预应力钢结构在工程中的应用

预应力钢结构在工程中的应用

摘要：当代大型建筑正在朝着大跨度方向发展，建筑形式上的改革要求建筑材料上的创新。钢结构使建筑可以拥有更大、更为灵活的空间，而预应力钢结构的出现则使钢材的性能得到了进一步的发挥。本文通过分析预应力钢结构在工程中的应用，并将普通钢结构与之进行对比，突出其与普通钢结构相比自身的优越性。

关键字：预应力钢结构普通钢结构工程应用

中图分类号：tu394文献标识码： a 文章编号：

一、前言

随着社会与经济的发展，人们对于建筑的要求早已经不仅仅局限于建筑功能上的满足，更对建筑传递出的精神有了更高的追求。在一定程度上，一个城市的建筑水平可以反映出一个城市或者一个国家的经济与技术的发展水平。作为一个城市或者国家大型公共活动的举办场所，大跨度结构建筑通常会以一种标志性建筑的身份出现。

近些年，大跨度建筑是伴随着建筑材料和建筑结构方面的进步而得到迅速发展的，各种新型建筑材料与结构的结合，例如以钢结构为代表的网壳结构、悬索结构，钢材与各种高科技膜材料完美结合的膜结构，使大跨度建筑可以一次次打破结构对于建筑空间的局限，使灵活通透的室内大空间一次次成为现实。

作为重要的建筑材料，钢材在建筑革命中的贡献极大，第一次伦敦世界博览会上出现的水晶宫令世人眼前为之一亮，大而通透的

空间使水晶宫成为19世纪英国的建筑奇观之一而存在；巴黎国际博览会上出现的埃菲尔铁塔，同样创造了一个建筑神话，埃菲尔用钢铁制造出一件高耸的艺术品，成为世界建筑史上的一件技术杰作。

预应力钢结构是作为钢结构性能的提升出现的，它的出现弥补了钢材性能上许多不足，从而将钢材的性能在很大程度上做出提高。

二、钢结构

钢结构是将钢材作为主要建筑材料的一种新型建筑结构形式，钢结构与传统的建筑结构相比，在空间的灵活和通透上有着很大的优势，钢结构的优点主要取决于该结构所使用的材料。钢材是现代建筑中常用的建筑材料，与混凝土一样，成为现代建筑的风格标志。能在建筑工程材料中拥有如此地位，是由钢材的特性决定的，钢材的优势具体表现在：

1、同样的荷载承受能力，钢材较其它建筑材料自重轻很多，这在很大程度上减轻了建筑静荷载；

2、与混凝土、石材、木材等材料相比，钢材具有更强的变形能力和更好的整体刚性。建筑结构对于荷载的承受能力存在极限状态——承载力极限状态和正常使用极限状态。我们对建筑结构的要求是建筑需要满足正常使用极限状态，钢材在结构整体刚性的优势，使其成为许多大跨度以及超高层建筑的首选材料；

3、钢材具有很好的匀质性，各向同性，这种特性避免了建筑受

材料力学性能上木桶效应的限制。

三、预应力钢结构

预应力钢结构就是将钢结构中部分普通钢材用经过处理后得到的预应力钢材代替，并且结构中其他的构件承载力在一定程度上得到提高。它的原理就是在结构或者是构件受力相对较大的局部，以与之将要受到的荷载方向相反的预应力对钢材事先进行人为处理，从而可以在结构受到荷载作用时，钢材构件可以通过自身材料内部存在的应力与之平衡一部分，使钢结构在合理的变形范围之内可以承受更大的荷载，从而为建筑形式提供更大的可能性。

预应力技术简而言之就是事先使材料经过变形，从而减少其在使用过程中的变形，降低因为材料变形而带来的对于工程的破坏。预应力技术早就存在，只不过在预应力钢结构出现之前没有系统的计算研究，从而未能大范围推广。例如，在古代通过引入预应力，制造出来的雨伞和木桶，都能在强度比较高的情况下得到各自相应的使用功能。

四、预应力钢结构在工程中的应用

预应力钢结构一般都用于大跨度的建筑以及桥梁结构，在具体的工程实例中，预应力钢结构也随着工程技术的进步而有了很大的发展，它在工程中的应用具体为：

1、用于传统的钢结构，优化结构性能。例如预应力网架和预应力网壳等结构中，此类工程的代表为攀枝花市体育馆；

2、通过布置索系来提高结构的稳定性，例如悬索结构中的稳定

索与承重索在结构中可以产生出一个反向曲率的索系，通过该索系，使结构在承受不同方向的荷载作用的时候更为容易，从而提高了结构的稳定性和刚度，此类工程的代表案例为北京工人体育馆；

3、用于张拉整体体系之中。该结构体系出现较晚，第一个真正的工程实践是1988年的汉城奥运会的竞技馆。在该结构体系中，预应力为各个但与提供所需的刚度，所以，刚度的增加是与预应力的增大相同步发展的，而预应力则是通过每个单元里面压杆和索件之间内在的压缩和拉伸来得到的；

另外，预应力钢结构在新型结构张力金属膜结构中以及吊挂型的悬索结构中都有广泛的应用。

五、预应力钢结构与普通钢结构之间的对比

钢结构在建筑中大范围应用较预应力钢结构早，但正是由于钢结构自身存在一定物理性能上的局限性，后者才顺势而生，所以预应力钢结构与普通钢结构相比有着自身无可替代的优越性，具体表现为：

1、预应力钢结构能够充分利用钢材的强度，优化钢材在承受荷载时的应力分布状态。钢材虽然具有强度高度特点，但同时在承受越来越大的荷载的同时，由于材料本身的高弹性以及高韧性，钢材会发生很大的变形，这会使钢材的强度得不到有效的利用，例如相同条件下，在允许的变形范围之内，预应力钢结构荷载承受能力是普通钢结构的2~3倍；

2、预应力钢结构与普通钢结构相比可以提供更高的结构稳定

性。荷载作用下的预应力结构变形是与结构自身应力方向相反的，所以与普通钢结构相比，在结构自身内部应力得到平衡之前前者所能承受的荷载较后者大出很多，由此可以提高结构的稳定性。预应力的存在还可以优化结构整体的循环应力的特征，从而使钢材本身的疲劳强度大大提高；

3、使建筑自身形成的荷载更小，从而使结构的多项属性得到改善。例如，由于结构自身更为轻巧，在地震时建筑荷载会小很多，因此提高结构的抗震性

4、更为节省材料。预应力钢结构中受弯构件可以通过结构自身预应力将一部分弯矩转换为轴拉力，从而降低弯矩的峰值，使缩小结构构件的截面成为可能，因此相对于普通钢结构，预应力钢结构在钢材的使用上可以更为节省。一般情况下，单次张拉后，预应力钢结构比普通钢结构节省钢材10%~20%，经过多次张拉后，这一数值最多可能达到40%，而采用预应力创新体系结构后，该结构与传统的普通钢结构相比，甚至节省了几十倍的钢材。例如，在1984年建成的天津宁河体育馆中采用预应力钢结构后，省钢率达到11%~12%，而在四川攀枝花体育馆结构中，应为采用了预应力钢结构，整个工程钢材节省率达到了38%之多。

六、结语

由于符合建筑结构和形式的发展趋势，在传统钢结构的基础上实现材料性能上的弥补，预应力钢结构在近些年有了迅速的发展。在当今工程竞标十分激烈的情况下，更好的结构与更低的工程造价