一、什么是預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)？

　　預(yù)應(yīng)力技術(shù)古已有之，乃先人藉此改善生活用具的性能、加固補(bǔ)強(qiáng)勞作工具的一種工藝。譬如，撐起布傘可以防雨擋風(fēng)，這時(shí)就引入了預(yù)應(yīng)力；木桶套箍，可以耐久防漏，這時(shí)就引入了預(yù)應(yīng)力。但是，在現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)工程中引入預(yù)應(yīng)力，卻是60年前的事情。人們?cè)?a href='http://www.csstzw.cn' target='_blank' title='鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)'>鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造、施工、加固過程中，人為地在承重體系中引入與外荷載應(yīng)力符號(hào)相反的預(yù)加應(yīng)力以抵消荷載應(yīng)力峰值，增強(qiáng)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)。不論這類結(jié)構(gòu)采用了任何材料的圍護(hù)層，譬如，玻璃幕墻結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)等，都?xì)w屬于預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)學(xué)科。

　　二、預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)有哪些優(yōu)點(diǎn)？

　　預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)有四個(gè)。一是可以充分、反復(fù)地利用鋼材彈性強(qiáng)度幅值，從而提高結(jié)構(gòu)承載能力。傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)的承載力是從材料的零應(yīng)力狀態(tài)開始，逐漸加載而達(dá)到材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度而終止受力的，其承載力即為結(jié)構(gòu)承受各種荷載的總和。而預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)承載力則始于預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的負(fù)應(yīng)力狀態(tài)。預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)受載后，材料經(jīng)過負(fù)應(yīng)力→零應(yīng)力→正應(yīng)力→設(shè)計(jì)強(qiáng)度應(yīng)力，達(dá)到結(jié)構(gòu)的承載力終值。所以，結(jié)構(gòu)承載力提高部分是由材料從負(fù)應(yīng)力至零應(yīng)力這一階段貢獻(xiàn)的。多次預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)具有多次從負(fù)應(yīng)力至零應(yīng)力的受載過程，因此，其能多次作出貢獻(xiàn)，所以具有更大的承載能力。

　　二是可以改善結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，降低應(yīng)力峰值。譬如，受彎構(gòu)件中的峰值彎矩，可以通過增加撐桿施加預(yù)應(yīng)力，將部分彎矩轉(zhuǎn)換為軸向力。因此，將彎矩峰值降低，并減小構(gòu)件截面，甚至利用預(yù)應(yīng)力技術(shù)創(chuàng)造出零彎矩的橫向結(jié)構(gòu)體系，如索穹頂。

　　三是可以提高結(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)力產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變形常與荷載下變形反向，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，可以提高結(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(qiáng)度。降低結(jié)構(gòu)自重而減小地震荷載，從而提高其抗震性能等。

　　四是可以降低用鋼量，節(jié)約成本。挖掘鋼材強(qiáng)度潛力，改善結(jié)構(gòu)邊界條件，優(yōu)化結(jié)構(gòu)桿件、截面尺寸，創(chuàng)新承重結(jié)構(gòu)體系等優(yōu)勢的總和，必然反映在降低鋼材總量上。在保證結(jié)構(gòu)承載和使用功能的前提下，節(jié)約材料消耗量、降低成本，就是設(shè)計(jì)人員在本職工作中體現(xiàn)“低碳經(jīng)濟(jì)”、“綠色建筑”理念的大事。

　　三、預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)效益如何？

　　預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性與結(jié)構(gòu)體系類別、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(diǎn)、安裝方法與材料價(jià)格等眾多因素有關(guān)。正常情況下，預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)采用單次預(yù)應(yīng)力可節(jié)約10%～20%的鋼材；采用多次預(yù)應(yīng)力可節(jié)約30%～40%的鋼材。而預(yù)應(yīng)力創(chuàng)新體系結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比要節(jié)約鋼材50%以上或更多。總之，結(jié)構(gòu)材料中的強(qiáng)度潛力越大，采用預(yù)應(yīng)力的經(jīng)濟(jì)效益越高。譬如，在實(shí)腹梁截面重心軸附近存有大量強(qiáng)度潛力，采用預(yù)應(yīng)力后其經(jīng)濟(jì)效益同比格構(gòu)梁要高許多。

　　四、國內(nèi)外一些預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)工程比較，其經(jīng)濟(jì)性怎樣？

　　傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)型的預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)工程，節(jié)省鋼材的比例較少，譬如，1995年建成的廈門太古機(jī)場機(jī)庫采用的是拉桿拱架，省鋼率20%。創(chuàng)新型的工程節(jié)省鋼材的比例較多，譬如，2011年建成的鄂爾多斯體育中心采用的是索穹頂，每平方米的用鋼量為15千克。單次預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)省鋼少些，譬如，1984年建成的天津?qū)幒芋w育館采用的是四邊形平板網(wǎng)架，省鋼率12%。多次預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)節(jié)約材料多些，譬如，1994年建成的四川攀枝花市體育館采用的即是多次預(yù)應(yīng)力網(wǎng)殼，省鋼率38%。格構(gòu)式結(jié)構(gòu)省鋼率小些，譬如，1953年建成的比利時(shí)布魯塞爾機(jī)場機(jī)庫，采用的是雙跨連續(xù)桁架，省鋼率12%。而材料潛能較大的實(shí)腹式結(jié)構(gòu)則節(jié)材多些，譬如，1959年建成的前蘇聯(lián)羅斯托夫頓河公路橋，采用的是多跨連續(xù)實(shí)腹梁，省鋼率18%。

　　五、預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)有哪幾種類型？

　　從早期預(yù)應(yīng)力吊車梁、撐桿梁的簡單形式發(fā)展到目前張弦桁架、張弦穹頂、索彎頂、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)種類繁多形式新穎，大致歸納為四類。

　　一是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)型。在傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)體系中，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。譬如，預(yù)應(yīng)力桁架、網(wǎng)架、網(wǎng)殼等。像天津?qū)幒芋w育館、攀枝花市體育館及北京奧運(yùn)羽毛球館的預(yù)應(yīng)力網(wǎng)架、網(wǎng)殼屋蓋。目前，國內(nèi)外的候機(jī)樓、會(huì)展中心均廣泛地采用張弦立體桁架也歸入此類。另一種是工程中應(yīng)用已久的懸索結(jié)構(gòu)，譬如，北京工人體育館、浙江人民體育館等。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，而是賦予與保證結(jié)構(gòu)剛度。

　　二是吊掛結(jié)構(gòu)型。結(jié)構(gòu)由豎向支承體系(立柱、門架、拱架等)、吊索及屋蓋三部分組成。支承體系高出屋面，于其頂部下垂鋼索吊掛屋蓋。對(duì)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(diǎn)。由于支承體系及吊索暴露于大氣之中，直指藍(lán)天，所以又稱暴露結(jié)構(gòu)。譬如，江西體育館、北京朝陽體育館、杭州黃龍?bào)w育場及長春體育場等。

　　三是整體張拉型。屬創(chuàng)新結(jié)構(gòu)體系，跨度結(jié)構(gòu)中摒棄了傳統(tǒng)受彎構(gòu)件，全部由受張索系及膜面和受壓撐桿組成，其屋面結(jié)構(gòu)極輕，設(shè)計(jì)構(gòu)思新穎，是先進(jìn)結(jié)構(gòu)體系中的佼佼者，譬如，漢城及亞特蘭大奧運(yùn)主賽館、慕尼黑奧運(yùn)體育館建筑群以及內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯伊旗索穹頂體育中心。

　　四是張力金屬膜型。金屬膜片固定于邊緣構(gòu)件之上，既可作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，又作為承重結(jié)構(gòu)參與整體承受荷載。或在張力態(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)，復(fù)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。此類型已應(yīng)用于1980年莫斯科奧運(yùn)會(huì)的幾個(gè)主賽場館中，國內(nèi)尚未建成此類結(jié)構(gòu)體系。

　六、施加預(yù)應(yīng)力的方法有哪些？

　　施加預(yù)應(yīng)力的方法有以下四類：一是鋼索張拉法。在結(jié)構(gòu)體系中布置索系，通過千斤頂張拉索端，因而在結(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，除需要張力設(shè)備等外，還需要加大施工成本。二是支座位移法。在連續(xù)梁、剛架和其它超靜定結(jié)構(gòu)中，人為地強(qiáng)迫支座位移(垂直或水平移位)，改變支座設(shè)計(jì)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。三是彈性變形法。鋼材在彈性變形條件下，將組成結(jié)構(gòu)的桿件和板件用焊接或螺栓連成整體。在卸除強(qiáng)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。

　　四是手工簡易法。用于中、小跨鋼結(jié)構(gòu)工程中施加張力不大的情況下。譬如，依靠擰緊螺母張拉拉桿，用正反扣螺栓橫向推拉拉索產(chǎn)生張力等。此法工藝簡易可行，便于推廣，適用于缺少機(jī)械設(shè)備的廣大地區(qū)。

　　七、預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)適用范圍有哪些？

　　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，以改善其結(jié)構(gòu)性能，降低鋼材的使用量。在跨度大、荷載重的情況下，采用預(yù)應(yīng)力的經(jīng)濟(jì)效益更為顯著。目前，預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用廣泛的領(lǐng)域是大跨度建筑結(jié)構(gòu)，譬如，體育場館、會(huì)展中心、劇院、商場、飛機(jī)庫、候機(jī)樓等大型公共建筑。

　　在高層建筑中也有采用預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)例，譬如，南非約翰內(nèi)斯堡市的發(fā)展銀行大樓、北京電視中心綜合業(yè)務(wù)樓以及北京新保利大廈等。此外，在橋梁結(jié)構(gòu)方面預(yù)應(yīng)力應(yīng)用的也較多，國內(nèi)外許多懸索橋、斜拉橋都是技術(shù)成熟的工程實(shí)踐，譬如，2004年年底建成的法國米洛高架橋。高聳構(gòu)筑物是利用預(yù)應(yīng)力增強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度的又一種類型，這是源于拉索作用能夠大大提高主塔桅結(jié)構(gòu)的水平剛度。把預(yù)應(yīng)力技術(shù)用在已使用的鋼結(jié)構(gòu)的加固上更是內(nèi)容豐富、種類繁多。目前，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(dòng)，其在輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋中的應(yīng)用問題，已引起國內(nèi)有關(guān)方面的關(guān)注和支持。

　　八、近年來，預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展迅速，原因何在？

　　預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)在國內(nèi)外發(fā)展迅速的主要原因有三點(diǎn)：

　　一是符合工程結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢，能夠滿足更大、更輕、更好的技術(shù)要求，科技含量高。任何結(jié)構(gòu)體系、計(jì)算理論、新型材料、施工工藝發(fā)展前進(jìn)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)比混凝土結(jié)構(gòu)、磚石結(jié)構(gòu)具有比容重輕、比強(qiáng)度高、加工性好、施工快捷等優(yōu)點(diǎn)。鋼結(jié)構(gòu)與預(yù)應(yīng)力技術(shù)結(jié)合后，優(yōu)點(diǎn)更為突出。預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論完全符合鋼結(jié)構(gòu)成型理論中的兼并功能、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。經(jīng)過一些工程實(shí)踐考驗(yàn)后，在行業(yè)的認(rèn)同下，很快就發(fā)展成為工程結(jié)構(gòu)學(xué)科中的優(yōu)秀體系。

　　二是符合加工批量化、構(gòu)件商品化、施工裝配化的現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)要求。預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件均可在工廠生產(chǎn)與組裝，在工地組裝成部件或整體，屋蓋總體一次吊裝就位，可將現(xiàn)場制造工地轉(zhuǎn)變?yōu)檠b配工地，將施工空中作業(yè)轉(zhuǎn)換為地面作業(yè)，可以完成安全、快速的文明施工。

　　三是符合可持續(xù)發(fā)展原則，滿足低碳經(jīng)濟(jì)和綠色建筑的要求。控制對(duì)自然資源的過度索取與消耗，改變對(duì)不可再生資源的開發(fā)與利用是現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展中應(yīng)當(dāng)遵守的理念與追求。預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)中的金屬材料可以合理使用、節(jié)約使用、反復(fù)使用、循環(huán)使用，十分符合可持續(xù)發(fā)展原則。預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)與非預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)相比可以節(jié)約大量材料和投資，鋼材屬于無害、無污染、可回收再使用的綠色材料，不危害生態(tài)環(huán)境，采用新材料的圍護(hù)結(jié)構(gòu)依附于預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)之上，使之造型新穎、輕巧靚麗、極富現(xiàn)代氣息。

　　九、預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)既然是一門新的學(xué)科，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)具有哪些新的內(nèi)容？

　　預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)是一門新的學(xué)科，是在鋼結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上引入預(yù)應(yīng)力而發(fā)展起來的。預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容包括九點(diǎn)：一是結(jié)構(gòu)選型與優(yōu)化；二是施加預(yù)應(yīng)力方法的選擇與論證；三是布索方案的經(jīng)濟(jì)分析；四是張拉階次與力度設(shè)計(jì)；五是結(jié)構(gòu)體系靜力和動(dòng)力計(jì)算與分析；六是預(yù)應(yīng)力損失及對(duì)結(jié)構(gòu)影響；七是結(jié)構(gòu)構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)、錨具設(shè)計(jì)；八是結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)及分析；九是張拉工藝研究及施工模擬計(jì)算。

　　由此可見，預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)內(nèi)容多，但只要掌握了預(yù)應(yīng)力技術(shù)的特點(diǎn)，選定了合理的施加預(yù)應(yīng)力方案及工藝，是不難完成優(yōu)秀的預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的。

　　十、學(xué)結(jié)構(gòu)的，或者是搞預(yù)應(yīng)力混凝土的是不是很容易就可以進(jìn)行預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)了？

　　鋼結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，在許多方面有共性和相同、相通的地方，但在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理念、目標(biāo)、方法、手段等方面又各不相同。尤其在利用預(yù)應(yīng)力技術(shù)創(chuàng)建嶄新結(jié)構(gòu)體系上，兩者的設(shè)計(jì)追求與途徑是大相徑庭的。要掌握預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的知識(shí)需要有認(rèn)真學(xué)習(xí)的過程，不可能無師自通。我國在采用預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)工程的初期，曾出現(xiàn)過一些選型不當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)體系、比例失調(diào)的造型尺寸、不節(jié)省鋼材的結(jié)構(gòu)構(gòu)件等，這些問題完全可以通過加強(qiáng)專業(yè)學(xué)習(xí)、完善團(tuán)隊(duì)建設(shè)等措施來改進(jìn)。

　　預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)一樣，是不同的學(xué)科。前者由鋼材構(gòu)成，施加預(yù)應(yīng)力的目的，除提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、穩(wěn)定性、剛度外，主要是創(chuàng)建新型結(jié)構(gòu)體系，賦予柔性結(jié)構(gòu)以剛度，設(shè)計(jì)出零彎矩桿的嶄新結(jié)構(gòu)體系。而預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力的目的，則是延緩混凝土中裂縫的出現(xiàn)并提高結(jié)構(gòu)剛度，只改善結(jié)構(gòu)性能而已，不能改變結(jié)構(gòu)體系。兩者的預(yù)應(yīng)力，除技術(shù)有相通之處外，其目的、方法、工藝、力度、構(gòu)造等皆不相同，存在本質(zhì)上的差異，混淆不得。所以，只掌握預(yù)應(yīng)力混凝土知識(shí)的人，是很難成功地完成預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)秀設(shè)計(jì)任務(wù)的。