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預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)十問

作者：陸賜麟    
時(shí)間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]
[摘要] 本文以問答形式扼要地介紹預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、類型、工藝方法、經(jīng)濟(jì)效益及適用范圍等問題，以便我國(guó)企事業(yè)單位的老董、老總、CEO們，設(shè)計(jì)管理部門的負(fù)責(zé)人及領(lǐng)導(dǎo)們能對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)有個(gè)基本的了解，共同來

    [摘要] 本文以問答形式扼要地介紹預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、類型、工藝方法、經(jīng)濟(jì)效益及適用范圍等問題，以便我國(guó)企事業(yè)單位的老董、老總、CEO們，設(shè)計(jì)管理部門的負(fù)責(zé)人及領(lǐng)導(dǎo)們能對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)有個(gè)基本的了解，共同來促進(jìn)這一先進(jìn)、合理、經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)用與發(fā)展。
    [關(guān)鍵詞]預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)？
    預(yù)應(yīng)力技術(shù)古已有之，乃先人藉此改善生活用具性能，加固補(bǔ)強(qiáng)勞作工具的一種工藝。如撐起布傘（引入預(yù)應(yīng)力）可以防雨擋風(fēng)。木桶套箍（引入預(yù)應(yīng)力）可以耐久防漏等。但在現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)中引入預(yù)應(yīng)力卻是近50年的事出有因情。人們?cè)阡摻Y(jié)構(gòu)承重體系中有意識(shí)地引入人為應(yīng)力以抵消荷載應(yīng)力，調(diào)整內(nèi)力峰值，增強(qiáng)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(yù)應(yīng)力技術(shù)創(chuàng)建新體系的都可稱之為預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)。
    二、 預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)有那些優(yōu)點(diǎn)？
    預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)在于：
    1、充分反復(fù)地利用鋼材彈性強(qiáng)度幅值，從而提高結(jié)構(gòu)承載力（圖1）
    非預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)承載從零應(yīng)力開始達(dá)到材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度F而終止受力，其承載烽為N1（圖1，a）；而預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)承載始自預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力可以調(diào)整結(jié)構(gòu)循環(huán)應(yīng)力特征而提高疲勞強(qiáng)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(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)效益如何？
    預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)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(diǎn)、按裝方法與材料價(jià)格等眾多因素有關(guān)。正常情況下，預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)同比非預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)采用單次張拉時(shí)可節(jié)約鋼材10~20%；多次張拉時(shí)可達(dá)20~40%。而預(yù)應(yīng)力創(chuàng)新體系結(jié)構(gòu)與非預(yù)應(yīng)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(qiáng)度潛力越大，采用預(yù)應(yīng)力的經(jīng)濟(jì)效益越高。例如在實(shí)腹梁截面重心軸附近存有大量強(qiáng)度潛力。采用預(yù)應(yīng)力后其經(jīng)濟(jì)效益同比格構(gòu)梁要高許多。
    四、 說說國(guó)內(nèi)外有那些著名預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)工程，其經(jīng)濟(jì)性怎樣？
    請(qǐng)看下表，不言自明。
    五、 預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)有那幾種類型？
    從早期預(yù)應(yīng)力吊車梁，撐桿梁的簡(jiǎn)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(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力以改善應(yīng)力狀態(tài)、降低自重及成本。例如預(yù)應(yīng)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(jī)樓、會(huì)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(yīng)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(yù)應(yīng)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(duì)吊索施加預(yù)應(yīng)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(diǎn)。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(yáng)體育館、杭州黃龍?bào)w育場(chǎng)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(jì)構(gòu)思新穎，是先進(jìn)結(jié)構(gòu)體系中的佼佼者，例如漢城奧運(yùn)主賽館、慕尼黑奧運(yùn)體育館建筑群等。由于此體系屬國(guó)外專利，國(guó)內(nèi)尚無工程實(shí)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(hù)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(fù)蓋跨度。兩者都是在結(jié)構(gòu)成型理論指導(dǎo)下誕生的預(yù)應(yīng)力新型體系，應(yīng)用于莫斯科奧運(yùn)會(huì)的幾個(gè)主賽場(chǎng)館中，國(guó)內(nèi)尚不掌握此項(xiàng)技術(shù)。
    六、 施加預(yù)應(yīng)力的方法有那些？
    主要施加預(yù)應(yīng)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(yīng)力而受益。這是國(guó)內(nèi)外應(yīng)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(qiáng)迫支座位移（垂直或水平移位），改變支座設(shè)計(jì)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(qiáng)制外力后，結(jié)構(gòu)內(nèi)出現(xiàn)恢復(fù)力產(chǎn)生的有益預(yù)應(yīng)力。這一方法多用于工廠制造生產(chǎn)過程中，可生產(chǎn)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件產(chǎn)品供應(yīng)市場(chǎng)。
    4、 手工簡(jiǎn)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(jiǎn)易可行，便于推廣，適用于廣大地區(qū)。
    七、 預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(jì)效益更為顯著。目前對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用廣泛的領(lǐng)域是房屋建筑結(jié)構(gòu)，如體育場(chǎng)館、會(huì)展中心、劇院、商場(chǎng)、飛機(jī)庫(kù)、候機(jī)樓等大型公共建筑中。在高層建筑中也有采用預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)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(gè)應(yīng)用較多的領(lǐng)域是橋梁結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)外許多懸索橋，斜拉橋都是技術(shù)成熟的工程實(shí)踐。高聳構(gòu)筑物是利用預(yù)應(yīng)力增強(qiáng)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(yù)應(yīng)力技術(shù)用于服役鋼結(jié)構(gòu)的加固補(bǔ)強(qiáng)上更是內(nèi)容豐富、種類繁多。預(yù)應(yīng)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(dòng)。其在工程中的應(yīng)用與發(fā)展有待深入。
    八、 為什么預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)近年來發(fā)展迅猛？原因何在？
    預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)在國(guó)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(shì)，滿足更大、更輕 、更好的技術(shù)要求。
    任何結(jié)構(gòu)體系、計(jì)算理論、新型材料、施工工藝發(fā)展前進(jìn)的終極目標(biāo)，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(qiáng)度高加工性好，施工快捷等到優(yōu)點(diǎn)。鋼結(jié)構(gòu)與預(yù)應(yīng)力技術(shù)結(jié)合后，優(yōu)點(diǎn)更為突出。預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(yù)應(yīng)力”、“提高抗震性”、等諸多原則，發(fā)展成為工程結(jié)構(gòu)學(xué)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(yù)應(yīng)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(chǎng)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(jìn)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(duì)自然資源的索取與消耗，節(jié)約對(duì)不可再生能源的開發(fā)與利用是現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)建設(shè)
    中應(yīng)當(dāng)遵守的理念。預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)中材料可以合理使用、節(jié)約使用反復(fù)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(hù)結(jié)構(gòu)依附于預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)與預(yù)應(yīng)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?；煜齼烧叩牟顒e，有人把預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)稱為“預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)”，而不知又誕生了預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)學(xué)科及其廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中采用預(yù)應(yīng)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(fēng)度，改善結(jié)構(gòu)性能。鋼結(jié)構(gòu)中施加預(yù)應(yīng)力的目的除提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)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?jiǎng)偠?，改變幾何可變體系為幾何不變體系，設(shè)計(jì)按強(qiáng)度計(jì)算的壓桿及具有預(yù)壓應(yīng)力的拉桿以及無受彎桿件的跨度結(jié)構(gòu)等。籍預(yù)應(yīng)力還可改善結(jié)構(gòu)的抗震性，抗疲勞性及其它動(dòng)力性能，兩者雖然都應(yīng)用了預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力是雙面劍，運(yùn)用得當(dāng)，結(jié)構(gòu)受益，否則適得其反”，對(duì)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(yù)測(cè)非人力可控制的。例如炒股、賭博。“雙面劍”不能應(yīng)用于具有正面效應(yīng)的一切事物，既或各種因素干擾下也會(huì)出現(xiàn)負(fù)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(yíng)養(yǎng)類以生存的物質(zhì)，但有時(shí)也會(huì)致病，甚至使人喪命。但有正常思維和邏輯的人總不會(huì)稱汽車和食品都是“雙面劍”吧！
    預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容是：結(jié)構(gòu)選型與優(yōu)化，布索方案經(jīng)濟(jì)分析，張拉階次與力度設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)計(jì)算與內(nèi)力組合，構(gòu)件與節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，施工工藝選擇等。其中任何一項(xiàng)中的差錯(cuò)與失誤都可導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力經(jīng)濟(jì)效益的下降基喪失。例如多種布索方案中應(yīng)選擇效益高、材料少、工藝簡(jiǎn)便者。由于人為的庇漏與專業(yè)生疏產(chǎn)生的負(fù)面郊應(yīng)總不該歸罪于預(yù)應(yīng)力技術(shù)本身，而把它視為“雙面劍”。
    參政文獻(xiàn)
    1. 陸賜麟、尹思明、劉錫良 現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu) 人民交通出版社 2003年 北京
    2. 陸賜麟 預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)學(xué)科的新成就及其在我國(guó)工程實(shí)踐
    《土木工程學(xué)報(bào)》1999.N.3
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