预应力钢结构

什么是预应力钢结构？

预应力技术的应用从上世纪三十年代开始，因其独特的结构受力体系，往往能达到让人惊叹

的建筑效果。

预应力结构分为预应力混凝土结构和预应力钢结构；本文主要介绍预应力钢结构；

预应力钢结构是结构工程领域的贵族，其结构选型与优化，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，施工工艺选择等设计内容中，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甚至丧失。其设计、施工难度极大，国内只

有少数几家设计院能做大型预应力钢结构设计。

预应力钢结构（prestressed steel structure）：指在结构上施加荷载以前，对钢结构或构件用特

定的方法预加初应力，其应力符号与荷载引起的应力符号相反；当施加荷载时，以保证结构

的安全和正常使用。结构或构件先抵消初应力，而且还应考虑预应力的作用，然后再按照一

般受力情况工作的钢结构称为预应力钢结构。

生活中也有很多预应力。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，自行车车轮那些拧紧的辐条可以保证车轮轻便、结实等，但在现代钢结构中

引入预应力却是近50年的事。

预应力钢结构的分类？

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。

预应力钢结构的特点？

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。非预应力结构承载从零应力

开始达到材料设计强度而终止受力；

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。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。

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。

预应力钢结构的应用？

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。