预应力在钢结构中的应用

王 猛

陆军工程大学（210000）

0 引言

随着社会的发展，人们对建筑物的美观和功能都提出了更高的要求，对大跨度、大空间混凝土结构及钢结构的需求更加迫切。在结构中施加预应力无疑是一种增大结构跨度和空间的经济有效的措施。文章总结了预应力技术在建筑工程中的应用，探讨了预应力发展的可行性。

1 预应力技术在钢结构中的应用

预应力技术是在国外最先运用，其发展初期大部分用在桥梁工程中。在施工阶段将预应力技术应用到钢结构中，通过调整钢材结构杆件的内力，从而形成高强钢材，既满足了使用需求，又在很大程度上节省了钢材消耗[1]。

我国在上世纪中叶开始研究并引入预应力技术在钢结构中的使用。首次应用预应力技术是在山西省大同市，成功建造了一架预应力钢结构输煤栈桥，为之后的预应力钢结构应用提供了借鉴的范本。

在计算机还没有发明之前，预应力钢结构的研究以解析法和近似法为主要研究方法，需要耗费大量的人力，且所得结论不够精确。随着计算机的发明、使用和普及，相关的软件逐渐被研发，有限元法就是其中一个重要的分析方法。几十年来，有限元法的发展为大型工程的结构分析提供了重要参考和依据，使得现代预应力结构获得进一步的研究和发展，助推了预应力技术在钢结构中的应用。

随着现代预应力钢结构技术的更新，随之而来的是新的结构形式，主要有以下几种类型：

1.1 斜拉结构

斜拉结构类似于斜拉桥，塔柱或桅杆等通过预应力索形成空间网格结构，预应力索为结构提供弹性支撑点，结构跨度成倍增加，使得建筑出现无柱网大空间[2]。图1为浙江黄龙体育中心体育场，是典型的斜拉网格结构，为国内首个特大空间体育场。

图1 浙江黄龙体育中心体育场斜拉结构

1.2 张弦梁结构

张弦梁是目前建筑工程中普遍应用的一种新型结构形式，是由撑杆将刚度较大的压弯构件和强度较高的抗拉杆件连接形成的一种自平衡体系[3]。该体系由日本M.Saitoh教授于1990年首先提出，具有自平衡性、结构刚度大、结构稳定性强、建筑适应性强等特点。国内首先采用张弦梁结构的是浦东国际机场航站楼（如图2所示），之后在国内一大批重点工程中应用。

图2 浦东国际机场航站楼张弦梁结构

1.3 弦支穹顶结构

日本法政大学的川口卫教授在1993年提出将单层球面网壳结构与去掉上层索的索穹顶结构相结合组成一种合理的新型杂交结构，称为弦支穹顶结构（Suspend-Dome）。相比于单层网壳结构，弦支穹顶结构具有更高的刚度与更强的稳定性。相比于索穹顶结构，弦支穹顶结构可降低对周边环梁的要求，不仅缓解了周边环梁的巨大压力，而且降低了结构施工过程中的难度。国内已有多项工程实践使用了弦支穹顶结构，如武汉中心体育馆（如图3所示）、济南奥林匹克体育中心体育馆、大连市体育馆、北京奥运会羽毛球馆等。

图3 武汉中心体育馆弦支穹顶结构

1.4 索穹顶结构

张拉整体概念是由著名建筑大师R·B·Fuller最先提出的，但是在此后的很长一段时间内并没有应用于工程实践中。20世纪80年代，基于R·B·Fuller的张拉整体概念，美国著名结构工程师D·H·Geiger将张拉整体结构拓扑形式进一步发展，并发明了支撑于周边环梁上的全张力体系—索穹顶结构（Cable Dome），如图4所示，且在首尔奥运会体育馆和击剑馆的项目中得到实际应用。

图4 全张力体系—索穹顶

索穹顶结构采用较多的高强度拉索及少量的压杆，且屋面运用重量很轻的膜材料，故其整体结构的自重特别轻。由于该结构单位面积下的平均重量和工程造价均不会因跨度的增大而明显增加，因此对于大跨度屋盖结构而言，索穹顶结构显得尤为适用。在国内目前已有几座中小跨度的采光顶采用索穹顶结。索穹顶结构将成为一种有着良好发展前景的结构形式。

1.5 预应力索桁架结构

预应力索桁架（Cable Truss）是用高强拉索成为上下弦杆并形成类似桁架的结构，对索张拉成型。桁架结构按空间组成可分为平面索桁架和空间索桁架两种形式。索桁架结构充分发挥了索的抗拉能力，具有刚度大、跨度大、通透、建筑美观等优点，玻璃幕墙及采光顶的建筑中多采用了此类结构形式。国外大型体育场中大量使用该结构。在国内，玻璃幕墙的支撑结构一般为平面索桁架结构。

1.6 大型索网结构

在国内索网结构起步较早，一大批索网屋盖结构在20世纪90年代初期建成，如上海人民体育馆、浙江化纤厂餐厅、盐城工学院体育馆等。近年来，在幕墙工程中大型索网结构的应用不断增多，其中比较典型的有航海博物馆、新保利大厦拉索幕墙等。

国内学者结合风、地震等作用的研究，预应力本身的结构特点，对预应力钢结构中的核心问题进行了针对性的研究。预应力钢结构初始形态、预应力度、结构张拉过程等都进行大量的研究，并取得了突出的研究成果。

2 预应力钢结构技术及工程应用的发展展望

虽然我国在预应力钢结构领域已经得到了世界的认可，但由于其范围广、涉猎面多，在理论研究等各个领域还有很大的发展空间。第一，新的结构理论需要完善。第二，加强设计与施工的配合，预应力钢结构要求设计人员熟练掌握结构的三维认识、绘制、表达等。预应力钢结构施工前需要有合理的施工方案，且应对整个施工过程进行仿真模拟，制定合理的张拉施工工艺。第三，索体性能的理论和产品工艺研究需要不断创新，特别是索的装饰、耐久和防火技术。第四，需要加强工程检测方面对索力和索体损伤的监测研究。

3 结论

文章对预应力结构在建筑工程中的应用作了一个简单的总结，并归纳了预应力技术在钢结构应用中的结构形式。预应力技术可以满足建筑工程中对大跨度、大空间的需求，因此在一些特殊结构中应用广泛。预应力技术在建筑工程中具有独特的优势，符合国家对土木工程建设的思想，拥有良好的发展前景。