)構(gòu)組成超靜定體系。這種預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)是目前國內(nèi)外應(yīng)用最普遍的。在靜定結(jié)構(gòu)中增加高強(qiáng)度贅余預(yù)應(yīng)力桿,使結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槌o定體系。張拉預(yù)應(yīng)力桿, 

可使結(jié)構(gòu)獲得與荷載引起的內(nèi)力方向相反的預(yù)應(yīng)力, 而預(yù)應(yīng)力桿卻獲得與荷載引起的內(nèi)力方向相同的預(yù)應(yīng)力。既充分發(fā)揮了高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力桿的作用, 

又提高了普通鋼構(gòu)件強(qiáng)度的利用, 因而取得了節(jié)約材料, 

改善結(jié)構(gòu)性狀的效果。

　　5.預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的類型

　　從力學(xué)特征上預(yù)應(yīng)力空間鋼結(jié)構(gòu)可劃分為下列基本類型:

　　5.1傳統(tǒng)型

　　在傳統(tǒng)的空間鋼結(jié)構(gòu)體系上采用預(yù)應(yīng)力技術(shù), 

例如在平板網(wǎng)架或網(wǎng)殼中引入預(yù)應(yīng)力以改善桿件內(nèi)力峰值或提高剛度, 如天津?qū)幒芋w育館; 為進(jìn)一步提高經(jīng)濟(jì)效益, 可采用多次預(yù)應(yīng)力技術(shù), 

如攀枝花體育館。

　　5.2吊掛型

　　以斜拉索或直索吊掛傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu), 應(yīng)用吊點(diǎn)代替支點(diǎn)以擴(kuò)大室內(nèi)無阻擋空間幅度, 

外露于屋面之上的承重結(jié)構(gòu),類型多樣, 建筑造型新穎, 如慕尼黑奧林匹克公園溜冰館是大拱吊掛索網(wǎng); 

江西體育館是大拱吊掛網(wǎng)架。

　　5.3整體張拉型

　　就是連續(xù)拉與斷續(xù)壓的構(gòu)思形成的索柱結(jié)構(gòu)。早期的慕尼黑奧運(yùn)會(huì)主賽場館, 是外平衡體系；1988 

年興建的漢城奧運(yùn)會(huì)主賽館及擊劍館為整體張拉索穹頂屋蓋, 自重僅14.6 kg /m2, 是建筑結(jié)構(gòu)中前所未有的優(yōu)秀者, 

屬內(nèi)平衡式；1996年建成的亞特蘭大奧運(yùn)主賽場也是這種結(jié)構(gòu)。

　　5.4張弦梁型

　　由平面張拉梁發(fā)展而成的空間體系。顧名思義張弦梁是預(yù)應(yīng)力索通過撐桿形成中間支點(diǎn)以支承上部剛性梁的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)是預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的初始形式, 

上下弦由剛?cè)醿深悧U件通過撐桿相連, 具有受力合理, 自重輕, 加工運(yùn)輸方便等優(yōu)點(diǎn)。如果跨度增大就可將上弦截面擴(kuò)大為格構(gòu)式空間形式, 

如廣州會(huì)展中心屋蓋的張弦梁上弦是三根圓管組成的倒三角形截面。張弦梁也可組成正交布置覆蓋矩形建筑平面的張弦梁空間體系。

　　5.5張力膜(索膜) 

型

　　以拉索系為主承重結(jié)構(gòu), 上面覆蓋張力纖維加強(qiáng)膜,膜面涂料目前有聚氯乙烯( PVC ) 和聚四氟乙烯( PTFE )兩種, 前者性能差, 價(jià)格便宜, 

后者力學(xué)性能強(qiáng), 自潔,耐火, 抗老化性能都比前者好, 但價(jià)格昂貴。膜面在張力作用下保持平整挺直; 

必須具備足夠的張力與曲率以承受風(fēng)雪荷載。雖然70年代初在大孤國際博覽會(huì)上膜結(jié)構(gòu)已開始展露風(fēng)采, 

但大型張力膜得到認(rèn)同與興建應(yīng)是80年代中的事。1986年在沙特興建的大型張力膜工程就是發(fā)達(dá)國家先進(jìn)技術(shù)在富有國家“試生產(chǎn)”的產(chǎn)物。