现代预应力钢结构在中国

一、预应力钢结构的诞生及其特点
国际预应力钢结构是在20世纪第二次世界大战后，在经济复苏困难条件下诞生的。1953年，在比利时布鲁赛尔机场建成的双跨机库大门桁架采用预应力后，显著节约了钢材12%，降低了造价。国内预应力钢结构始于建国初期，首个工程是1958年建成的大同煤矿输煤钢栈桥，采用了一对预应力平面钢桁架，节省了20%的钢材。


初期预应力钢结构是在普通钢结构基础上衍生和发展起来的，但是，随着现代公共建筑大型空间的需要，人们对建筑造型和建筑的跨度等提出了更高的要求，体形笨重、用钢量大的传统钢结构难以满足人们对建筑轻盈、优美、节材、经济的更高要求。于是，预应力钢结构逐渐发展成为独立的学科，发挥了独特的优势，创造了优美的体系。随着预应力钢结构理论和设计方法研究的深入、结构体系和施工技术的创新、高性能缆索和钢拉杆的产生，预应力钢结构已经从初期的平面简支预应力钢结构，发展到大跨度预应力空间钢结构和高层钢结构，诞生了一批体育场馆、机场航站楼、展览中心、高铁火车站、电视中心等大跨度预应力钢结构和大空间高层预应力钢结构。奥运会和世界杯两大赛事的场馆建设，也极大地推动了大跨度预应力钢结构的发展。大跨度预应力钢结构比赛场馆，已经成为两大赛事主办国钢结构创新水平的标志。2002年日、韩世界杯体育场馆中，采用预应力大跨度钢结构体系的多达13座，占总场馆总数的65％；1972年慕尼黑奥运会、1980年莫斯科奥运会、1988年汉城奥运会、1996年亚特兰大奥运会、2000年悉尼奥运会、2004年雅典奥运会的主赛场馆均采用了大跨度预应力钢结构体系。


预应力钢结构就是在设计、制造、安装、施工及使用过程中用人为方法施加预应力以提高结构强度、刚度、稳定性的各类钢结构。预应力基本构件包括预应力拉杆、预应力压杆和预应力实腹梁。预应力平面结构包括预应力桁架、预应力拱架、预应力框架和预应力吊挂结构。预应力空间结构包括预应力立体桁架、预应力网架、预应力网壳、预应力玻璃幕墙钢结构和预应力索膜结构。


预应力钢结构有四大优势：
一是通过优化布置拉索或拉杆创造新型优美的现代建筑和钢结构体系；


二是在承重体系或已有结构上施加预应力，使调整结构内力重新分布，改善结构受力性能，显著提高结构的承载力，增大结构的刚度，改善结构稳定性，使结构更加安全可靠；


三是预应力钢结构施工便利，施工速度快，特别是整体张拉施工工期短；


四是预应力钢结构经济效益十分显著，节约钢材，降低结构造价，已有的预应力钢结构理论及工程实践表明，预应力结构体系可节省钢材20%～50%。因此，长期以来，预应力钢结构在房屋结构、桥梁结构、栈桥结构、体育场馆、展览中心等现代结构工程领域得到广泛的应用。


二、我国现代预应力钢结构的发展历程
20世纪80年代我国的预应力钢结构工程规模和跨度均比较小，但预应力钢结构学科和工程实践出现了健康的和快速的发展态势。这一阶段的特点是承重结构由平面体系转向空间体系，工艺由单次预应力技术转向多次预应力技术，开始采用新型材料，构建新体系。由于资金缺乏，施工技术和设备还相对落后，


20世纪90年代，由于国内科研成果的转化和国外新技术的引进，在预应力钢结构工程实践中出现创新与多彩的局面。1994年建成的攀枝花体育馆屋盖，首次采用了我国自己研制的多次预应力双层网壳穹顶钢结构,沿外形八边布索，两次张拉引入预应力，显著降低用钢量达38%。1997年建成的上海体育场首次采用了预应力索膜结构，以空间悬臂支承着57个聚四氟乙烯膜结构单元，覆盖面积达3.3万平方米。由贵州工业大学研制开发的预应力钢网壳结构，在广东多地兴建，如1995年清远市体育馆屋盖，采用了六边形双层扭网壳（对角线长93米 ，沿六边支座布索，两次张拉调整内力及刚度。1997年引入国外技术，在澳门国际机场机库采用了格构拱架结构，用支座位移法引入预应力，此后在海口美兰机场机库采用了同样的预应力钢结构。遗憾的是，至今我国大陆地区尚未掌握这一先进技术。由于科学研究不够、经验不足，这一时期建造的个别预应力钢结构工程存在瑕疵和缺点。譬如，北京亚运会体育馆、杭州黄龙体育馆，以预应力钢缆悬吊屋盖的主承重结构，都采用了不合理的悬臂梁体系，立柱成本约占总造价的1/3。


在2008年北京奥运会体育场馆的建设中，国家体育馆、羽毛球馆、乒乓球馆、奥体中心训练馆等7项工程均采用了预应力钢结构体系和技术。其中，羽毛球馆的屋盖是世界上第一个新型大跨度弦支穹顶结构，国家体育馆是世界上跨度最大的双向张弦桁架，这些优质预应力钢结构工程，以轻盈优美的结构体系，代表了我国“节俭办奥运”水平和“科技奥运”的创新实力。2012年内蒙古伊旗体育中心建成了大陆地区第一个大跨度索穹顶，屋盖跨度71.2米，用钢量只有22千克/平方米，终于实现了国人自己建成大跨度索穹顶的夙愿。


三、我国首部《预应力钢结构技术规程》问世
2003年，《现代预应力钢结构》出版，并于2006年再版发行，填补了预应力学科上的理论空白。2006年，《预应力钢结构技术规程》出版，填补国内空白。该规程为2008奥运会国家体育馆、2008奥运会羽毛球馆、乒乓球馆等重大预应力钢结构工程的设计、施工和验收提供了重要依据，成为指导和规范我国预应力钢结构学科健康和有序发展的有力工具。


四、我国预应力钢结构设计创新、施工技术的突破
高等院校、研究院所、设计单位针对工程特点、难点研发了多种新型预应力钢结构体系，解决了预应力计算分析、整体稳定性能研究、结构抗震性能计算、预应力结构体系优化和基于延性的结构性能化设计问题，对同类工程设计具有重要的实践指导意义，大大推动了预应力钢结构在工程中的推广应用。


施工单位针对不同结构体系进行研究，解决了施工次序影响、序次损失、确保同步张拉等重大施工难题，提出了广泛适用的大跨度预应力钢结构施工工艺、关键技术，成果应用于大量大跨度预应力钢结构工程施工，实现了我国大跨度预应力钢结构工程领域的突破，使我国在这类预应力结构施工水平居于国际领先地位。


五、我国预应力钢结构未来发展展望
预应力钢结构是代表现代钢结构领域最具发展潜力和创新水平的新型结构体系。预应力钢结构的优势来自于其原生属性，因为其承重结构体系符合：成型理论的基本要求—杆件轴向受拉或压，且零弯矩；可持续发展原则和绿色建筑理论—自然资源高效及重复利用；生产及安装过程的无公害、无污染、可回收、可再生；工业化自动化大规模生产模式和施工现场机械化、装配化要求。


笔者认为，未来，我国预应力钢结构应在以下几个方面深入开展研究工作：


一是强化自主创新，减少模仿外国工程。建设创新型国家和钢结构强国必须走自主创新之路，必须自主研发科学合理、技术先进的新体系。预应力钢结构有一个独特的优势，就是创新结构体系，也就是说，利用预应力技术“赋予”结构强度、稳度和刚度的特殊功能，创造出高效率、低材耗、新型式的崭新结构体系。在特定的条件下，利用预应力技术的优势，完全改变传统结构传力模式，创造出崭新的结构型式。


二是研发适用于多高层建筑结构的预应力钢结构体系。预应力钢结构在大跨度建筑和桥梁方面开发较早，成果显著，虽在高层和高耸钢结构等方面研发较少，但其前景光明广阔，大有可为。例如，研发预应力高压输电线钢塔架可以改变目前自立式塔架的重量大、运输难、成本高的问题。如果依山就势研发出预应力索式钢塔架，将会大大改善在山涧峡谷、湍流险滩上架设塔架的困境。又如研发各种预应力技术以提高和改善高层建筑结构体系的原有属性，节约用材，将大有作为。北京电视台新楼采用预应力技术改善内力降低材耗的案例，就是创新的可喜成果。未来民居建筑将广泛采用钢结构体系，而装配式钢结构又是主要的发展方向，因此，研发经济高效的预应力钢构件，尤其是横向承重构件将是普及民居钢结构的技术重点。预应力横向承重钢构件与竖向钢构件的组合，有可能成为民居钢结构承重体系的最佳选择。它的装配化、工厂化、商业化将是后续的研究课题。


三是加强预应力钢结构体系形态优化理论及设计方法研究。考虑拉索或拉杆布置优化、索力优化的问题是一个具有较大难度的预应力钢结构体系拓扑和几何形状优化设计问题，涉及拓扑优化设计、几何优化设计等复杂数学、力学问题，目前还没有成熟、高效的理论及设计方法，需要深入系统地研究，才能实用化、工程化。


四是优化预应力钢结构工程全寿命健康检测。我国已建成大型的预应力钢结构工程已逾百座，从平面桁架到平板网架，从吊挂结构到索穹顶等结构体系，都已掌握了设计和施工的技术。但是，已建工程的预应力状态可能随温度、振动因素影响发生变化，预应力的力度关系到结构体系的力系平衡，预应力的变化和增减又是必然的。因此，必须加强对预应力钢结构工程全寿命健康检测工作的领导与普及。而研究与开发便携式的应力仪等测试手段，则是普及工程健康检测工作的关键。已经证实安全、可靠、经济的多次预应力钢结构工程要有领导、有计划地深化和推广，让科研成果真正地转化为生产力。


预应力钢结构具有结构形态学的优势，以其受力合理、提高性能、降低成本、千姿百态等特点，又符合可持续发展经济建设原则而成为绿色建筑中的精品。最关键的是，我国建成的一批预应力钢结构工程已经过了漫长岁月、自然灾害的考验，证明预应力钢结构工程的可靠性、经济性和耐久性。因此，预应力钢结构学科在我国前景十分广阔。

??作者系：北京工业大学教授陆赐麟
北京工业大学副校长、北京市高层和大跨度预应力钢结构工程技术研究中心主任张爱林