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　一、什么是預應力鋼結(jié)構(gòu)？

　　預應力技術(shù)古已有之，乃先人藉此改善生活用具的性能、加固補強勞作工具的一種工藝。譬如，撐起布傘可以防雨擋風，這時就引入了預應力；木桶套箍，可以耐久防漏，這時就引入了預應力。但是，在現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)工程中引入預應力，卻是60年前的事情。人們在鋼結(jié)構(gòu)設計、制造、施工、加固過程中，人為地在承重體系中引入與外荷載應力符號相反的預加應力以抵消荷載應力峰值，增強結(jié)構(gòu)剛度及穩(wěn)定性，改善結(jié)構(gòu)其它屬性以及利用預應力技術(shù)創(chuàng)建新體系的都可稱之為預應力鋼結(jié)構(gòu)。不論這類結(jié)構(gòu)采用了任何材料的圍護層，譬如，玻璃幕墻結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)等，都歸屬于預應力鋼結(jié)構(gòu)學科。

　　二、預應力鋼結(jié)構(gòu)有哪些優(yōu)點？

　　預應力鋼結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點有四個。一是可以充分、反復地利用鋼材彈性強度幅值，從而提高結(jié)構(gòu)承載能力。傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)的承載力是從材料的零應力狀態(tài)開始，逐漸加載而達到材料設計強度而終止受力的，其承載力即為結(jié)構(gòu)承受各種荷載的總和。而預應力鋼結(jié)構(gòu)承載力則始于預應力產(chǎn)生的負應力狀態(tài)。預應力鋼結(jié)構(gòu)受載后，材料經(jīng)過負應力→零應力→正應力→設計強度應力，達到結(jié)構(gòu)的承載力終值。所以，結(jié)構(gòu)承載力提高部分是由材料從負應力至零應力這一階段貢獻的。多次預應力鋼結(jié)構(gòu)具有多次從負應力至零應力的受載過程，因此，其能多次作出貢獻，所以具有更大的承載能力。

　　二是可以改善結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，降低應力峰值。譬如，受彎構(gòu)件中的峰值彎矩，可以通過增加撐桿施加預應力，將部分彎矩轉(zhuǎn)換為軸向力。因此，將彎矩峰值降低，并減小構(gòu)件截面，甚至利用預應力技術(shù)創(chuàng)造出零彎矩的橫向結(jié)構(gòu)體系，如索穹頂。

　　三是可以提高結(jié)構(gòu)剛度及穩(wěn)定性，改善結(jié)構(gòu)的各種屬性。預應力產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變形常與荷載下變形反向，因而結(jié)構(gòu)剛度得以提高。由于布索而改變結(jié)構(gòu)邊界條件，可以提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。預應力可以調(diào)整結(jié)構(gòu)循環(huán)應力特征而提高疲勞強度。降低結(jié)構(gòu)自重而減小地震荷載，從而提高其抗震性能等。

　　四是可以降低用鋼量，節(jié)約成本。挖掘鋼材強度潛力，改善結(jié)構(gòu)邊界條件，優(yōu)化結(jié)構(gòu)桿件、截面尺寸，創(chuàng)新承重結(jié)構(gòu)體系等優(yōu)勢的總和，必然反映在降低鋼材總量上。在保證結(jié)構(gòu)承載和使用功能的前提下，節(jié)約材料消耗量、降低成本，就是設計人員在本職工作中體現(xiàn)“低碳經(jīng)濟”、“綠色建筑”理念的大事。

　　三、預應力鋼結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟效益如何？

　　預應力鋼結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性與結(jié)構(gòu)體系類別、布索方案與工藝、荷載性質(zhì)與力度、結(jié)構(gòu)構(gòu)造與節(jié)點、安裝方法與材料價格等眾多因素有關(guān)。正常情況下，預應力鋼結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)采用單次預應力可節(jié)約10%～20%的鋼材；采用多次預應力可節(jié)約30%～40%的鋼材。而預應力創(chuàng)新體系結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比要節(jié)約鋼材50%以上或更多。總之，結(jié)構(gòu)材料中的強度潛力越大，采用預應力的經(jīng)濟效益越高。譬如，在實腹梁截面重心軸附近存有大量強度潛力，采用預應力后其經(jīng)濟效益同比格構(gòu)梁要高許多。

　　四、國內(nèi)外一些預應力鋼結(jié)構(gòu)工程比較，其經(jīng)濟性怎樣？

　　傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)型的預應力鋼結(jié)構(gòu)工程，節(jié)省鋼材的比例較少，譬如，1995年建成的廈門太古機場機庫采用的是拉桿拱架，省鋼率20%。創(chuàng)新型的工程節(jié)省鋼材的比例較多，譬如，2011年建成的鄂爾多斯體育中心采用的是索穹頂，每平方米的用鋼量為15千克。單次預應力鋼結(jié)構(gòu)省鋼少些，譬如，1984年建成的天津?qū)幒芋w育館采用的是四邊形平板網(wǎng)架，省鋼率12%。多次預應力鋼結(jié)構(gòu)節(jié)約材料多些，譬如，1994年建成的四川攀枝花市體育館采用的即是多次預應力網(wǎng)殼，省鋼率38%。格構(gòu)式結(jié)構(gòu)省鋼率小些，譬如，1953年建成的比利時布魯塞爾機場機庫，采用的是雙跨連續(xù)桁架，省鋼率12%。而材料潛能較大的實腹式結(jié)構(gòu)則節(jié)材多些，譬如，1959年建成的前蘇聯(lián)羅斯托夫頓河公路橋，采用的是多跨連續(xù)實腹梁，省鋼率18%。

　　五、預應力鋼結(jié)構(gòu)有哪幾種類型？

　　從早期預應力吊車梁、撐桿梁的簡單形式發(fā)展到目前張弦桁架、張弦穹頂、索彎頂、索膜結(jié)構(gòu)、玻璃幕墻等現(xiàn)代結(jié)構(gòu)，預應力鋼結(jié)構(gòu)種類繁多形式新穎，大致歸納為四類。

　　一是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)型。在傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)體系中，布置索系施加預應力以改善應力狀態(tài)、降低自重及成本。譬如，預應力桁架、網(wǎng)架、網(wǎng)殼等。像天津?qū)幒芋w育館、攀枝花市體育館及北京奧運羽毛球館的預應力網(wǎng)架、網(wǎng)殼屋蓋。目前，國內(nèi)外的候機樓、會展中心均廣泛地采用張弦立體桁架也歸入此類。另一種是工程中應用已久的懸索結(jié)構(gòu)，譬如，北京工人體育館、浙江人民體育館等。其結(jié)構(gòu)由承重索與穩(wěn)定索兩組索系組成，施加預應力的目的不是降低與調(diào)整內(nèi)力，而是賦予與保證結(jié)構(gòu)剛度。

　　二是吊掛結(jié)構(gòu)型。結(jié)構(gòu)由豎向支承體系(立柱、門架、拱架等)、吊索及屋蓋三部分組成。支承體系高出屋面，于其頂部下垂鋼索吊掛屋蓋。對吊索施加預應力以調(diào)整屋蓋內(nèi)力，減小撓度并形成屋蓋結(jié)構(gòu)的彈性支點。由于支承體系及吊索暴露于大氣之中，直指藍天，所以又稱暴露結(jié)構(gòu)。譬如，江西體育館、北京朝陽體育館、杭州黃龍體育場及長春體育場等。

　　三是整體張拉型。屬創(chuàng)新結(jié)構(gòu)體系，跨度結(jié)構(gòu)中摒棄了傳統(tǒng)受彎構(gòu)件，全部由受張索系及膜面和受壓撐桿組成，其屋面結(jié)構(gòu)極輕，設計構(gòu)思新穎，是先進結(jié)構(gòu)體系中的佼佼者，譬如，漢城及亞特蘭大奧運主賽館、慕尼黑奧運體育館建筑群以及內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯伊旗索穹頂體育中心。

　　四是張力金屬膜型。金屬膜片固定于邊緣構(gòu)件之上，既可作為圍護結(jié)構(gòu)，又作為承重結(jié)構(gòu)參與整體承受荷載。或在張力態(tài)下，將膜片固定于骨架結(jié)構(gòu)之上，形成空間塊體結(jié)構(gòu)，復蓋跨度，兩者都是在結(jié)構(gòu)成型理論指導下誕生的預應力新型體系。此類型已應用于1980年莫斯科奧運會的幾個主賽場館中，國內(nèi)尚未建成此類結(jié)構(gòu)體系。

　六、施加預應力的方法有哪些？

　　施加預應力的方法有以下四類：一是鋼索張拉法。在結(jié)構(gòu)體系中布置索系，通過千斤頂張拉索端，因而在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生卸載應力而受益。這是國內(nèi)外應用廣泛、技術(shù)成熟的一種工藝。但索端須有錨頭固定，增大材耗，除需要張力設備等外，還需要加大施工成本。二是支座位移法。在連續(xù)梁、剛架和其它超靜定結(jié)構(gòu)中，人為地強迫支座位移(垂直或水平移位)，改變支座設計位置，可調(diào)整內(nèi)力，降低彎矩峰值，減小結(jié)構(gòu)截面面積。這種方法可節(jié)省鋼索、錨頭等附加材耗及張拉工藝，適用于地基基礎(chǔ)較好的工程。三是彈性變形法。鋼材在彈性變形條件下，將組成結(jié)構(gòu)的桿件和板件用焊接或螺栓連成整體。在卸除強制外力后，結(jié)構(gòu)內(nèi)出現(xiàn)恢復力產(chǎn)生的有益預應力。

　　四是手工簡易法。用于中、小跨鋼結(jié)構(gòu)工程中施加張力不大的情況下。譬如，依靠擰緊螺母張拉拉桿，用正反扣螺栓橫向推拉拉索產(chǎn)生張力等。此法工藝簡易可行，便于推廣，適用于缺少機械設備的廣大地區(qū)。

　　七、預應力鋼結(jié)構(gòu)適用范圍有哪些？

　　凡是鋼結(jié)構(gòu)適用的地方都可以用預應力鋼結(jié)構(gòu)取代，以改善其結(jié)構(gòu)性能，降低鋼材的使用量。在跨度大、荷載重的情況下，采用預應力的經(jīng)濟效益更為顯著。目前，預應力鋼結(jié)構(gòu)應用廣泛的領(lǐng)域是大跨度建筑結(jié)構(gòu)，譬如，體育場館、會展中心、劇院、商場、飛機庫、候機樓等大型公共建筑。

　　在高層建筑中也有采用預應力鋼結(jié)構(gòu)的實例，譬如，南非約翰內(nèi)斯堡市的發(fā)展銀行大樓、北京電視中心綜合業(yè)務樓以及北京新保利大廈等。此外，在橋梁結(jié)構(gòu)方面預應力應用的也較多，國內(nèi)外許多懸索橋、斜拉橋都是技術(shù)成熟的工程實踐，譬如，2004年年底建成的法國米洛高架橋。高聳構(gòu)筑物是利用預應力增強結(jié)構(gòu)剛度的又一種類型，這是源于拉索作用能夠大大提高主塔桅結(jié)構(gòu)的水平剛度。把預應力技術(shù)用在已使用的鋼結(jié)構(gòu)的加固上更是內(nèi)容豐富、種類繁多。目前，預應力技術(shù)用于輕鋼結(jié)構(gòu)、鋼板結(jié)構(gòu)的研究已經(jīng)啟動，其在輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋中的應用問題，已引起國內(nèi)有關(guān)方面的關(guān)注和支持。

　　八、近年來，預應力鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展迅速，原因何在？

　　預應力鋼結(jié)構(gòu)在國內(nèi)外發(fā)展迅速的主要原因有三點：

　　一是符合工程結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢，能夠滿足更大、更輕、更好的技術(shù)要求，科技含量高。任何結(jié)構(gòu)體系、計算理論、新型材料、施工工藝發(fā)展前進的終極目標，總是要求結(jié)構(gòu)物能跨度大些、自重輕些、性能好些。鋼結(jié)構(gòu)比混凝土結(jié)構(gòu)、磚石結(jié)構(gòu)具有比容重輕、比強度高、加工性好、施工快捷等優(yōu)點。鋼結(jié)構(gòu)與預應力技術(shù)結(jié)合后，優(yōu)點更為突出。預應力鋼結(jié)構(gòu)設計理論完全符合鋼結(jié)構(gòu)成型理論中的兼并功能、材料集中使用、建立張力體系、引入預應力、提高抗震性等諸多原則。經(jīng)過一些工程實踐考驗后，在行業(yè)的認同下，很快就發(fā)展成為工程結(jié)構(gòu)學科中的優(yōu)秀體系。

　　二是符合加工批量化、構(gòu)件商品化、施工裝配化的現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)要求。預應力鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件均可在工廠生產(chǎn)與組裝，在工地組裝成部件或整體，屋蓋總體一次吊裝就位，可將現(xiàn)場制造工地轉(zhuǎn)變?yōu)檠b配工地，將施工空中作業(yè)轉(zhuǎn)換為地面作業(yè)，可以完成安全、快速的文明施工。

　　三是符合可持續(xù)發(fā)展原則，滿足低碳經(jīng)濟和綠色建筑的要求。控制對自然資源的過度索取與消耗，改變對不可再生資源的開發(fā)與利用是現(xiàn)代經(jīng)濟發(fā)展中應當遵守的理念與追求。預應力鋼結(jié)構(gòu)中的金屬材料可以合理使用、節(jié)約使用、反復使用、循環(huán)使用，十分符合可持續(xù)發(fā)展原則。預應力鋼結(jié)構(gòu)與非預應力鋼結(jié)構(gòu)相比可以節(jié)約大量材料和投資，鋼材屬于無害、無污染、可回收再使用的綠色材料，不危害生態(tài)環(huán)境，采用新材料的圍護結(jié)構(gòu)依附于預應力鋼結(jié)構(gòu)之上，使之造型新穎、輕巧靚麗、極富現(xiàn)代氣息。

　　九、預應力鋼結(jié)構(gòu)既然是一門新的學科，其結(jié)構(gòu)設計應具有哪些新的內(nèi)容？

　　預應力鋼結(jié)構(gòu)是一門新的學科，是在鋼結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上引入預應力而發(fā)展起來的。預應力鋼結(jié)構(gòu)設計的基本內(nèi)容包括九點：一是結(jié)構(gòu)選型與優(yōu)化；二是施加預應力方法的選擇與論證；三是布索方案的經(jīng)濟分析；四是張拉階次與力度設計；五是結(jié)構(gòu)體系靜力和動力計算與分析；六是預應力損失及對結(jié)構(gòu)影響；七是結(jié)構(gòu)構(gòu)件及節(jié)點、錨具設計；八是結(jié)構(gòu)模型試驗及分析；九是張拉工藝研究及施工模擬計算。

　　由此可見，預應力鋼結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)的設計內(nèi)容多，但只要掌握了預應力技術(shù)的特點，選定了合理的施加預應力方案及工藝，是不難完成優(yōu)秀的預應力鋼結(jié)構(gòu)設計的。

　　十、學結(jié)構(gòu)的，或者是搞預應力混凝土的是不是很容易就可以進行預應力鋼結(jié)構(gòu)的設計了？

　　鋼結(jié)構(gòu)和預應力鋼結(jié)構(gòu)的設計，在許多方面有共性和相同、相通的地方，但在結(jié)構(gòu)設計的理念、目標、方法、手段等方面又各不相同。尤其在利用預應力技術(shù)創(chuàng)建嶄新結(jié)構(gòu)體系上，兩者的設計追求與途徑是大相徑庭的。要掌握預應力鋼結(jié)構(gòu)的知識需要有認真學習的過程，不可能無師自通。我國在采用預應力鋼結(jié)構(gòu)工程的初期，曾出現(xiàn)過一些選型不當?shù)慕Y(jié)構(gòu)體系、比例失調(diào)的造型尺寸、不節(jié)省鋼材的結(jié)構(gòu)構(gòu)件等，這些問題完全可以通過加強專業(yè)學習、完善團隊建設等措施來改進。

　　預應力鋼結(jié)構(gòu)、預應力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)一樣，是不同的學科。前者由鋼材構(gòu)成，施加預應力的目的，除提高結(jié)構(gòu)強度、穩(wěn)定性、剛度外，主要是創(chuàng)建新型結(jié)構(gòu)體系，賦予柔性結(jié)構(gòu)以剛度，設計出零彎矩桿的嶄新結(jié)構(gòu)體系。而預應力混凝土結(jié)構(gòu)采用預應力的目的，則是延緩混凝土中裂縫的出現(xiàn)并提高結(jié)構(gòu)剛度，只改善結(jié)構(gòu)性能而已，不能改變結(jié)構(gòu)體系。兩者的預應力，除技術(shù)有相通之處外，其目的、方法、工藝、力度、構(gòu)造等皆不相同，存在本質(zhì)上的差異，混淆不得。所以，只掌握預應力混凝土知識的人，是很難成功地完成預應力鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)秀設計任務的。