预应力钢结构的应用

余振华

余振华

安徽寰宇建筑设计院

摘要：所谓预应力钢结构，是指人为的在钢结构承重体系中施加预应力以提高结构承载力，增加结构刚度及稳定性，改善结构其他属性以及利用预应力技术创新的结构体系。经过多年的发展创新，预应力钢结构的应用范围几乎已覆盖了全部钢结构领域。然而钢结构因其本身材料的特性，造成了其预应力技术与钢筋混凝土结构中预应力技术的截然不同。?

关键词：预应力钢结构刚度强度承载力

引言：现代钢结构中引入预应力却是近50多年的事情。空间结构体系的大量使用给预应力钢结构的设计和施工带来了许多新问题，而钢结构本身具有较为优越的特点，是一种比较理想的结构。目前广泛应用于桥梁、电视台、体育馆以及各种大跨度结构和高层结构中。预应力钢缆的膜系统系列，悬挂系统和网壳体系，但其创新的狡猾的建筑风格，具有较强的美感。

一、钢结构预应力技术特点

1、形成新的结构形式

通过预应力技术可以构成新的结构体系和结构形态，例如索穹顶结构，如果没有预应力技术，就没有索穹顶结构，另外预应力技术还可以作为预制构件（单元杆件和组合结构）装备的手段，从而形成一种新型的结构，如弓式预应力结构，还有采用预应力技术后，可以组成一种杂交的空间结构，或者可构成一种全新的空间结构，其结构的用钢指标比原结构或一般结构可大幅度的降低，具有明显的经济效益。

2、预应力的监控

预应力施加完成前结构尚未成形时，钢结构整体刚度较差，因此一般都会边施加预应力边用有限元软件进行仿真验算，同时进行张拉力和位移的监测，以确保钢结构顺利的建成。

3、索张拉的阶段性

钢结构预应力施工会有阶段性，可以是嵌套形式；另外还需要确定一个形状控制为索张拉目标，目标实现时的索力为目标控制索力，目标实现时控制点位移为目标控制位移，即初始状态；最后控制索力往往是几个，甚至是十几个以上。由于实际张拉设备有限，不可能所有索同时张拉，因此必须制定使用少数设备实现目标控制索力和目标控制位移的张拉方案。

二、预应力钢结构的类型

1、传统型

在传统的空间预应力钢结构体系技术，如平板网格或网壳预应力构件内力推出，以改善或提高刚度的高峰期，如天津宁河体育馆，进一步提高经济效率，可多倍预应力技术，如攀枝花球场。

2、吊挂型

或直连电缆挂在传统的斜拉桥钢，而不是挂点支点程序扩展通畅的内部空间幅度，暴露在上面的屋顶承重结构，类型多样，建筑风格新颖，如慕尼黑奥林匹克公园滑冰馆挂有线网络是一个大拱江西体育场大拱挂网。

3、张弦梁型

一个平坦的空间系统预应力梁演变。正如名字所暗示的是一种预应力张弦梁电缆通过极点支持的上部中间支持刚性梁结构的形成。这种结构是预应力钢筋的初始形式，由刚性支柱的上部和下部的和弦连接通过两个杆，以合理的力，重量轻，易于加工和运输。如果跨度可以增加绕组部分扩大晶格的空间形式，如广州会展中心屋顶张弦梁绕线管是由三个倒三角截面。张弦梁也可以由正交排列，长方形建筑平面张弦梁空间系统。

4、玻璃幕墙结构型

新玻壳墙面装饰，但这种做法也开始在20世纪70年代，但初期在传统的钢架镶嵌连接在一起。承载金属框架提供了大量的金属强度不能充分发挥，透光率低。80至90年后的预应力钢筋支柱和支柱式玻璃幕墙点连接，形成一个新的系统取代了前者，形成了一个新的系统。

三、预应力钢结构中存在的问题

1、变形问题

柔性电缆没有预应力之前既没有固定形状，但没有刚性，仅由张拉达初始平衡，负载可以露出到外部的结构，然后将电缆可以考虑在弹性变形范围内。随着负载的增加，同时反复佳Suoshi强调，势必会产生大排量的电缆结构，设计计算考虑非线性问题，这是不可避免的。实际工程中，因为较小量的钢线，这是通常用于保留足够的安全余量的原则，安全系数通常为2.5-3.0，从而导致强度的高强度钢的电缆是不完整的，因为可变负载变化时，导线的疲劳和放松不能被忽略。

2、防火问题

钢结构具有强度高、重量轻、材质均匀等许多优点，但有一个非常致命的缺点就是不耐火。国内外均对高温下结构钢材的材料特性和火灾下钢结构的结构响应进行了大量的试验研究。结论为钢材抵抗高温的能力非常有限，在火灾高温作用下，其力学性能会随温度的升高而降低，变形会不断增大，在2000℃以内时，其性能没有很大变化，430℃～540℃之间则强度急剧下降，600℃时强度很低，不能承担荷载。同时260℃～320℃时还有徐变现象。纽约世界贸易中心主楼的911事件，飞机撞进大厦和大厦燃烧初期，大厦均没有立即倒塌，这说明钢结构是在火灾温度升到一定的时候才破坏的。而对于预应力的钢结构来说，不需要温度升到400℃以上，只要到达300℃左右，由于徐变现象的出现，预应力松弛而引起的内力重分布就可能造成整个结构的破坏，预应力越大的结构耐火性越差。因此，预应力钢结构的防火设计应比普通钢结构和预应力混凝土结构应更加严格。目前对预应力钢结构耐火问题的研究几乎空白。

3、多次预应力问题

初次使用时，利用强度的问题主要是解决平面组件架构，以达到节约钢材的目的，而目前的系统空间结构，反复强调，不仅节约材料，但也为整个结构体系的受力均匀，以确保结构安全。但太多的时间，预应力，会带来许多弊病，由于多个张紧结构，已经有一个大的内部能量，但一个偶然的负载的作用，会产生严重的后果，即使它是由于静载可移动的，如屋顶翻新，想要扭转，以消除预应力，是一件非常困难的事情。因此，多次预应力数量，应根据每个项目的类型和布局，负荷值，张紧装置和方法的实际情况锚地结构，根据以下总体原则：必须有效地使用预应力钢，高强度，但也足够的安全储备；结构或构件受力均匀，这样的横断面设计，方便；分类应均匀张紧，缓解；设计，施工和控制；节约钢材。

四、预应力钢结构的应用

在当今社会中，大跨度与空间钢结构主要用于公共建筑，比如各种桥梁及有名建筑，大跨度结构也用于工业建筑，大跨度结构主要是在自重荷载下工作，主要矛盾是减轻结构自重，故最适宜采用钢结构。所以使得钢结构的应用更加广泛。随着社会技术的发展，在大跨度空间结构中引入现代预应力技术，不仅使结构体形更为丰富而且也使其先进性、合理性、经济性得到充分展示。在大跨度屋盖中应尽可能使用轻质屋面结构及轻质屋面材料，如彩色涂层压型钢板、压型铝合金板等。

目前我国已在80余项大跨空间钢结构工程中应用了预应力技术，许多高校对索托结构，索网结构等以高强钢索与钢材为主承重结构的预应力钢结构新体系，正在进行理论研究，积极准备工程实践，可以预期新型的预应力大跨空间钢结构不久即将涌现在各类建筑中。膜结构是当前我国正在兴起的一种空间结构，其中应用较多的是张力膜结构。这是一种以玻璃纤维织物或聚酯纤维织物为基层，以聚四氟乙烯或PVC为涂层的膜材与不同类型的支承体系间的组合，而其支承体系可为索一支柱或索一杆结构，它们常在膜材获得预应力后协同工作。

结语：预应力钢学科与众多工程实践证明了它的自然，经济和安全的快速发展，也符合可持续发展的原则和绿色生态要求。因此，在它的建筑和工程结构，具有广阔的应用空间和良好的前景。然而，快速发展的问题和缺点，不能被忽略，学科的理论，方法，技术和应用，还有待于进一步改进和深化。

参考文献：

[1]舒赣平,吕志涛.预应力钢结构与组合结构的应用和发展[J].工业建筑.1997(07)

[2]庄一舟,吴建华,陈联盟,谢醒悔.预应力钢组合结构的发展及应用[J].建筑技术开发.2002(01)