预应力钢结构十问

预应力钢结构十问

一、预应力钢结构具有众多优点，源于什么机理？预应力钢结构与普通钢结构相比，具有承载力高、稳定性好、刚度大、用材省等优点。这些特征来源于其人为的工作机制，具体表现在5个方面。一是力的抵消。构件内荷载应力可以被与之反向的预应力部分抵消，因而降低应力峰值，提高构件承载力。二是力的转移。构件内荷载应力可以通过施加预应力而转移到高强钢索或其他高承载力的部件上去，从而降低设计应力值。三是力的重复。在构件弹性强度幅值内，可以反复受力，多次地利用材料强度潜能，提高构件承载能力。四是力的质变。借助预应力体系可将构件内不利的弯矩力转换为有利的轴向拉力和压力，因此节省用料。五是力的优选。可以选用全拉索的优秀结构体系，赋予预应力后，结构具有足够刚度的几何不变体系，高效承受荷载。

二、何谓预应力钢结构中的卸载杆和增载杆？在结构体系中预应力是一个自平衡力系，它使大多数杆件内产生与荷载应力符号相反的预应力，这些杆件被称之为卸载杆。但不可避免地在少数杆件中也会产生与荷载应力符号相同的预应力，称之为增载杆。尤其是在拉索锚固区域附近常产生增载杆群。当然，还会有一些不受预应力影响的中性杆件。设计的目的就是要结构选型合理、布索方案有利，追求结构体系中具有最多数量的卸载杆和最少数量的增载杆。三、预应力损失怎么产生的？有什么影响？预应力损失主要来源于4个方面。一是钢索、拉杆在受力状态下，长度增加导致松弛；二是锚具、垫板压实而产生

的位移；三是多束钢索排序张拉时，后序索张拉对前序索内力的削弱影响；四是折线和曲线拉索在端头、折点等处，因接触面摩阻力而产生的影响。上述4种预应力损失是可知可计的，都可以在张拉过程中补偿。结构服役后的材料徐变影响，环境温度变化影响，机械损伤后的形变影响等，都是钢结构预应力损失健康监测的主要内容。因为预应力是结构体系中的一个自平衡力系。如果出现预应力损失，力系必定重新调整达到新的平衡，因此引起一些杆件内力增长，则可能是有害的。所以，判断预应力损失对那些杆件产生增加内力的影响至关重要。这也是预应力钢结构在服役期间必须定期检测的主要原因。四、预应力的施加方案有几种？预应力引入后是长期作用在结构体系中的永久荷载。施加预应力的时机及力度要根据结构的类型，内力峰值出现情况，荷载性质及可分性以及施工工艺和条件来确定。一般有3种方法。一是先张法。在承受外载前，结构中已引入与荷载应力符号相反的预应力。例如，商品预应力钢构件，在工厂加工制造过程中就已施加过预应力，在构件中产生了有利的卸载应力场。二是中张法。结构安装就位后，先承受部分荷载（包括自重荷载），再施加预应力以抵消部分荷载应力后，继续承受外部荷载。这是工程中常用的施加预应力的方法，也就是单次预应力法。三是多张法。在结构中多次地引入预应力，加载与施加预应力间隔进行，可以多次利用材料的弹性强度幅值，较大地提高结构承载力，具有高效利用材料的特点。在预应力工艺中称为多次预应力法。但荷载必须是可分的，可分批施加在结构

上。五、预应力钢结构的布索原则如何？布索方案是预应力钢结构设计中的重要环节。有整体布索和局部布索两类。后者的预应力只影响单体构件本身，而前者的预应力则影响结构构件的全部或大部。所以有多种布索可能时，要论证比较，选择最有利的布索方案，才能取得最佳的经济效益。否则，不合理的布索方案还会带来材耗量的增长及成本提高。在结构方案确定后，要注意三个方面的问题。一是拉索的布局与走向，二是锚固点的位置与数量，三是张拉的方式与工序。布索方案的原则，简而言之，就是：消耗最小，受益最大。□陆赐麟六、何谓多次预应力钢结构？它有什么优点？采用多张法引入预应力的钢结构称为多次预应力钢结构。荷载与预应力相间地施加到结构上去，即加载――张拉――再加载――再张拉――再加载，循环进行。由于加载和卸载的方式及着力点不同，每一循环后都会在构件内产生不同的差额内力，限制下一循环的力度与效果。因此，多次预应力的张拉力度是衰减的，有益的张拉次数常不超过3次~4次。预应力钢结构学科中多次预应力理论是50多年前笔者首次提出并完成理论及模型试验研究的。基于钢材在弹性强度范围内有限次的张拉并不影响其强度幅值的属性，多次卸载多次利用弹性强度的优势，大大提高了结构的承载力，并节约了结构用钢量，降低了结构成本，属于高效率的钢结构承载体系。20世纪90年代，我国首建了两座多次预应力钢结构屋盖的体育馆，一座是四川攀枝花市体育馆，另一座是西昌市铁路体育中心。两者的省钢率都接近40%。目前，这两座建筑已成功服役了20年。七、

具有突出优点的多次预应力钢结构体系，为什么在我国尚未推广？虽然多次预应力钢结构的理论在50年前已经模型试验研究所证实，并在1980年苏联出版的《金属结构设计手册》（苏联科学院院士梅里尼科夫主编）中全文收录。但在我国开始应用并打算付诸工程实践却是在20世纪80年代末。因各方面的原因，直到1994年世界上第一座多次预应力钢结构屋盖的攀枝花市体育馆才艰难问世。回首往事，多次预应力钢结构工程采用缓慢的主要原因有三点。一是难觅有远见、有魄力的决策者和专家。创新事物问世之始，都带有不稳定性、不完整性及风险性。决策者、投资者、技术权威们在新生事物面前，如果只是忧心忡忡、瞻前顾后，定会扼杀一些新技术、新结构。二是缺乏支持和保护创新设计的政策和法规。土建行业中，设计、制造、施工、运输中的取费标准是以结构构件的重量计价的，不论其有否技术含量和创新性。因此，生产企业对重、大、笨、粗的结构情有独钟，也容易理解。三是新兴技术的掌握与推广十分迟缓：预应力钢结构学科发展已有60余年，我国的工程实践也有20载，但专业技术人员对此感到陌生，甚至排斥。大学专业课程中尚未列入新兴学科，不能否认教育的保守与滞后。八、索穹顶屋盖为何称作创新型预应力钢结构？众所周知，承重结构体系中具有三类基本杆件：一是轴向拉杆，二是轴向压杆，三是受弯曲杆。轴向拉杆最好，最省，可全部发挥材料强度潜力。轴向压杆稍差，受长细比影响折减强度。受弯曲杆最差，由边缘应力控制设计，强度只能发挥50%左右。因此，在20世纪50年代末，笔

者曾对理想的预应力钢结构体系做过预言：“在这种结构体系中具有最多数量的柔性拉杆，这些拉杆由于预应力的作用，既可承受拉力，又可承受压力。基本为轴向受压的杆件代替了受弯杆件……只有这种新型体系的建立，才能利用‘预应力’在钢结构领域中进行‘革命’，而不是在传统形式上或局部地改进“。所幸而言中，1988年汉城奥运会及1996年亚特兰大奥运会的主要比赛馆索穹顶屋盖就证实了笔者的预言。它们的用钢量只有传统结构的1/10或更少，具有最大的结构效率和最小的结构材料消耗。索穹顶采用了大量拉索为主要受力杆件，采用了少量必要的轴向压杆作为拉杆系间的平衡杆。至于受力最差的弯矩杆件，则全部从屋盖中摒弃。成为一个名符其实的“零弯矩杆”的横向承重结构体系。与我国的“鸟巢”相比，在各个方面都有天壤之别。经过20年的奋斗，我国的土建工作者终于在2011年，在鄂尔多斯伊盟建造起首座索穹顶的体育中心。九、预应力钢结构需要进一步开发与研究的领域有那些？预应力建筑钢结构已是比较成熟的领域，其分支学科，例如索膜结构、玻璃幕墙结构、索结构等，不仅自立发展，而且制定了自己的规程。但在建筑领域的高层建筑及轻钢房屋建筑方面，以及强迫位移法和块体蒙皮法的预应力技术方面，仍然少有研究及实践。在桥梁方面，我国已有采用悬索桥和斜拉桥的丰富经验，并自成体系。目前，急需开展预应力钢板结构的研究，以满足高压输油、输气管道线路及大型储液、储气库建设的需求。这里不仅是管径的构造与预应力方案的研究，还有线路整体布置及施工中预应力的引入技术。另外，