預應力鋼結構:簡介,結構,特點,優點,經濟效益,類型,傳統結構型,吊掛結構型,整體

預應力鋼結構（prestressed steel structure）是指在結構上施加荷載以前，對鋼結構或構件用特定的方法預加初應力，其應力符號與荷載引起的應力符號相反；當施加荷載時，以保證結構的安全和正常使用。結構或構件先抵消初應力，而且還應考慮預應力的作用，然後再按照一般受力情況工作的鋼結構稱為預應力鋼結構。

基本介紹

中文名：預應力鋼結構
外文名：prestressed steel structure
優點：節省鋼材
國家：中國
學科：水利工程
領域：工程技術

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簡介

結構

預應力技術古已有之，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。但在現代鋼結構中引入預應力卻是近50年的國情。人們在鋼結構承重體系中有意識地引入應力以抵消荷載應力，調整內力峰值，增強結構剛度及穩定性，改善結構其它屬性以及利用預應力技術創建新體系的都可稱之為預應力鋼結構。

特點

優點

預應力鋼結構的主要特點在於：

①充分、反覆地利用鋼材彈性強度幅值，從而提高結構承載力。

②改善結構受力狀態，節省鋼材。例如受彎構件中的部分彎矩可以施加預應力轉換為軸拉力，從而構件截面可以縮小，降低用鋼量。

③提高結構剛度及穩定性，改善結構的各種屬性。

預應力結構產生的結構變形常與荷載下的變形反向，因而結構剛度得以提高。由於布索而改變結構邊界條件，所以提高結構穩定性。預應力可以調整結構循環應力特徵而提高疲勞強度。由於降低結構自重而減小地震荷載，提高其抗震性能等。

經濟效益

預應力鋼結構的經濟性與結構體系、布索方案與工藝、荷載性質與力度、結構構造與節點、安裝方法與材料價格等眾多因素有關。正常情況下，預應力鋼結構同比非預應力鋼結構採用單次張拉時可節約鋼材10-20%；多次張拉時可達20-40%。而預應力創新體系結構與非預應力傳統結構相比要節約鋼材幾倍至幾十倍。總之，結構材料中的強度潛力越大，採用預應力的經濟效益越高。例如在實腹梁截面重心軸附近存有大量強度潛力。採用預應力後其經濟效益同比格構梁要高許多。

類型

從早期預應力吊車梁，撐桿梁的簡單形式發展張弦桁架、索穹頂、索膜結構、玻璃幕牆等現代結構，預應力鋼結構種類繁多，大致歸納為四類：

傳統結構型

在傳統的鋼結構體系上，布置索系施加預應力以改善應力狀態、降低自重及成本。例如預應力桁架、網架、網殼等。例如天津寧河體育館，攀枝花市體育館的網架、網殼屋蓋等。候機樓、會展中心廣泛採用的張弦桁架亦歸入此類。另一種是工程中套用已久的懸索結構，如北京工人體育館，浙江人民體育館。其結構由承重索與穩定索兩組索系組成，施加預應力的目的不是降低與調整內力，而是提高與保證剛度。

吊掛結構型

結構由豎向支撐物（立柱、門架、拱腳架），吊索及屋蓋三部分組成。支撐物高出屋面，於其頂部下垂鋼索吊掛屋蓋。對吊索施加預應力以調整屋蓋內力，減小撓度並形成屋蓋結構的彈性支點。由於支撐物及吊索暴露於大氣之中直指藍天，所以又稱暴露結構。例如江西體育館、北京朝陽體育館、杭州黃龍體育場等。

整體張拉型

屬創新結構體系，跨度結構中擯棄了傳統受彎構件，全部由受張索系及膜面和受壓撐桿組成。屋面結構極輕，設計構思新穎，是先進結構體系中的佼佼者。例如漢城奧運主賽館、慕尼黑奧運體育建築群等。由於此體系屬國外專利，國內尚無工程實例。

張力金屬膜型

金屬膜片固定於邊緣構件之上，既作為維護結構，又作為承重結構參與整體承受荷載。或在張力態下，將膜片固定於骨架結構之上，形成空間塊體結構，覆蓋跨度。兩者都是在結構成型理論指導下誕生的預應力新型體系，套用於莫斯科奧運會的幾個主賽場館中，國內不掌握此項技術。

方法

主要施加預應力的方法有四類：

鋼索張拉法

在結構體系中布置索系，通過千斤頂張拉索端而在結構中產生卸載應力而受益。這是國內外套用廣泛技術成熟的一種工藝。但索端須有錨頭固定增大材耗。且需張力設備等加大施工成本。

支座位移法

在連續梁和超靜定結構中，人為地強迫支座位移（垂直或水平移位），改變支座設計位置可調整內力，降低彎矩峰值，減小結構截面面積。這種方法可節省鋼索，錨頭等附加材耗及張拉工藝，適用於地基基礎較好的工程。

彈性變形法

鋼材在彈性變形條件下，將組成結構的桿件和板件連成整體。卸除強制外力後，結構內出現恢復力產生的有益預應力。這一方法多用於工廠製造生產過程中，可生產預應力構件產品供應市場。

手工簡易法

用於中、小跨，施加張力不大情況下，例如藉擰緊螺母張拉拉桿，用正反扣螺栓橫向椎拉拉索產生張力等手工操作法，簡易可行，便於推廣，適用於廣大地區。

適用範圍

凡是鋼結構適用的地方都可以用預應力鋼結構取代以改善結構性能降低鋼耗。尤其在跨度大，荷載重的情況下經濟效益更為顯著。對預應力鋼結構套用廣泛的領域是房屋建築結構，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築中。在高層建築中也有採用預應力鋼結構的實例，如南非約翰內斯堡市的發展銀行大樓、北京新保利大廈等處。另一個套用較多的領域是橋樑結構，國內外許多懸索橋，斜拉橋都是技術成熟的工程實踐。高聳構築物是利用預應力增強結構剛度的一種類型，由於拉索作用大大提高塔桅結構的水平剛度，如悉尼電視塔、巴塞隆納電訊塔、北京華北電力調度塔以及許多高壓輸電線路塔架等。把預應力技術用於服役鋼結構的加固補強上更是內容豐富、種類繁多。預應力技術用於輕鋼結構、鋼板結構的研究已經啟動，其在工程中的套用與發展有待深入。

發展迅猛

預應力鋼結構發展迅猛的主要原因是：

符合結構發展趨勢，滿足更大、更輕、更好的技術要求。

任何結構體系、計算理論、新型材料、施工工藝發展前進的終極目標總是要求結構物能跨度大些、自重輕些、性能好些。鋼結構同比混凝土結構，磚結構具有比容重輕，比強度高加工性好，施工快捷等優點。鋼結構與預應力技術結合後，優點更為突出。預應力鋼結構設計理論完全符合鋼結構成型理論中。“兼併功能”、“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，發展成為工程結構學科中的優秀體系。

符合加工批量化、構件商品化、施工裝配化的現代工業生產規律。

預應力鋼結構的構件皆可在工廠生產與組裝，在工地組拼成部件或整體，屋蓋體一次吊裝就位。將現場製造工地轉變為裝配工地，將空中作業轉換為地面作業，可以進行安全、快速的文明施工。

符合《可持續發展》原則，《綠色生態》要求及現代特徵。

節制對自然資源的索取與消耗，節約對不可再生能源的開發與利用是現代經濟建設中應當遵守的理念。預應力鋼結構中材料可以合理使用、節約使用、反覆使用、循環使用，它十分符合《可持續發展》原則。鋼材屬於無害，無污染可回收再生使用的“綠色建材”，不危害生態環境。現代新材料圍護結構依附於預應力鋼結構之上，造型新穎、多姿多彩，極富現代氣息。

不同點

業內人士還常常混淆兩者的差別，有人把預應力混凝土結構簡稱為“預應力結構”，而不知又誕生了預應力鋼結構學科及其廣闊的套用領域。鋼筋混凝土結構中採用預應力技術是為了延緩混凝土中裂縫出現及提高結構剛度，改善結構性能。鋼結構中施加預應力的目的除提高結構剛度，改善結構性能。鋼結構中施加預應力的目的除提高結構強度、穩度、剛度外，主要是創建新型結構體系。賦予零剛度結構以必要剛度，改變幾何可變體系為幾何不變體系、設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構等。籍預應力還可改善結構的抗震性、抗疲勞性及其它動力性能。兩者雖然都套用了預應力技術改善結構屬性，但二者的目的、方法、工藝、力度、構造、效果等皆迥然不同，存在本質上的差異。

預應力鋼結構