預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)簡介

預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)（prestressed steel structure）是指在結(jié)構(gòu)上施加荷載以前，對鋼結(jié)構(gòu)或構(gòu)件用特定的方法預(yù)加初應(yīng)力，其應(yīng)力符號與荷載引起的應(yīng)力符號相反；當(dāng)施加荷載時，以保證結(jié)構(gòu)的安全和正常使用。結(jié)構(gòu)或構(gòu)件先抵消初應(yīng)力，而且還應(yīng)考慮預(yù)應(yīng)力的作用，然后再按照一般受力情況工作的鋼結(jié)構(gòu)稱為預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu) 。

業(yè)內(nèi)人士還常常混淆兩者的差別，有人把預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)簡稱為“預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)”，而不知又誕生了預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)學(xué)科及其廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)是為了延緩混凝土中裂縫出現(xiàn)及提高結(jié)構(gòu)剛度，改善結(jié)構(gòu)性能。鋼結(jié)構(gòu)中施加預(yù)應(yīng)力的目的除提高結(jié)構(gòu)剛度，改善結(jié)構(gòu)性能。鋼結(jié)構(gòu)中施加預(yù)應(yīng)力的目的除提高結(jié)構(gòu)強度、穩(wěn)度、剛度外，主要是創(chuàng)建新型結(jié)構(gòu)體系。賦予零剛度結(jié)構(gòu)以必要剛度，改變幾何可變體系為幾何不變體系、設(shè)計按強度計算的壓桿及具有預(yù)壓應(yīng)力的拉桿以及無受彎桿件的跨度結(jié)構(gòu)等。籍預(yù)應(yīng)力還可改善結(jié)構(gòu)的抗震性、抗疲勞性及其它動力性能。兩者雖然都應(yīng)用了預(yù)應(yīng)力技術(shù)改善結(jié)構(gòu)屬性，但二者的目的、方法、工藝、力度、構(gòu)造、效果等皆迥然不同，存在本質(zhì)上的差異 。

預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展迅猛的主要原因是：

符合結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢，滿足更大、更輕、更好的技術(shù)要求。

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(biāo)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)同比混凝土結(jié)構(gòu)，磚結(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(yù)應(yīng)力技術(shù)結(jié)合后，優(yōu)點更為突出。預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計理論完全符合鋼結(jié)構(gòu)成型理論中?！凹娌⒐δ堋?、“材料集中使用”、“建立張力體系”、“引入預(yù)應(yīng)力”、“提高抗震性”等諸多原則，發(fā)展成為工程結(jié)構(gòu)學(xué)科中的優(yōu)秀體系。

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)規(guī)律。

預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件皆可在工廠生產(chǎn)與組裝，在工地組拼成部件或整體，屋蓋體一次吊裝就位。將現(xiàn)場制造工地轉(zhuǎn)變?yōu)檠b配工地，將空中作業(yè)轉(zhuǎn)換為地面作業(yè)，可以進行安全、快速的文明施工。

符合《可持續(xù)發(fā)展》原則，《綠色生態(tài)》要求及現(xiàn)代特征。

節(jié)制對自然資源的索取與消耗，節(jié)約對不可再生能源的開發(fā)與利用是現(xiàn)代經(jīng)濟建設(shè)中應(yīng)當(dāng)遵守的理念。預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)中材料可以合理使用、節(jié)約使用、反復(fù)使用、循環(huán)使用，它十分符合《可持續(xù)發(fā)展》原則。鋼材屬于無害，無污染可回收再生使用的“綠色建材”，不危害生態(tài)環(huán)境?，F(xiàn)代新材料圍護結(jié)構(gòu)依附于預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)之上，造型新穎、多姿多彩，極富現(xiàn)代氣息 。

凡是鋼結(jié)構(gòu)適用的地方都可以用預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)取代以改善結(jié)構(gòu)性能降低鋼耗。尤其在跨度大，荷載重的情況下經(jīng)濟效益更為顯著。對預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用廣泛的領(lǐng)域是房屋建筑結(jié)構(gòu)，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中。在高層建筑中也有采用預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的實例，如南非約翰內(nèi)斯堡市的發(fā)展銀行大樓、北京新保利大廈等處。另一個應(yīng)用較多的領(lǐng)域是橋梁結(jié)構(gòu)，國內(nèi)外許多懸索橋，斜拉橋都是技術(shù)成熟的工程實踐。高聳構(gòu)筑物是利用預(yù)應(yīng)力增強結(jié)構(gòu)剛度的一種類型，由于拉索作用大大提高塔桅結(jié)構(gòu)的水平剛度，如悉尼電視塔、巴塞羅那電訊塔、北京華北電力調(diào)度塔以及許多高壓輸電線路塔架等。把預(yù)應(yīng)力技術(shù)用于服役鋼結(jié)構(gòu)的加固補強上更是內(nèi)容豐富、種類繁多。預(yù)應(yīng)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，其在工程中的應(yīng)用與發(fā)展有待深入 。

主要施加預(yù)應(yīng)力的方法有四類：

預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)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而在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生卸載應(yīng)力而受益。這是國內(nèi)外應(yīng)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。且需張力設(shè)備等加大施工成本。

預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)支座位移法

在連續(xù)梁和超靜定結(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(shè)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。

預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)彈性變形法

鋼材在彈性變形條件下，將組成結(jié)構(gòu)的桿件和板件連成整體。卸除強制外力后，結(jié)構(gòu)內(nèi)出現(xiàn)恢復(fù)力產(chǎn)生的有益預(yù)應(yīng)力。這一方法多用于工廠制造生產(chǎn)過程中，可生產(chǎn)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件產(chǎn)品供應(yīng)市場。

預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)手工簡易法

用于中、小跨，施加張力不大情況下，例如藉擰緊螺母張拉拉桿，用正反扣螺栓橫向椎拉拉索產(chǎn)生張力等手工操作法，簡易可行，便于推廣，適用于廣大地區(qū) 。

從早期預(yù)應(yīng)力吊車梁，撐桿梁的簡單形式發(fā)展張弦桁架、索穹頂、索膜結(jié)構(gòu)、玻璃幕墻等現(xiàn)代結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)種類繁多，大致歸納為四類：

預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)型

在傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)體系上，布置索系施加預(yù)應(yīng)力以改善應(yīng)力狀態(tài)、降低自重及成本。例如預(yù)應(yīng)力桁架、網(wǎng)架、網(wǎng)殼等。例如天津?qū)幒芋w育館，攀枝花市體育館的網(wǎng)架、網(wǎng)殼屋蓋等。候機樓、會展中心廣泛采用的張弦桁架亦歸入此類。另一種是工程中應(yīng)用已久的懸索結(jié)構(gòu)，如北京工人體育館，浙江人民體育館。其結(jié)構(gòu)由承重索與穩(wěn)定索兩組索系組成，施加預(yù)應(yīng)力的目的不是降低與調(diào)整內(nèi)力，而是提高與保證剛度。

預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)吊掛結(jié)構(gòu)型

結(jié)構(gòu)由豎向支撐物（立柱、門架、拱腳架），吊索及屋蓋三部分組成。支撐物高出屋面，于其頂部下垂鋼索吊掛屋蓋。對吊索施加預(yù)應(yīng)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。由于支撐物及吊索暴露于大氣之中直指藍天，所以又稱暴露結(jié)構(gòu)。例如江西體育館、北京朝陽體育館、杭州黃龍體育場等。

預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)整體張拉型

屬創(chuàng)新結(jié)構(gòu)體系，跨度結(jié)構(gòu)中擯棄了傳統(tǒng)受彎構(gòu)件，全部由受張索系及膜面和受壓撐桿組成。屋面結(jié)構(gòu)極輕，設(shè)計構(gòu)思新穎，是先進結(jié)構(gòu)體系中的佼佼者。例如漢城奧運主賽館、慕尼黑奧運體育建筑群等。由于此體系屬國外專利，國內(nèi)尚無工程實例。

預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)張力金屬膜型

金屬膜片固定于邊緣構(gòu)件之上，既作為維護結(jié)構(gòu)，又作為承重結(jié)構(gòu)參與整體承受荷載?；蛟趶埩B(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)，覆蓋跨度。兩者都是在結(jié)構(gòu)成型理論指導(dǎo)下誕生的預(yù)應(yīng)力新型體系，應(yīng)用于莫斯科奧運會的幾個主賽場館中，國內(nèi)不掌握此項技術(shù) 。

預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)點

預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的主要特點在于：

①充分、反復(fù)地利用鋼材彈性強度幅值，從而提高結(jié)構(gòu)承載力。

②改善結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，節(jié)省鋼材。例如受彎構(gòu)件中的部分彎矩可以施加預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換為軸拉力，從而構(gòu)件截面可以縮小，降低用鋼量。

③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(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變形常與荷載下的變形反向，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，所以提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。預(yù)應(yīng)力可以調(diào)整結(jié)構(gòu)循環(huán)應(yīng)力特征而提高疲勞強度。由于降低結(jié)構(gòu)自重而減小地震荷載，提高其抗震性能等。

預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)經(jīng)濟效益

預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性與結(jié)構(gòu)體系、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(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)同比非預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)采用單次張拉時可節(jié)約鋼材10-20%；多次張拉時可達20-40%。而預(yù)應(yīng)力創(chuàng)新體系結(jié)構(gòu)與非預(yù)應(yīng)力傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比要節(jié)約鋼材幾倍至幾十倍。總之，結(jié)構(gòu)材料中的強度潛力越大，采用預(yù)應(yīng)力的經(jīng)濟效益越高。例如在實腹梁截面重心軸附近存有大量強度潛力。采用預(yù)應(yīng)力后其經(jīng)濟效益同比格構(gòu)梁要高許多 。

預(yù)應(yīng)力技術(shù)古已有之，乃先人藉此改善生活用具性能，加固補強勞作工具的一種工藝。如撐起布傘（引入預(yù)應(yīng)力）可以防雨擋風(fēng)，木桶套箍（引入預(yù)應(yīng)力）可以耐久防漏等。但在現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)中引入預(yù)應(yīng)力卻是近50年的國情。人們在鋼結(jié)構(gòu)承重體系中有意識地引入應(yīng)力以抵消荷載應(yīng)力，調(diào)整內(nèi)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(yù)應(yīng)力技術(shù)創(chuàng)建新體系的都可稱之為預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu) 。

本書是作者幾十年科研、教學(xué)、設(shè)計、施工實踐經(jīng)驗與工作的總結(jié)，尤其是作者創(chuàng)建的多鎰預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)理論及首建成功的多次預(yù)應(yīng)力鋼網(wǎng)殼大跨工程，是預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)學(xué)科在我國發(fā)展中的重要貢獻。

本書內(nèi)容豐富，涵蓋廣泛，共分五篇十九章，包括平面結(jié)構(gòu)、空間結(jié)構(gòu)、特種結(jié)構(gòu)三大體系的理論、設(shè)計、試驗及國內(nèi)外工程實例介紹。

本書在選材上理論與實踐并重，國內(nèi)與國外兼顧，盡量做到前瞻、全面、系統(tǒng)、實用。本書既可作為科研、設(shè)計、施工、制造方面技術(shù)人員的專業(yè)參考書，又可作為高等院校、科研院所師生們的輔助教材。