[科普中国]-预力钢

概述

预应力钢结构是指采用人为的方法在结构或构件最大受力截面部位，引入与荷载效应相反的预应力，使其在外荷载和预应力共同作用下的应力限制在特定范围内，从而扩大材料的弹性范围，充分利用高强材料，发挥材料特性；调整结构中内力分布，增加构件刚度，减小结构变形，减轻结构自重；降低结构最大拉应力，使低韧性钢材的脆断可能性减小。且通过降低有效应力幅值来增强结构的疲劳使用寿命，从而达到节约钢材和降低造价的目的。预应力钢结构经过50余年的发展，由初始的撑杆梁形式衍生出预应力网格结构、预应力吊挂结构、预应力索网（索膜、索穹顶）结构及预应力张弦结构等各种形式。2

特点及分类预应力钢结构的主要特点如下：

（1）充分、反复地利用钢材弹性强度幅值，从而提高结构承载力。

（2）改善结构受力状态，节省钢材。例如受弯构件巾的部分弯矩可以施加预应力转换为轴拉力，降低弯矩峰值，从而构件截面可以缩小，降低用钢量。

（3）提高结构刚度及稳定性，改善结构的各种属性。

预应力结构产生的结构变形常与荷载下的变形反向，因而结构刚度得以提高；由于布索而改变结构边界条件，可以提高结构稳定；预应力还可以调整结构循环应力特征而提高疲劳强度；由于降低结构自重而减小地震荷载，提高其抗震性能等，

预应力钢结构种类繁多，大致可归纳为以下四类。

（1）传统结构型

在传统的钢结构体系上，布置索系施加预成力以改善应力状态、降低自重及成本。例如预应力桁架、网架、网壳、张弦桁架等。另一种是悬索结构，其结构由承重索与稳定索两组索系组成，施加预应力的目的不是降低与调整内力，而是提高与保证刚度。

（2）吊挂结构型

结构由竖向支撑物（立柱、门架、拱脚架）、吊索及屋盖子部分组成。支撑物高出屋面，于其顶部下垂钢索吊挂屋盖。对吊索施加预庇力以调整犀盖内力，减小挠度并形成屋盖结构的弹性支点。由于支撑物及吊索暴露于室外，所以又称暴露结构。

（3）整体张拉型

整体张拉型结构体系，摒弃了传统的受弯构件，全部由受张索系及膜面和受压撑杆组成。屋面结构极轻，是目前最先进的新型结构体系。

（4）张力金属膜型

金属膜片固定于边缘构件之上，既作为维护结构，又作为承重结构参与整体承受荷载。或在张力态下，将膜片同定于骨架结构之上，形成空间块体结构。两者都是在结构成型理论指导下诞生的预应力新型体系。1

施加预应力方式钢结构施加预应力方式有以下几种：直接张拉方式、整体下压方式和整体顶升方式等。

1．直接张拉方式

直接张拉方式是采用张拉设备直接张拉预应力筋与拉索的最常用的一种张拉方式，适用于各类预应力桁架、网壳、索网、斜拉结构等。

张拉成型方式是在直接张拉方式的基础上发展起来的，通过张拉预应力筋使整个屋盖结构起拱成型，无需起重设备。例如，广州白云机场飞机库预应力钢拱结构。

2．整体下压方式

整体下压方式是利用屋盖桁架等整体下压在钢索上，使钢索受到横向压力而建立预应力的一种张拉方式。例如，安徽体育馆、上海杨浦体育馆、潮州体育馆等索桁架结构体系。

安徽省体育馆中央比赛大厅屋盖采用索桁结构。索桁屋盖轴长72m，横向跨度为45.8～53.4m，呈八角棱形。悬索沿轴向倾斜布置，长72.52m，索距1.5m，锚固在17.4m和22.0m标高的水平横梁上。跨向设11榀梯形钢桁架，间距6.Om，钢桁架压在悬索上，端支座固定在框架柱上。从而，桁架对悬索加以横向压张预应力，达到悬索支承桁架，桁架稳定悬索，形成大跨度空间索桁结构。

3．整体顶升方式

整体顶升方式是利用支承柱等整体顶升索膜屋盖使索膜受拉而建立预应力的一种张拉方式。例如，深圳欢乐谷中心剧场索膜穹顶、秦皇岛体育馆双层索膜结构等。3