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预应力钢结构十问

作者：陆赐麟    
时间：2009-12-22 20:26:03 [收藏]
[摘要] 本文以问答形式扼要地介绍预应力钢结构的特点、类型、工艺方法、经济效益及适用范围等问题，以便我国企事业单位的老董、老总、CEO们，设计管理部门的负责人及领导们能对预应力钢结构有个基本的了解，共同来

    [摘要] 本文以问答形式扼要地介绍预应力钢结构的特点、类型、工艺方法、经济效益及适用范围等问题，以便我国企事业单位的老董、老总、CEO们，设计管理部门的负责人及领导们能对预应力钢结构有个基本的了解，共同来促进这一先进、合理、经济结构体系的应用与发展。
    [关键词]预应力钢结构 刚度 稳定性 承载力 内力峰值
    一、 什么是预应力钢结构？
    预应力技术古已有之，乃先人藉此改善生活用具性能，加固补强劳作工具的一种工艺。如撑起布伞（引入预应力）可以防雨挡风。木桶套箍（引入预应力）可以耐久防漏等。但在现代钢结构中引入预应力却是近50年的事出有因情。人们在钢结构承重体系中有意识地引入人为应力以抵消荷载应力，调整内力峰值，增强结构刚度及稳定性，改善结构其它属性以及利用预应力技术创建新体系的都可称之为预应力钢结构。
    二、 预应力钢结构有那些优点？
    预应力钢结构的主要优点在于：
    1、充分反复地利用钢材弹性强度幅值，从而提高结构承载力（图1）
    非预应力结构承载从零应力开始达到材料设计强度F而终止受力，其承载烽为N1（图1，a）；而预应力结构承载始自预应力f01，其承载为N2及N3，显然N3 >N2> N1；
    2、改善结构受力状态，节省钢材。例如受弯构件中的部分弯矩可以施加预应力转换为轴拉力，将弯矩峰值M?mas(图2)，从而构件截面可以减少，降低用钢量；
    3、提高结构刚度及稳定性，改善结构的各种属性。
    预应力产生的结构变形常与荷载下变形反向，因而结构刚度得以提高。由于布索而改变结构边界条件，所以提高结构稳定性。预应力可以调整结构循环应力特征而提高疲劳强度。由于降低结构自重而减小地震荷载提高其抗震性能等。
    三、 预应力钢结构的经济效益如何？
    预应力钢结构的经济性与结构体系、布索方案与工艺、荷载性质与力度、结构构造与节点、按装方法与材料价格等众多因素有关。正常情况下，预应力钢结构同比非预应力钢结构采用单次张拉时可节约钢材10~20%；多次张拉时可达20~40%。而预应力创新体系结构与非预应力传统结构相比要节约钢材几倍~几十倍。总之，结构材料中的强度潜力越大，采用预应力的经济效益越高。例如在实腹梁截面重心轴附近存有大量强度潜力。采用预应力后其经济效益同比格构梁要高许多。
    四、 说说国内外有那些著名预应力钢结构工程，其经济性怎样？
    请看下表，不言自明。
    五、 预应力钢结构有那几种类型？
    从早期预应力吊车梁，撑杆梁的简单形式发展到目前张弦桁架、索弯顶、索膜结构、玻璃幕墙等现代结构，预应力钢结构种类繁多，大致归纳为四类：
    1、 传统结构型：
    在传统的钢结构体系上，布置索系施加预应力以改善应力状态、降低自重及成本。例如预应力桁架、网架、网壳等。例如天津宁河体育馆，攀枝花市体育馆的网架、网壳屋盖。目前候机楼、会展中心广泛采用的张弦桁架亦归入此类。另一种是工程中应用已久的悬索结构，如北京工人体育馆，浙江人民体育馆。其结构由承索与稳定索两组索系组成，施加预应力的目的不是降低与调整内力，而是提高与保证刚度。
    2、 吊挂结构型：
    结构由竖向支承物（立柱、门架、拱架等）、吊索及屋盖三部分组成。支承物高出屋面，于其顶部下垂钢索吊挂屋盖。对吊索施加预应力以调整屋盖内力，减小挠度并形成屋盖结构的弹性支点。由于支承物及吊索暴露于大气之中，直指兰天所以又称暴露结构。例如江西体育馆、北京朝阳体育馆、杭州黄龙体育场等。
    3、 整体张拉型：
    属创新结构体系，跨度结构中摒弃了传统受弯构件，全部由受张索系及膜面和受压撑杆组成。屋面结构极轻，设计构思新颖，是先进结构体系中的佼佼者，例如汉城奥运主赛馆、慕尼黑奥运体育馆建筑群等。由于此体系属国外专利，国内尚无工程实例。
    4、 张力金属膜型：
    金属膜片固定于边缘构件之上，既作为围护结构，又作为承重结构参与整体承受荷载。或在张力态下，将膜片固定于骨架结构之上，形成空间块体结构，复盖跨度。两者都是在结构成型理论指导下诞生的预应力新型体系，应用于莫斯科奥运会的几个主赛场馆中，国内尚不掌握此项技术。
    六、 施加预应力的方法有那些？
    主要施加预应力的方法有四类：
    1、 钢索张拉法
    在结构体系中布置索系，通过千斤顶张拉索端而在结构中产生卸载应力而受益。这是国内外应用广泛技术成熟的一种工艺。但索端须有锚头固定，增大材耗。且需张力设备等加大施工成本。
    2、 支座位移法
    在连续梁和超静定结构中，人为地强迫支座位移（垂直或水平移位），改变支座设计位置，可调整内力，降低弯矩峰值，减小结构截面面积。这种方法可节省钢索，锚头等附加材耗及张拉工艺，适用于地基基础较好的工程。
    3、 弹性变形法
    钢材在弹性变形条件下，将组成结构的杆件和板件连成整体卸除强制外力后，结构内出现恢复力产生的有益预应力。这一方法多用于工厂制造生产过程中，可生产预应力构件产品供应市场。
    4、 手工简易法
    用于中、小跨施加张力不大情况下，例如藉拧紧螺母张拉拉杆，用正反扣螺栓横向推拉拉索产生张力等手工操作法，简易可行，便于推广，适用于广大地区。
    七、 预应力钢结构适用范围有那些？
    凡是钢结构适用的地方都可以用预应力钢结构取代以改善结构性能，降低纲耗。尤其在跨度大，荷载重的情况下经济效益更为显著。目前对预应力钢结构应用广泛的领域是房屋建筑结构，如体育场馆、会展中心、剧院、商场、飞机库、候机楼等大型公共建筑中。在高层建筑中也有采用预应力钢结构的实例，如南非约翰内斯堡市的发展银行大楼，北京新保利大厦等处。另一个应用较多的领域是桥梁结构，国内外许多悬索桥，斜拉桥都是技术成熟的工程实践。高耸构筑物是利用预应力增强结构刚度的一种类型，由于拉索作用大大提高主塔桅结构的水平刚度，如悉尼电视塔、巴塞罗纳电讯塔、北京华北电力调度塔以及许多主压输电线路塔架等。把预应力技术用于服役钢结构的加固补强上更是内容丰富、种类繁多。预应力技术用于 钢结构、钢板结构的研究已经启动。其在工程中的应用与发展有待深入。
    八、 为什么预应力钢结构近年来发展迅猛？原因何在？
    预应力钢结构在国内外发展迅猛的主要原因是：
    1、 符合结构发展趋势，满足更大、更轻 、更好的技术要求。
    任何结构体系、计算理论、新型材料、施工工艺发展前进的终极目标，总是要求结构物能跨度大些，自重轻些，性能好些。钢结构同比混凝土结构，砖石结构具有比容重轻，比强度高加工性好，施工快捷等到优点。钢结构与预应力技术结合后，优点更为突出。预应力钢结构设计理论完全符合钢结构成型理论中“兼并功能”、“材料集中使用”、“建立张力体系”、“引入预应力”、“提高抗震性”、等诸多原则，发展成为工程结构学科中的优秀体系；
    2、 符合加工批量化、构件商品化、施工装配化的现代工业生产规律。
    预应力钢结构的构件皆可在工厂生产与组装，在工地组拼成部件或整体，屋盖总体一次吊装就位。将现场制造工地转变为装配工地，将施工空中作业转换为地面作业，可以进行安全、快速的文明施工。
    3、 符合《可持续发展》原则、《绿色生态》要求及现代特征。
    节制对自然资源的索取与消耗，节约对不可再生能源的开发与利用是现代经济建设
    中应当遵守的理念。预应力钢结构中材料可以合理使用、节约使用反复使用、循环使用，它十分符合《可持续发展》原则。钢材属于无害无污染可回收再生使用的“绿色建材”，不危害生态环境，现代新材料围护结构依附于预应力钢结构之上，造型新颖、多姿多彩，极富现代气息。
    九、 预应力钢结构与预应力混凝土结构有何不同？
    现在有些业内人士还常常混淆两者的差别，有人把预应力混凝土结构简称为“预应力结构”，而不知又诞生了预应力钢结构学科及其广阔的应用领域。钢筋混凝土结构中采用预应力技术是为了延缓混凝土中裂缝出现及提高结构风度，改善结构性能。钢结构中施加预应力的目的除提高结构强度、稳度、刚度外，主要是创建新型结构体系，赋予零刚度结构以必要刚度，改变几何可变体系为几何不变体系，设计按强度计算的压杆及具有预压应力的拉杆以及无受弯杆件的跨度结构等。籍预应力还可改善结构的抗震性，抗疲劳性及其它动力性能，两者虽然都应用了预应力技术改善结构属性，但二者的目的、方法、工艺、力度、构造、效果等皆迥然不同，存在本质上的差异。
    十、 有人说：“预应力是双面剑，运用得当，结构受益，否则适得其反”，对吗？
    “双面剑”是指一种事物，可产生正员两种效果，而且不可预测非人力可控制的。例如炒股、赌博。“双面剑”不能应用于具有正面效应的一切事物，既或各种因素干扰下也会出现负面效果。例如汽车是现代不可或缺的交通工具，但偶尔也出事故，甚至被用作杀人工具，食品是人们获取营养类以生存的物质，但有时也会致病，甚至使人丧命。但有正常思维和逻辑的人总不会称汽车和食品都是“双面剑”吧！
    预应力钢结构设计的基本内容是：结构选型与优化，布索方案经济分析，张拉阶次与力度设计，结构计算与内力组合，构件与节点设计，施工工艺选择等。其中任何一项中的差错与失误都可导致预应力经济效益的下降基丧失。例如多种布索方案中应选择效益高、材料少、工艺简便者。由于人为的庇漏与专业生疏产生的负面郊应总不该归罪于预应力技术本身，而把它视为“双面剑”。
    参政文献
    1. 陆赐麟、尹思明、刘锡良 现代预应力钢结构 人民交通出版社 2003年 北京
    2. 陆赐麟 预应力钢结构学科的新成就及其在我国工程实践
    《土木工程学报》1999.N.3
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