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    預應力鋼結(jié)構(gòu)十問
    
                                  
                    
    作者：陸賜麟    					
    
					時間：2009-12-22 20:26:03					[收藏]
    
               
    
                
    
[摘要] 本文以問答形式扼要地介紹預應力鋼結(jié)構(gòu)的特點、類型、工藝方法、經(jīng)濟效益及適用范圍等問題，以便我國企事業(yè)單位的老董、老總、CEO們，設(shè)計管理部門的負責人及領(lǐng)導們能對預應力鋼結(jié)構(gòu)有個基本的了解，共同來				
    				
    

               
    
               
      
				
      
[摘要] 本文以問答形式扼要地介紹預應力鋼結(jié)構(gòu)的特點、類型、工藝方法、經(jīng)濟效益及適用范圍等問題，以便我國企事業(yè)單位的老董、老總、CEO們，設(shè)計管理部門的負責人及領(lǐng)導們能對預應力鋼結(jié)構(gòu)有個基本的了解，共同來促進這一先進、合理、經(jīng)濟結(jié)構(gòu)體系的應用與發(fā)展。
      
[關(guān)鍵詞]預應力鋼結(jié)構(gòu) 剛度 穩(wěn)定性 承載力 內(nèi)力峰值
      
一、 什么是預應力鋼結(jié)構(gòu)？
      
預應力技術(shù)古已有之，乃先人藉此改善生活用具性能，加固補強勞作工具的一種工藝。如撐起布傘（引入預應力）可以防雨擋風。木桶套箍（引入預應力）可以耐久防漏等。但在現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)中引入預應力卻是近50年的事出有因情。人們在鋼結(jié)構(gòu)承重體系中有意識地引入人為應力以抵消荷載應力，調(diào)整內(nèi)力峰值，增強結(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應力技術(shù)創(chuàng)建新體系的都可稱之為預應力鋼結(jié)構(gòu)。
      
二、 預應力鋼結(jié)構(gòu)有那些優(yōu)點？
      
預應力鋼結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點在于：
      
1、充分反復地利用鋼材彈性強度幅值，從而提高結(jié)構(gòu)承載力（圖1）
      
非預應力結(jié)構(gòu)承載從零應力開始達到材料設(shè)計強度F而終止受力，其承載烽為N1（圖1，a）；而預應力結(jié)構(gòu)承載始自預應力f01，其承載為N2及N3，顯然N3 >N2> N1；
      
2、改善結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，節(jié)省鋼材。例如受彎構(gòu)件中的部分彎矩可以施加預應力轉(zhuǎn)換為軸拉力，將彎矩峰值M?mas(圖2)，從而構(gòu)件截面可以減少，降低用鋼量；
      
3、提高結(jié)構(gòu)剛度及穩(wěn)定性，改善結(jié)構(gòu)的各種屬性。
      
預應力產(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，所以提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。預應力可以調(diào)整結(jié)構(gòu)循環(huán)應力特征而提高疲勞強度。由于降低結(jié)構(gòu)自重而減小地震荷載提高其抗震性能等。
      
三、 預應力鋼結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟效益如何？
      
預應力鋼結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性與結(jié)構(gòu)體系、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、按裝方法與材料價格等眾多因素有關(guān)。正常情況下，預應力鋼結(jié)構(gòu)同比非預應力鋼結(jié)構(gòu)采用單次張拉時可節(jié)約鋼材10~20%；多次張拉時可達20~40%。而預應力創(chuàng)新體系結(jié)構(gòu)與非預應力傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比要節(jié)約鋼材幾倍~幾十倍。總之，結(jié)構(gòu)材料中的強度潛力越大，采用預應力的經(jīng)濟效益越高。例如在實腹梁截面重心軸附近存有大量強度潛力。采用預應力后其經(jīng)濟效益同比格構(gòu)梁要高許多。
      
四、 說說國內(nèi)外有那些著名預應力鋼結(jié)構(gòu)工程，其經(jīng)濟性怎樣？
      
請看下表，不言自明。
      
五、 預應力鋼結(jié)構(gòu)有那幾種類型？
      
從早期預應力吊車梁，撐桿梁的簡單形式發(fā)展到目前張弦桁架、索彎頂、索膜結(jié)構(gòu)、玻璃幕墻等現(xiàn)代結(jié)構(gòu)，預應力鋼結(jié)構(gòu)種類繁多，大致歸納為四類：
      
1、 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)型：
      
在傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)體系上，布置索系施加預應力以改善應力狀態(tài)、降低自重及成本。例如預應力桁架、網(wǎng)架、網(wǎng)殼等。例如天津?qū)幒芋w育館，攀枝花市體育館的網(wǎng)架、網(wǎng)殼屋蓋。目前候機樓、會展中心廣泛采用的張弦桁架亦歸入此類。另一種是工程中應用已久的懸索結(jié)構(gòu)，如北京工人體育館，浙江人民體育館。其結(jié)構(gòu)由承索與穩(wěn)定索兩組索系組成，施加預應力的目的不是降低與調(diào)整內(nèi)力，而是提高與保證剛度。
      
2、 吊掛結(jié)構(gòu)型：
      
結(jié)構(gòu)由豎向支承物（立柱、門架、拱架等）、吊索及屋蓋三部分組成。支承物高出屋面，于其頂部下垂鋼索吊掛屋蓋。對吊索施加預應力以調(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。由于支承物及吊索暴露于大氣之中，直指蘭天所以又稱暴露結(jié)構(gòu)。例如江西體育館、北京朝陽體育館、杭州黃龍體育場等。
      
3、 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。屋面結(jié)構(gòu)極輕，設(shè)計構(gòu)思新穎，是先進結(jié)構(gòu)體系中的佼佼者，例如漢城奧運主賽館、慕尼黑奧運體育館建筑群等。由于此體系屬國外專利，國內(nèi)尚無工程實例。
      
4、 張力金屬膜型：
      
金屬膜片固定于邊緣構(gòu)件之上，既作為圍護結(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)，復蓋跨度。兩者都是在結(jié)構(gòu)成型理論指導下誕生的預應力新型體系，應用于莫斯科奧運會的幾個主賽場館中，國內(nèi)尚不掌握此項技術(shù)。
      
六、 施加預應力的方法有那些？
      
主要施加預應力的方法有四類：
      
1、 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而在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生卸載應力而受益。這是國內(nèi)外應用廣泛技術(shù)成熟的一種工藝。但索端須有錨頭固定，增大材耗。且需張力設(shè)備等加大施工成本。
      
2、 支座位移法
      
在連續(xù)梁和超靜定結(jié)構(gòu)中，人為地強迫支座位移（垂直或水平移位），改變支座設(shè)計位置，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。
      
3、 彈性變形法
      
鋼材在彈性變形條件下，將組成結(jié)構(gòu)的桿件和板件連成整體卸除強制外力后，結(jié)構(gòu)內(nèi)出現(xiàn)恢復力產(chǎn)生的有益預應力。這一方法多用于工廠制造生產(chǎn)過程中，可生產(chǎn)預應力構(gòu)件產(chǎn)品供應市場。
      
4、 手工簡易法
      
用于中、小跨施加張力不大情況下，例如藉擰緊螺母張拉拉桿，用正反扣螺栓橫向推拉拉索產(chǎn)生張力等手工操作法，簡易可行，便于推廣，適用于廣大地區(qū)。
      
七、 預應力鋼結(jié)構(gòu)適用范圍有那些？
      
凡是鋼結(jié)構(gòu)適用的地方都可以用預應力鋼結(jié)構(gòu)取代以改善結(jié)構(gòu)性能，降低綱耗。尤其在跨度大，荷載重的情況下經(jīng)濟效益更為顯著。目前對預應力鋼結(jié)構(gòu)應用廣泛的領(lǐng)域是房屋建筑結(jié)構(gòu)，如體育場館、會展中心、劇院、商場、飛機庫、候機樓等大型公共建筑中。在高層建筑中也有采用預應力鋼結(jié)構(gòu)的實例，如南非約翰內(nèi)斯堡市的發(fā)展銀行大樓，北京新保利大廈等處。另一個應用較多的領(lǐng)域是橋梁結(jié)構(gòu)，國內(nèi)外許多懸索橋，斜拉橋都是技術(shù)成熟的工程實踐。高聳構(gòu)筑物是利用預應力增強結(jié)構(gòu)剛度的一種類型，由于拉索作用大大提高主塔桅結(jié)構(gòu)的水平剛度，如悉尼電視塔、巴塞羅納電訊塔、北京華北電力調(diào)度塔以及許多主壓輸電線路塔架等。把預應力技術(shù)用于服役鋼結(jié)構(gòu)的加固補強上更是內(nèi)容豐富、種類繁多。預應力技術(shù)用于 鋼結(jié)構(gòu)、鋼板結(jié)構(gòu)的研究已經(jīng)啟動。其在工程中的應用與發(fā)展有待深入。
      
八、 為什么預應力鋼結(jié)構(gòu)近年來發(fā)展迅猛？原因何在？
      
預應力鋼結(jié)構(gòu)在國內(nèi)外發(fā)展迅猛的主要原因是：
      
1、 符合結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢，滿足更大、更輕 、更好的技術(shù)要求。
      
任何結(jié)構(gòu)體系、計算理論、新型材料、施工工藝發(fā)展前進的終極目標，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)同比混凝土結(jié)構(gòu)，磚石結(jié)構(gòu)具有比容重輕，比強度高加工性好，施工快捷等到優(yōu)點。鋼結(jié)構(gòu)與預應力技術(shù)結(jié)合后，優(yōu)點更為突出。預應力鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計理論完全符合鋼結(jié)構(gòu)成型理論中“兼并功能”、“材料集中使用”、“建立張力體系”、“引入預應力”、“提高抗震性”、等諸多原則，發(fā)展成為工程結(jié)構(gòu)學科中的優(yōu)秀體系；
      
2、 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)規(guī)律。
      
預應力鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件皆可在工廠生產(chǎn)與組裝，在工地組拼成部件或整體，屋蓋總體一次吊裝就位。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)，可以進行安全、快速的文明施工。
      
3、 符合《可持續(xù)發(fā)展》原則、《綠色生態(tài)》要求及現(xiàn)代特征。
      
節(jié)制對自然資源的索取與消耗，節(jié)約對不可再生能源的開發(fā)與利用是現(xiàn)代經(jīng)濟建設(shè)
      
中應當遵守的理念。預應力鋼結(jié)構(gòu)中材料可以合理使用、節(jié)約使用反復使用、循環(huán)使用，它十分符合《可持續(xù)發(fā)展》原則。鋼材屬于無害無污染可回收再生使用的“綠色建材”，不危害生態(tài)環(huán)境，現(xiàn)代新材料圍護結(jié)構(gòu)依附于預應力鋼結(jié)構(gòu)之上，造型新穎、多姿多彩，極富現(xiàn)代氣息。
      
九、 預應力鋼結(jié)構(gòu)與預應力混凝土結(jié)構(gòu)有何不同？
      
現(xiàn)在有些業(yè)內(nèi)人士還常常混淆兩者的差別，有人把預應力混凝土結(jié)構(gòu)簡稱為“預應力結(jié)構(gòu)”，而不知又誕生了預應力鋼結(jié)構(gòu)學科及其廣闊的應用領(lǐng)域。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中采用預應力技術(shù)是為了延緩混凝土中裂縫出現(xiàn)及提高結(jié)構(gòu)風度，改善結(jié)構(gòu)性能。鋼結(jié)構(gòu)中施加預應力的目的除提高結(jié)構(gòu)強度、穩(wěn)度、剛度外，主要是創(chuàng)建新型結(jié)構(gòu)體系，賦予零剛度結(jié)構(gòu)以必要剛度，改變幾何可變體系為幾何不變體系，設(shè)計按強度計算的壓桿及具有預壓應力的拉桿以及無受彎桿件的跨度結(jié)構(gòu)等。籍預應力還可改善結(jié)構(gòu)的抗震性，抗疲勞性及其它動力性能，兩者雖然都應用了預應力技術(shù)改善結(jié)構(gòu)屬性，但二者的目的、方法、工藝、力度、構(gòu)造、效果等皆迥然不同，存在本質(zhì)上的差異。
      
十、 有人說：“預應力是雙面劍，運用得當，結(jié)構(gòu)受益，否則適得其反”，對嗎？
      
“雙面劍”是指一種事物，可產(chǎn)生正員兩種效果，而且不可預測非人力可控制的。例如炒股、賭博。“雙面劍”不能應用于具有正面效應的一切事物，既或各種因素干擾下也會出現(xiàn)負面效果。例如汽車是現(xiàn)代不可或缺的交通工具，但偶爾也出事故，甚至被用作殺人工具，食品是人們獲取營養(yǎng)類以生存的物質(zhì)，但有時也會致病，甚至使人喪命。但有正常思維和邏輯的人總不會稱汽車和食品都是“雙面劍”吧！
      
預應力鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本內(nèi)容是：結(jié)構(gòu)選型與優(yōu)化，布索方案經(jīng)濟分析，張拉階次與力度設(shè)計，結(jié)構(gòu)計算與內(nèi)力組合，構(gòu)件與節(jié)點設(shè)計，施工工藝選擇等。其中任何一項中的差錯與失誤都可導致預應力經(jīng)濟效益的下降基喪失。例如多種布索方案中應選擇效益高、材料少、工藝簡便者。由于人為的庇漏與專業(yè)生疏產(chǎn)生的負面郊應總不該歸罪于預應力技術(shù)本身，而把它視為“雙面劍”。
      
參政文獻
      
1. 陸賜麟、尹思明、劉錫良 現(xiàn)代預應力鋼結(jié)構(gòu) 人民交通出版社 2003年 北京
      
2. 陸賜麟 預應力鋼結(jié)構(gòu)學科的新成就及其在我國工程實踐 
      
《土木工程學報》1999.N.3
                
		  
      				
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