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预应力钢结构简介

摘要：本文简述了预应力结构的原理、作用、施加预应力方法、工程应用分类、经济性比较等，特别重点分析了预应力门架的影响经济性的各种参数。

一、预应力结构原理
何谓预应力？预应力就是工程结构在承受荷载前、或在承受部分使用荷载时，人为地给结构施加了一种力，使其在使用阶段的受力性能得到改善。这种技术即谓之预应力技术。
我们祖先最早发明了预应力技术，如：
1. 木桶打箍：预加环向压力，以消除使用阶段或水产生的外张拉力；

a）水张力 b）预压力
图1 木桶打箍

2. 木锯张紧索：用于固定据条；
3. 弓弦：用于引发发射弹力；
4. 帐篷：边索施加预应力，使帐篷布撑开、固定，并能承受一定荷载；
5. 雨伞：用减少两组铰接撑杆一端的距离，使上复板层受张力而张开，并能承受一定风荷载。

a）未打开 b）打开
图2 雨伞

二、预应力的作用
1. 增加承载力
①对于受拉构件，先加压力；（用高强材料代替低强度材料）

图3 预应力组合拉杆示意图
1-高强钢索(f=∞)；2-槽钢；3-盖板；4-缀板

②对于受弯构件，先使它反向弯曲；（用曲线配筋，使之作用与原弯曲图相反）

图4 对受弯构件施加预应力

③对于受压构件，减少无支长度，提高φ值。

图5 对受压构件施加预应力

2. 较少结构挠度
①梁、刚构反向预应力，可减少挠度；

图6 预应力减少梁的挠度

②索网的反向索预应力，可减少正向索使用阶段的挠度。
3. 调节振动特征
①增加单体刚度，提高自振频率；
②使索结构振动线性化，便于计算控制；
③局部施加预应力，可改变整个结构振动特性，如结构振动控制中的钢弦控制方法。
4. 改变结构受力特性
①可使拉索承受压力；（预应力的损失）
②可使受纯弯曲变成压弯；
③可使轴心受压变成偏心受压。
5. 使结构成形
对索网与张力结构，不加预应力，就不能构成形状固定的结构。

三、预应力钢结构工程应用分类
1. 预应力柔性结构
①单索结构：索道、索桥；

图7 单索

②平面索桁架：拉索撑杆体系；

图8 平面索桁架

③空间索桁架：车轮式悬索结构；

图9 空间索桁架
④索网

图10 索网

2. 预应力刚性结构
①预应力大梁

图11 拉索预应力简支梁形式

②预应力桁架

图12 预应力轻型桁架示意图

③预应力门式刚架

图13 预应力门式刚架示意图

④预应力框架

图14 预应力框架示意图

⑤预应力网架、网壳与Tensegrity体系

图15 准Tensegrity体系——Suspen-Dome

3. 预应力斜拉结构
①预应力梁、桁架：大多应用于桥梁中
②斜拉交叉梁系
③斜拉梁
④斜拉网架

图16 斜拉结构的布索形式
a)放射式；b)竖琴式；c)扇式；d)星式

图17 英国伯明翰国家工程中心展厅屋盖

四、施加预应力的方法
1. 拉索法
①千斤顶直接张拉法

图18 千斤顶直接张拉法

②千斤顶推顶法

图19 千斤顶顶推法

③丝扣拧张法

图20 丝扣拧张法

④横向张拉法

图21 横向张拉法

⑤电热张拉法
2. 支座位移法

图22 支座位移法

3. 弹性变形法

图23 弹性变形法预应力梁内力图
五、预应力钢结构与非预应力钢结构经济性比较实例
表1预应力钢结构工程用钢量及其非预应力钢结构工程用钢量比较表
建造年代
工程名称
建筑尺寸(m)
采用的结构形式
用钢指标(kg/m2)
节约钢材(%)
1967
浙江省体育馆
80×60
负高斯曲率椭圆形索网
17.3（不计圈梁）
1984
天津宁河体育馆
42×42
正放四角锥网架，
用支座位移法施加预应力
31.61（12％）
1988
汉城奥运会主体育馆
D=119.79
拉索—压杆体系
14.6（不计压环）
1992
上海国际购物中心
27×27
拉索预应力组合平板网架
47.98（31.82％）
1994
四川攀枝花体育馆
74.8×74.8
八边形双层球面网壳，
周边设8条预应力索
35.0（36.61％）
1995
河南空间结构厂仓库
36×36
对角线拉索预应力正交正放网架
14.58（45％）
1996
郑州碧波园
80×80
八面锥形网壳（局部三层，变高），
周边设4条预应力索
43.5（15％）
1996
亚特兰大奥运馆
乔治亚穹顶
240.79×192.02
空间拉索—撑杆体系（支撑在圆形环梁上），将脊索由辐射状改进为交叉联方网格，空间性能更好
35
1997
贵州瓮福磷矿体育馆
54.0×42.0
预应力网壳
29.50
1999
广东连州一中风雨操场
40×36
双层扁网壳，四边各设一预应力索
21.2（23％）
典型的非预应力钢结构工程用钢量指标
2008
北京五棵松篮球馆
120×120
双向正交空腹桁架体系（非预应力）
694.4
2008
北京奥运会主体育场
（鸟巢）
333.2×296.4
平面交叉桁架体系（中间无屋顶），
结构自重/活载＝14倍（非预应力）
726

图24 汉城体育馆（1988）

图25 乔治亚穹顶（Georgia Dome）体育馆（1996）

图26 浙江黄龙体育中心体育场挑蓬钢结构
a)斜拉索布置；b)稳定索布置

图27 浙江省人民体育馆（1967）

图28 北京奥运会主体育场

图29 北京五棵松篮球馆

六、预应力门架的影响因素及其经济性

图30 预应力门式刚架简图

1. 拉索的初拉力
增大拉索的预应力可以减少刚架的最终变形和内力，提高结构的承载力。当然，拉索预应力增大，刚架梁的轴力也增大，这对梁的稳定是不利的，从梁的稳定来看，拉索的预应力不宜过大。
表2 预应力门式刚架的应力和变形（不同的初拉力）
拉索初拉力T0
（kN）
工况
柱应力
（MPa）
梁应力
（MPa）
梁跨中挠度
（mm）
柱顶侧移
（mm）
拉索应力
（MPa）
0
工况一
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
工况二
162.3
166.0
109.1
8.3
150.2
20
工况一
8.49
12.0
-7.5
-0.8
75.4
工况二
155.8
161.8
103.3
7.7
208.2
50
工况一
21.2
30.2
-18.8
-2.0
188.6
工况二
146.0
155.5
94.6
6.7
295.3
100
工况一
42.4
60.8
-37.7
-4.1
377.0
工况二
129.7
145.1
80.1
5.2
440.2
150
工况一
63.7
120.2
-56.5
-6.1
565.7
工况二
113.4
134.6
65.6
3.6
586.3
200
工况一
84.9
160.3
-75.4
-8.2
754.1
工况二
97.0
124.2
51.1
2.0
730.4
250
工况一
106.1
200.0
-94.2
-10.2
942.6
工况二
80.7
113.8
36.6
0.4
875.4

2. 拉索的截面积
增大拉索的截面积可以增强结构的整体刚度，减少刚架的变形和内力，提高结构的承载力。当然，从经济性的角度考虑，拉索的截面积不宜选用得太大。

表3 预应力门式刚架的应力和变形（不同拉索截面积）
拉索的直径d
（mm）
工况
柱应力
（MPa）
梁应力
（MPa）
梁跨中挠度
（mm）
柱顶侧移
（mm）
拉索应力
（MPa）
10
工况一
63.7
120.2
-56.5
-6.1
1242.1
工况二
122.2
140.3
73.4
4.4
1170.9
15
工况一
63.7
120.2
-56.5
-6.1
552.0
工况二
113.7
134.9
65.9
3.6
597.7
20
工况一
63.7
120.2
-56.5
-6.1
310.5
工况二
104.1
128.7
57.4
2.7
385.4
25
工况一
63.7
120.2
-56.5
-6.1
198.7
工况二
94.5
122.6
18.9
1.8
278.2
30
工况一
63.7
120.2
-56.5
-6.1
138.0
工况二
85.6
116.9
41.0
0.9
213.5

3. 风荷载
风荷载只要不是特别大，那么它对预应力门式刚架梁柱的应力和梁跨中的竖向挠度没有什么影响，但对柱顶的侧移和拉索的最小应力有一定影响。当风荷载特别大时，刚架的应力和变形都有较大的变化，而且拉索的应力可能变为零，即拉索在较大风荷载的作用下可能处于失效状态。
表4 预应力门式刚架的应力比和变形（不同风荷载）
风荷载(kN/m2)
柱应力比
梁应力比
梁跨中挠度(mm)
柱顶侧移(mm)
拉索应力比
0
0.99
0.99
131.9（178）
33.6（125）
0.14~0.28
0.25
0.99
0.99
131.9（178）
33.8（125）
0.12~0.28
0.45
0.99
0.99
131.9（178）
34.0（125）
0.09~0.28
0.8
0.99
0.99
131.9（178）
34.2（125）
0.04~0.28
1.0
1.09
0.99
154.8（178）
39.1（125）
0.01~0.28
1.2
1.36
1.23
185.8（178）
44.1（125）
0~0.28
1.5
1.77
1.62
232.2（178）
54.6（125）
0~0.28

4. 门架的跨度
随着门架跨度的增加，预应力门式刚架的经济性越来越明显。
表5 普通门架和预应力门架用钢量比较（不同跨度）
门架跨度L（m）
普通门式刚架（kg）
预应力门式刚架（kg）
节约钢材（％）
24
1988
1884
5
26
2222
2094
6
28
2434
2321
5
30
2916
2633
10
32
3387
3037
11
36
4650
4147
11

5. 门架的间距
随着门架间距的增加，预应力门式刚架的经济性也越来越明显。
表6 普通门架和预应力门架用钢量比较（不同间距）
柱距D（m）
普通门式刚架（kg）
预应力门式刚架（kg）
节约钢材（％）
6
1988
1884
5
7.5
2145
2028
5
9
2383
2183
8
12
2934
2669
9