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、類型、經(jīng)濟效益進(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, 

是一種比較理想的結(jié)構(gòu)。目前廣應(yīng)用于橋梁、電視臺、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、壓強度同時得到充分利用, 

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, 還擴大其應(yīng)用的范圍, 

創(chuàng)造新型的獨特建筑風(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, 

從實腹梁、桁架等領(lǐng)域擴展到鋼架、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, 以后逐步進(jìn)入實用階段?，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)的運輸斜棧橋和吊車梁上采用了預(yù)應(yīng)力技術(shù)。同時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; 活動及移動結(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; 需要創(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、以吊點取代支點, 

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), 將會帶來令人滿意的效果和可觀的經(jīng)濟效益。

　　3. 預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的特點

　　3.1 

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

　　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，對于拉桿中的索，結(jié)構(gòu)的很大的內(nèi)力轉(zhuǎn)移到索中，使高強材料適得其所。這只是一個簡單的例子，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)計更加經(jīng)濟合理。

　　4. 

預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的種類和受力機理

　　預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的種類和受力機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)一些高強度鋼構(gòu)件,并張拉它們, 

在體系中建立一種和使用時反號的預(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)基本受力機理為擴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度不同鋼材和超靜定體系中由強度不同的鋼構(gòu)件組成兩種。第一種也是利用強度較高的鋼材參與受力, 

擴大構(gòu)件的彈性工作范圍。第二種即是采用高強度鋼材作預(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)揮了高強度預(yù)應(yīng)力桿的作用, 

又提高了普通鋼構(gòu)件強度的利用, 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)用吊點代替支點以擴大室內(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)。早期的慕尼黑奧運會主賽場館, 是外平衡體系；1988 

年興建的漢城奧運會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, 加工運輸方便等優(yōu)點。如果跨度增大就可將上弦截面擴大為格構(gòu)式空間形式, 

如廣州會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, 價格便宜, 

后者力學(xué)性能強, 自潔,耐火, 抗老化性能都比前者好, 但價格昂貴。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。