预应力钢结构十问

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1、预应力钢结构十问　　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的性能、加固补强劳作工具的一种工艺。譬如，撑起布伞可以防雨挡风，这时就引入了预应力；木桶套箍，可以耐久防漏，这时就引入了预应力。但是，在现代钢结构工程中引入预应力，却是60年前的事情。人们在钢结构设计、制造、施工、加固过程中，人为地在承重体系中引入与外荷载应力符号相反的预加应力以抵消荷载应力峰值，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。不论这类结构采用了任何材料的围护层，譬如，玻璃幕墙结构、

2、膜结构等，都归属于预应力钢结构学科。　　二、预应力钢结构有哪些优点？　　预应力钢结构的主要优点有四个。　　一是可以充分、反复地利用钢材弹性强度幅值，从而提高结构承载能力。传统钢结构的承载力是从材料的零应力状态开始，逐渐加载而达到材料设计强度而终止受力的，其承载力即为结构承受各种荷载的总和。而预应力钢结构承载力则始于预应力产生的负应力状态。预应力钢结构受载后，材料经过负应力→零应力→正应力→设计强度应力，达到结构的承载力终值。所以，结构承载力提高部分是由材料从负应力至零应力这一阶段贡献的。多次预应力钢结构具有多次从负应力至零应力的受

3、载过程，因此，其能多次作出贡献，所以具有更大的承载能力。　　二是可以改善结构受力状态，降低应力峰值。譬如，受弯构件中的峰值弯矩，可以通过增加撑杆施加预应力，将部分弯矩转换为轴向力。因此，将弯矩峰值降低，并减小构件截面，甚至利用预应力技术创造出零弯矩的横向结构体系，如索穹顶。　　三是可以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，可以提高结构稳定性。预应力可以调整结构循环应力特征而提高疲劳强度。降低结构自重而减小地震荷载，从而提高其抗震性能等。　

4、　四是可以降低用钢量，节约成本。挖掘钢材强度潜力，改善结构边界条件，优化结构杆件、截面尺寸，创新承重结构体系等优势的总和，必然反映在降低钢材总量上。在保证结构承载和使用功能的前提下，节约材料消耗量、降低成本，就是设计人员在本职工作中体现“低碳经济”、“绿色建筑”理念的大事。　　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类别、布索方案与工艺、荷载性质与力度、结构构造与节点、安装方法与材料价格等众多因素有关。正常情况下，预应力钢结构比传统钢结构采用单次预应力可节约10%~20%的钢材；采用多次预应力可节约30%

5、~40%的钢材。而预应力创新体系结构与传统结构相比要节约钢材50%以上或更多。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。譬如，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、国内外有哪些著名的预应力钢结构工程，其经济性怎样？　　传统结构型的预应力钢结构工程，节省钢材的比例较少，譬如，1995年建成的厦门太古机场机库采用的是拉杆拱架，省钢率20%。创新型的工程节省钢材的比例较多，譬如，XX年建成的鄂尔多斯体育中心采用的是索穹顶，每平方米的用钢量为15千克。单次预应力钢结构省钢

6、少些，譬如，1984年建成的天津宁河体育馆采用的是四边形平板网架，省钢率12%。多次预应力钢结构节约材料多些，譬如，1994年建成的四川攀枝花市体育馆采用的即是多次预应力网壳，省钢率38%。格构式结构省钢率小些，譬如，1953年建成的比利时布鲁塞尔机场机库，采用的是双跨连续桁架，省钢率12%。而材料潜能较大的实腹式结构则节材多些，譬如，1959年建成的前苏联罗斯托夫顿河公路桥，采用的是多跨连续实腹梁，省钢率18%。　　五、预应力钢结构有哪几种类型？　　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、张弦穹顶、索弯顶、索膜结

7、构、玻璃幕墙等现代结构，预应力钢结构种类繁多形式新颖，大致归纳为四类。　　一是传统结构型。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。譬如，预应力桁架、网架、网壳等。像天津宁河体育馆、攀枝花市体育馆及北京奥运羽毛球馆的预应力网架、网壳屋盖。目前，国内外的候机楼、会展中心均广泛地采用张弦立体桁架也归入此类。另一种是工程中应用已久的悬索结构，譬如，北京工人体育馆、浙江人民体育馆等。其结构由承重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，而是赋予与保证结构刚度。　　二是吊挂结构型。结构由竖向支

8、承体系(立柱、门架、拱架等)、吊索及屋盖三部分组成。支承体系高出屋面，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。由于支承体系及吊索暴露于大气之中，直指蓝天所以又称暴露结构。譬如，江西体育馆、北京朝阳