預(yù)應(yīng)力在鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

王 猛

陸軍工程大學(xué)（210000）

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)建筑物的美觀和功能都提出了更高的要求，對(duì)大跨度、大空間混凝土結(jié)構(gòu)及鋼結(jié)構(gòu)的需求更加迫切。在結(jié)構(gòu)中施加預(yù)應(yīng)力無(wú)疑是一種增大結(jié)構(gòu)跨度和空間的經(jīng)濟(jì)有效的措施。文章總結(jié)了預(yù)應(yīng)力技術(shù)在建筑工程中的應(yīng)用，探討了預(yù)應(yīng)力發(fā)展的可行性。

1 預(yù)應(yīng)力技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

預(yù)應(yīng)力技術(shù)是在國(guó)外最先運(yùn)用，其發(fā)展初期大部分用在橋梁工程中。在施工階段將預(yù)應(yīng)力技術(shù)應(yīng)用到鋼結(jié)構(gòu)中，通過調(diào)整鋼材結(jié)構(gòu)桿件的內(nèi)力，從而形成高強(qiáng)鋼材，既滿足了使用需求，又在很大程度上節(jié)省了鋼材消耗[1]。

我國(guó)在上世紀(jì)中葉開始研究并引入預(yù)應(yīng)力技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)中的使用。首次應(yīng)用預(yù)應(yīng)力技術(shù)是在山西省大同市，成功建造了一架預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)輸煤棧橋，為之后的預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用提供了借鑒的范本。

在計(jì)算機(jī)還沒有發(fā)明之前，預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的研究以解析法和近似法為主要研究方法，需要耗費(fèi)大量的人力，且所得結(jié)論不夠精確。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)明、使用和普及，相關(guān)的軟件逐漸被研發(fā)，有限元法就是其中一個(gè)重要的分析方法。幾十年來(lái)，有限元法的發(fā)展為大型工程的結(jié)構(gòu)分析提供了重要參考和依據(jù)，使得現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)獲得進(jìn)一步的研究和發(fā)展，助推了預(yù)應(yīng)力技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。

隨著現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)的更新，隨之而來(lái)的是新的結(jié)構(gòu)形式，主要有以下幾種類型：

1.1 斜拉結(jié)構(gòu)

斜拉結(jié)構(gòu)類似于斜拉橋，塔柱或桅桿等通過預(yù)應(yīng)力索形成空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力索為結(jié)構(gòu)提供彈性支撐點(diǎn)，結(jié)構(gòu)跨度成倍增加，使得建筑出現(xiàn)無(wú)柱網(wǎng)大空間[2]。圖1為浙江黃龍?bào)w育中心體育場(chǎng)，是典型的斜拉網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，為國(guó)內(nèi)首個(gè)特大空間體育場(chǎng)。

圖1 浙江黃龍?bào)w育中心體育場(chǎng)斜拉結(jié)構(gòu)

1.2 張弦梁結(jié)構(gòu)

張弦梁是目前建筑工程中普遍應(yīng)用的一種新型結(jié)構(gòu)形式，是由撐桿將剛度較大的壓彎構(gòu)件和強(qiáng)度較高的抗拉桿件連接形成的一種自平衡體系[3]。該體系由日本M.Saitoh教授于1990年首先提出，具有自平衡性、結(jié)構(gòu)剛度大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強(qiáng)、建筑適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)首先采用張弦梁結(jié)構(gòu)的是浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓（如圖2所示），之后在國(guó)內(nèi)一大批重點(diǎn)工程中應(yīng)用。

圖2 浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓張弦梁結(jié)構(gòu)

1.3 弦支穹頂結(jié)構(gòu)

日本法政大學(xué)的川口衛(wèi)教授在1993年提出將單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)與去掉上層索的索穹頂結(jié)構(gòu)相結(jié)合組成一種合理的新型雜交結(jié)構(gòu)，稱為弦支穹頂結(jié)構(gòu)（Suspend-Dome）。相比于單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，弦支穹頂結(jié)構(gòu)具有更高的剛度與更強(qiáng)的穩(wěn)定性。相比于索穹頂結(jié)構(gòu)，弦支穹頂結(jié)構(gòu)可降低對(duì)周邊環(huán)梁的要求，不僅緩解了周邊環(huán)梁的巨大壓力，而且降低了結(jié)構(gòu)施工過程中的難度。國(guó)內(nèi)已有多項(xiàng)工程實(shí)踐使用了弦支穹頂結(jié)構(gòu)，如武漢中心體育館（如圖3所示）、濟(jì)南奧林匹克體育中心體育館、大連市體育館、北京奧運(yùn)會(huì)羽毛球館等。

圖3 武漢中心體育館弦支穹頂結(jié)構(gòu)

1.4 索穹頂結(jié)構(gòu)

張拉整體概念是由著名建筑大師R·B·Fuller最先提出的，但是在此后的很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)并沒有應(yīng)用于工程實(shí)踐中。20世紀(jì)80年代，基于R·B·Fuller的張拉整體概念，美國(guó)著名結(jié)構(gòu)工程師D·H·Geiger將張拉整體結(jié)構(gòu)拓?fù)湫问竭M(jìn)一步發(fā)展，并發(fā)明了支撐于周邊環(huán)梁上的全張力體系—索穹頂結(jié)構(gòu)（Cable Dome），如圖4所示，且在首爾奧運(yùn)會(huì)體育館和擊劍館的項(xiàng)目中得到實(shí)際應(yīng)用。

圖4 全張力體系—索穹頂

索穹頂結(jié)構(gòu)采用較多的高強(qiáng)度拉索及少量的壓桿，且屋面運(yùn)用重量很輕的膜材料，故其整體結(jié)構(gòu)的自重特別輕。由于該結(jié)構(gòu)單位面積下的平均重量和工程造價(jià)均不會(huì)因跨度的增大而明顯增加，因此對(duì)于大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)而言，索穹頂結(jié)構(gòu)顯得尤為適用。在國(guó)內(nèi)目前已有幾座中小跨度的采光頂采用索穹頂結(jié)。索穹頂結(jié)構(gòu)將成為一種有著良好發(fā)展前景的結(jié)構(gòu)形式。

1.5 預(yù)應(yīng)力索桁架結(jié)構(gòu)

預(yù)應(yīng)力索桁架（Cable Truss）是用高強(qiáng)拉索成為上下弦桿并形成類似桁架的結(jié)構(gòu)，對(duì)索張拉成型。桁架結(jié)構(gòu)按空間組成可分為平面索桁架和空間索桁架兩種形式。索桁架結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮了索的抗拉能力，具有剛度大、跨度大、通透、建筑美觀等優(yōu)點(diǎn)，玻璃幕墻及采光頂?shù)慕ㄖ卸嗖捎昧舜祟惤Y(jié)構(gòu)形式。國(guó)外大型體育場(chǎng)中大量使用該結(jié)構(gòu)。在國(guó)內(nèi)，玻璃幕墻的支撐結(jié)構(gòu)一般為平面索桁架結(jié)構(gòu)。

1.6 大型索網(wǎng)結(jié)構(gòu)

在國(guó)內(nèi)索網(wǎng)結(jié)構(gòu)起步較早，一大批索網(wǎng)屋蓋結(jié)構(gòu)在20世紀(jì)90年代初期建成，如上海人民體育館、浙江化纖廠餐廳、鹽城工學(xué)院體育館等。近年來(lái)，在幕墻工程中大型索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用不斷增多，其中比較典型的有航海博物館、新保利大廈拉索幕墻等。

國(guó)內(nèi)學(xué)者結(jié)合風(fēng)、地震等作用的研究，預(yù)應(yīng)力本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)中的核心問題進(jìn)行了針對(duì)性的研究。預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)初始形態(tài)、預(yù)應(yīng)力度、結(jié)構(gòu)張拉過程等都進(jìn)行大量的研究，并取得了突出的研究成果。

2 預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)及工程應(yīng)用的發(fā)展展望

雖然我國(guó)在預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域已經(jīng)得到了世界的認(rèn)可，但由于其范圍廣、涉獵面多，在理論研究等各個(gè)領(lǐng)域還有很大的發(fā)展空間。第一，新的結(jié)構(gòu)理論需要完善。第二，加強(qiáng)設(shè)計(jì)與施工的配合，預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)要求設(shè)計(jì)人員熟練掌握結(jié)構(gòu)的三維認(rèn)識(shí)、繪制、表達(dá)等。預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)施工前需要有合理的施工方案，且應(yīng)對(duì)整個(gè)施工過程進(jìn)行仿真模擬，制定合理的張拉施工工藝。第三，索體性能的理論和產(chǎn)品工藝研究需要不斷創(chuàng)新，特別是索的裝飾、耐久和防火技術(shù)。第四，需要加強(qiáng)工程檢測(cè)方面對(duì)索力和索體損傷的監(jiān)測(cè)研究。

3 結(jié)論

文章對(duì)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在建筑工程中的應(yīng)用作了一個(gè)簡(jiǎn)單的總結(jié)，并歸納了預(yù)應(yīng)力技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用中的結(jié)構(gòu)形式。預(yù)應(yīng)力技術(shù)可以滿足建筑工程中對(duì)大跨度、大空間的需求，因此在一些特殊結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛。預(yù)應(yīng)力技術(shù)在建筑工程中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，符合國(guó)家對(duì)土木工程建設(shè)的思想，擁有良好的發(fā)展前景。