一、預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)具有眾多優(yōu)點(diǎn)，源于什么機(jī)理？
預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)與普通鋼結(jié)構(gòu)相比，具有承載力高、穩(wěn)定性好、剛度大、用材省等優(yōu)點(diǎn)。這些特征來(lái)源于其人為的工作機(jī)制，具體表現(xiàn)在5個(gè)方面。一是力的抵消。構(gòu)件內(nèi)荷載應(yīng)力可以被與之反向的預(yù)應(yīng)力部分抵消，因而降低應(yīng)力峰值，提高構(gòu)件承載力。二是力的轉(zhuǎn)移。構(gòu)件內(nèi)荷載應(yīng)力可以通過(guò)施加預(yù)應(yīng)力而轉(zhuǎn)移到高強(qiáng)鋼索或其他高承載力的部件上去，從而降低設(shè)計(jì)應(yīng)力值。三是力的重復(fù)。在構(gòu)件彈性強(qiáng)度幅值內(nèi)，可以反復(fù)受力，多次地利用材料強(qiáng)度潛能，提高構(gòu)件承載能力。四是力的質(zhì)變。借助預(yù)應(yīng)力體系可將構(gòu)件內(nèi)不利的彎矩力轉(zhuǎn)換為有利的軸向拉力和壓力，因此節(jié)省用料。五是力的優(yōu)選�？梢赃x用全拉索的優(yōu)秀結(jié)構(gòu)體系，賦予預(yù)應(yīng)力后，結(jié)構(gòu)具有足夠剛度的幾何不變體系，高效承受荷載。
二、何謂預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)中的卸載桿和增載桿？
在結(jié)構(gòu)體系中預(yù)應(yīng)力是一個(gè)自平衡力系，它使大多數(shù)桿件內(nèi)產(chǎn)生與荷載應(yīng)力符號(hào)相反的預(yù)應(yīng)力，這些桿件被稱之為卸載桿。但不可避免地在少數(shù)桿件中也會(huì)產(chǎn)生與荷載應(yīng)力符號(hào)相同的預(yù)應(yīng)力，稱之為增載桿。尤其是在拉索錨固區(qū)域附近常產(chǎn)生增載桿群。當(dāng)然，還會(huì)有一些不受預(yù)應(yīng)力影響的中性桿件。設(shè)計(jì)的目的就是要結(jié)構(gòu)選型合理、布索方案有利，追求結(jié)構(gòu)體系中具有最多數(shù)量的卸載桿和最少數(shù)量的增載桿。
三、預(yù)應(yīng)力損失怎么產(chǎn)生的？有什么影響？
預(yù)應(yīng)力損失主要來(lái)源于4個(gè)方面。一是鋼索、拉桿在受力狀態(tài)下，長(zhǎng)度增加導(dǎo)致松弛；二是錨具、墊板壓實(shí)而產(chǎn)生的位移；三是多束鋼索排序張拉時(shí)，后序索張拉對(duì)前序索內(nèi)力的削弱影響；四是折線和曲線拉索在端頭、折點(diǎn)等處，因接觸面摩阻力而產(chǎn)生的影響。上述4種預(yù)應(yīng)力損失是可知可計(jì)的，都可以在張拉過(guò)程中補(bǔ)償。結(jié)構(gòu)服役后的材料徐變影響，環(huán)境溫度變化影響，機(jī)械損傷后的形變影響等，都是鋼結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力損失健康監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容。因?yàn)轭A(yù)應(yīng)力是結(jié)構(gòu)體系中的一個(gè)自平衡力系。如果出現(xiàn)預(yù)應(yīng)力損失，力系必定重新調(diào)整達(dá)到新的平衡，因此引起一些桿件內(nèi)力增長(zhǎng)，則可能是有害的。所以，判斷預(yù)應(yīng)力損失對(duì)那些桿件產(chǎn)生增加內(nèi)力的影響至關(guān)重要。這也是預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)在服役期間必須定期檢測(cè)的主要原因。
四、預(yù)應(yīng)力的施加方案有幾種？
預(yù)應(yīng)力引入后是長(zhǎng)期作用在結(jié)構(gòu)體系中的永久荷載。施加預(yù)應(yīng)力的時(shí)機(jī)及力度要根據(jù)結(jié)構(gòu)的類型，內(nèi)力峰值出現(xiàn)情況，荷載性質(zhì)及可分性以及施工工藝和條件來(lái)確定。一般有3種方法。一是先張法。在承受外載前，結(jié)構(gòu)中已引入與荷載應(yīng)力符號(hào)相反的預(yù)應(yīng)力。例如，商品預(yù)應(yīng)力鋼構(gòu)件，在工廠加工制造過(guò)程中就已施加過(guò)預(yù)應(yīng)力，在構(gòu)件中產(chǎn)生了有利的卸載應(yīng)力場(chǎng)。二是中張法。結(jié)構(gòu)安裝就位后，先承受部分荷載（包括自重荷載），再施加預(yù)應(yīng)力以抵消部分荷載應(yīng)力后，繼續(xù)承受外部荷載。這是工程中常用的施加預(yù)應(yīng)力的方法，也就是單次預(yù)應(yīng)力法。三是多張法。在結(jié)構(gòu)中多次地引入預(yù)應(yīng)力，加載與施加預(yù)應(yīng)力間隔進(jìn)行，可以多次利用材料的彈性強(qiáng)度幅值，較大地提高結(jié)構(gòu)承載力，具有高效利用材料的特點(diǎn)。在預(yù)應(yīng)力工藝中稱為多次預(yù)應(yīng)力法。但荷載必須是可分的，可分批施加在結(jié)構(gòu)上。
五、預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的布索原則如何？
布索方案是預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。有整體布索和局部布索兩類。后者的預(yù)應(yīng)力只影響單體構(gòu)件本身，而前者的預(yù)應(yīng)力則影響結(jié)構(gòu)構(gòu)件的全部或大部。所以有多種布索可能時(shí)，要論證比較，選擇最有利的布索方案，才能取得最佳的經(jīng)濟(jì)效益。否則，不合理的布索方案還會(huì)帶來(lái)材耗量的增長(zhǎng)及成本提高。在結(jié)構(gòu)方案確定后，要注意三個(gè)方面的問(wèn)題。一是拉索的布局與走向，二是錨固點(diǎn)的位置與數(shù)量，三是張拉的方式與工序。布索方案的原則，簡(jiǎn)而言之，就是：消耗最小，受益最大。
六、何謂多次預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)？它有什么優(yōu)點(diǎn)？
采用多張法引入預(yù)應(yīng)力的鋼結(jié)構(gòu)稱為多次預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)。荷載與預(yù)應(yīng)力相間地施加到結(jié)構(gòu)上去，即加載——張拉——再加載——再?gòu)埨?mdash;—再加載，循環(huán)進(jìn)行。由于加載和卸載的方式及著力點(diǎn)不同，每一循環(huán)后都會(huì)在構(gòu)件內(nèi)產(chǎn)生不同的差額內(nèi)力，限制下一循環(huán)的力度與效果。因此，多次預(yù)應(yīng)力的張拉力度是衰減的，有益的張拉次數(shù)常不超過(guò)3次~4次。預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)學(xué)科中多次預(yù)應(yīng)力理論是50多年前筆者首次提出并完成理論及模型試驗(yàn)研究的。基于鋼材在彈性強(qiáng)度范圍內(nèi)有限次的張拉并不影響其強(qiáng)度幅值的屬性，多次卸載多次利用彈性強(qiáng)度的優(yōu)勢(shì)，大大提高了結(jié)構(gòu)的承載力，并節(jié)約了結(jié)構(gòu)用鋼量，降低了結(jié)構(gòu)成本，屬于高效率的鋼結(jié)構(gòu)承載體系。20世紀(jì)90年代，我國(guó)首建了兩座多次預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的體育館，一座是四川攀枝花市體育館，另一座是西昌市鐵路體育中心。兩者的省鋼率都接近40%。目前，這兩座建筑已成功服役了20年。
七、具有突出優(yōu)點(diǎn)的多次預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)體系，為什么在我國(guó)尚未推廣？
雖然多次預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的理論在50年前已經(jīng)模型試驗(yàn)研究所證實(shí)，并在1980年蘇聯(lián)出版的《金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》（蘇聯(lián)科學(xué)院院士梅里尼科夫主編）中全文收錄。但在我國(guó)開(kāi)始應(yīng)用并打算付諸工程實(shí)踐卻是在20世紀(jì)80年代末。因各方面的原因，直到1994年世界上第一座多次預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的攀枝花市體育館才艱難問(wèn)世�；厥淄拢啻晤A(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)工程采用緩慢的主要原因有三點(diǎn)。一是難覓有遠(yuǎn)見(jiàn)、有魄力的決策者和專家。創(chuàng)新事物問(wèn)世之始，都帶有不穩(wěn)定性、不完整性及風(fēng)險(xiǎn)性。決策者、投資者、技術(shù)權(quán)威們?cè)谛律挛锩媲�，如果只是憂心忡忡、瞻前顧后，定會(huì)扼殺一些新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)。二是缺乏支持和保護(hù)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的政策和法規(guī)。土建行業(yè)中，設(shè)計(jì)、制造、施工、運(yùn)輸中的取費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)是以結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重量計(jì)價(jià)的，不論其有否技術(shù)含量和創(chuàng)新性。因此，生產(chǎn)企業(yè)對(duì)重、大、笨、粗的結(jié)構(gòu)情有獨(dú)鐘，也容易理解。三是新興技術(shù)的掌握與推廣十分遲緩：預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)學(xué)科發(fā)展已有60余年，我國(guó)的工程實(shí)踐也有20載，但專業(yè)技術(shù)人員對(duì)此感到陌生，甚至排斥。大學(xué)專業(yè)課程中尚未列入新興學(xué)科，不能否認(rèn)教育的保守與滯后。
八、索穹頂屋蓋為何稱作創(chuàng)新型預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)？
眾所周知，承重結(jié)構(gòu)體系中具有三類基本桿件：一是軸向拉桿，二是軸向壓桿，三是受彎曲桿。軸向拉桿最好，最省，可全部發(fā)揮材料強(qiáng)度潛力。軸向壓桿稍差，受長(zhǎng)細(xì)比影響折減強(qiáng)度。受彎曲桿最差，由邊緣應(yīng)力控制設(shè)計(jì)，強(qiáng)度只能發(fā)揮50%左右。因此，在20世紀(jì)50年代末，筆者曾對(duì)理想的預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)體系做過(guò)預(yù)言：“在這種結(jié)構(gòu)體系中具有最多數(shù)量的柔性拉桿，這些拉桿由于預(yù)應(yīng)力的作用，既可承受拉力，又可承受壓力。基本為軸向受壓的桿件代替了受彎桿件……只有這種新型體系的建立，才能利用‘預(yù)應(yīng)力’在鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中進(jìn)行‘革命’，而不是在傳統(tǒng)形式上或局部地改進(jìn)“。所幸而言中，1988年漢城奧運(yùn)會(huì)及1996年亞特蘭大奧運(yùn)會(huì)的主要比賽館索穹頂屋蓋就證實(shí)了筆者的預(yù)言。它們的用鋼量只有傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的1/10或更少，具有最大的結(jié)構(gòu)效率和最小的結(jié)構(gòu)材料消耗。索穹頂采用了大量拉索為主要受力桿件，采用了少量必要的軸向壓桿作為拉桿系間的平衡桿。至于受力最差的彎矩桿件，則全部從屋蓋中摒棄。成為一個(gè)名符其實(shí)的“零彎矩桿”的橫向承重結(jié)構(gòu)體系。與我國(guó)的“鳥(niǎo)巢”相比，在各個(gè)方面都有天壤之別。經(jīng)過(guò)20年的奮斗，我國(guó)的土建工作者終于在2011年，在鄂爾多斯伊盟建造起首座索穹頂?shù)捏w育中心。
九、預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)與研究的領(lǐng)域有那些？
預(yù)應(yīng)力建筑鋼結(jié)構(gòu)已是比較成熟的領(lǐng)域，其分支學(xué)科，例如索膜結(jié)構(gòu)、玻璃幕墻結(jié)構(gòu)、索結(jié)構(gòu)等，不僅自立發(fā)展，而且制定了自己的規(guī)程。但在建筑領(lǐng)域的高層建筑及輕鋼房屋建筑方面，以及強(qiáng)迫位移法和塊體蒙皮法的預(yù)應(yīng)力技術(shù)方面，仍然少有研究及實(shí)踐。在橋梁方面，我國(guó)已有采用懸索橋和斜拉橋的豐富經(jīng)驗(yàn)，并自成體系。目前，急需開(kāi)展預(yù)應(yīng)力鋼板結(jié)構(gòu)的研究，以滿足高壓輸油、輸氣管道線路及大型儲(chǔ)液、儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)的需求。這里不僅是管徑的構(gòu)造與預(yù)應(yīng)力方案的研究，還有線路整體布置及施工中預(yù)應(yīng)力的引入技術(shù)。另外，預(yù)應(yīng)力高聳鋼結(jié)構(gòu)也是需要研究的薄弱環(huán)節(jié)。高壓輸電線路塔架多興建在荒山峻嶺之間，施工運(yùn)輸困難。急需以預(yù)應(yīng)力技術(shù)對(duì)塔架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化、輕化、簡(jiǎn)化。尤其利用懸崖峭壁的邊界條件，提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及承載力方面，大有作為。
十、預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)今后的發(fā)展遠(yuǎn)景如何？可能會(huì)有哪些創(chuàng)新型的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)？
本世紀(jì)前半葉，在鋼材與混凝土仍為土建工程中主要建材的態(tài)勢(shì)下，隨著技術(shù)進(jìn)步政策傾斜等原因，鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大與延伸。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)則退縮至自己的優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域，如面積結(jié)構(gòu)、體積結(jié)構(gòu)等方面。未來(lái)鋼結(jié)構(gòu)會(huì)得到很大發(fā)展，但在發(fā)展總趨勢(shì)潮流中，結(jié)構(gòu)體系將得到優(yōu)化。從平面結(jié)構(gòu)過(guò)渡到空間體系，把彎剪構(gòu)件轉(zhuǎn)變?yōu)檩S向受力桿件，把單向受力的柔索設(shè)計(jì)成承拉、承壓的雙向索，把受穩(wěn)定性控制的壓桿轉(zhuǎn)換成只受強(qiáng)度控制的承壓桿，把傳統(tǒng)跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成無(wú)彎矩構(gòu)件等。這些理想優(yōu)秀設(shè)計(jì)大部分可以通過(guò)預(yù)應(yīng)力技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。屆時(shí)，預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域會(huì)創(chuàng)造出輕巧、方便、節(jié)材的“零強(qiáng)度”、“零穩(wěn)度”、“零剛度”的結(jié)構(gòu)和構(gòu)件。所以，在鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展的大好形勢(shì)下，預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)將比傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)得到更大發(fā)展。在加工制造工業(yè)化、自動(dòng)化；安裝施工裝配化、整體化；構(gòu)件產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、商品化的需求下，簡(jiǎn)約、輕便、經(jīng)濟(jì)的預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)將占據(jù)承重結(jié)構(gòu)的主體，怪異、雜亂、臃腫的個(gè)性化鋼結(jié)構(gòu)將不受青睞。
作者為北京工業(yè)大學(xué)教授、著名的預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)專家陸賜麟
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