一、預應力鋼結構具有眾多優(yōu)點，源于什么機理？
預應力鋼結構與普通鋼結構相比，具有承載力高、穩(wěn)定性好、剛度大、用材省等優(yōu)點。這些特征來源于其人為的工作機制，具體表現(xiàn)在5個方面。一是力的抵消。構件內(nèi)荷載應力可以被與之反向的預應力部分抵消，因而降低應力峰值，提高構件承載力。二是力的轉移。構件內(nèi)荷載應力可以通過施加預應力而轉移到高強鋼索或其他高承載力的部件上去，從而降低設計應力值。三是力的重復。在構件彈性強度幅值內(nèi)，可以反復受力，多次地利用材料強度潛能，提高構件承載能力。四是力的質(zhì)變。借助預應力體系可將構件內(nèi)不利的彎矩力轉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)秀結構體系，賦予預應力后，結構具有足夠剛度的幾何不變體系，高效承受荷載。
二、何謂預應力鋼結構中的卸載桿和增載桿？
在結構體系中預應力是一個自平衡力系，它使大多數(shù)桿件內(nèi)產(chǎn)生與荷載應力符號相反的預應力，這些桿件被稱之為卸載桿。但不可避免地在少數(shù)桿件中也會產(chǎn)生與荷載應力符號相同的預應力，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。當然，還會有一些不受預應力影響的中性桿件。設計的目的就是要結構選型合理、布索方案有利，追求結構體系中具有最多數(shù)量的卸載桿和最少數(shù)量的增載桿。
三、預應力損失怎么產(chǎn)生的？有什么影響？
預應力損失主要來源于4個方面。一是鋼索、拉桿在受力狀態(tài)下，長度增加導致松弛；二是錨具、墊板壓實而產(chǎn)生的位移；三是多束鋼索排序張拉時，后序索張拉對前序索內(nèi)力的削弱影響；四是折線和曲線拉索在端頭、折點等處，因接觸面摩阻力而產(chǎn)生的影響。上述4種預應力損失是可知可計的，都可以在張拉過程中補償。結構服役后的材料徐變影響，環(huán)境溫度變化影響，機械損傷后的形變影響等，都是鋼結構預應力損失健康監(jiān)測的主要內(nèi)容。因為預應力是結構體系中的一個自平衡力系。如果出現(xiàn)預應力損失，力系必定重新調(diào)整達到新的平衡，因此引起一些桿件內(nèi)力增長，則可能是有害的。所以，判斷預應力損失對那些桿件產(chǎn)生增加內(nèi)力的影響至關重要。這也是預應力鋼結構在服役期間必須定期檢測的主要原因。
四、預應力的施加方案有幾種？
預應力引入后是長期作用在結構體系中的永久荷載。施加預應力的時機及力度要根據(jù)結構的類型，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確定。一般有3種方法。一是先張法。在承受外載前，結構中已引入與荷載應力符號相反的預應力。例如，商品預應力鋼構件，在工廠加工制造過程中就已施加過預應力，在構件中產(chǎn)生了有利的卸載應力場。二是中張法。結構安裝就位后，先承受部分荷載（包括自重荷載），再施加預應力以抵消部分荷載應力后，繼續(xù)承受外部荷載。這是工程中常用的施加預應力的方法，也就是單次預應力法。三是多張法。在結構中多次地引入預應力，加載與施加預應力間隔進行，可以多次利用材料的彈性強度幅值，較大地提高結構承載力，具有高效利用材料的特點。在預應力工藝中稱為多次預應力法。但荷載必須是可分的，可分批施加在結構上。
五、預應力鋼結構的布索原則如何？
布索方案是預應力鋼結構設計中的重要環(huán)節(jié)。有整體布索和局部布索兩類。后者的預應力只影響單體構件本身，而前者的預應力則影響結構構件的全部或大部。所以有多種布索可能時，要論證比較，選擇最有利的布索方案，才能取得最佳的經(jīng)濟效益。否則，不合理的布索方案還會帶來材耗量的增長及成本提高。在結構方案確定后，要注意三個方面的問題。一是拉索的布局與走向，二是錨固點的位置與數(shù)量，三是張拉的方式與工序。布索方案的原則，簡而言之，就是：消耗最小，受益最大。
六、何謂多次預應力鋼結構？它有什么優(yōu)點？
采用多張法引入預應力的鋼結構稱為多次預應力鋼結構。荷載與預應力相間地施加到結構上去，即加載——張拉——再加載——再張拉——再加載，循環(huán)進行。由于加載和卸載的方式及著力點不同，每一循環(huán)后都會在構件內(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，多次預應力的張拉力度是衰減的，有益的張拉次數(shù)常不超過3次~4次。預應力鋼結構學科中多次預應力理論是50多年前筆者首次提出并完成理論及模型試驗研究的。基于鋼材在彈性強度范圍內(nèi)有限次的張拉并不影響其強度幅值的屬性，多次卸載多次利用彈性強度的優(yōu)勢，大大提高了結構的承載力，并節(jié)約了結構用鋼量，降低了結構成本，屬于高效率的鋼結構承載體系。20世紀90年代，我國首建了兩座多次預應力鋼結構屋蓋的體育館，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)點的多次預應力鋼結構體系，為什么在我國尚未推廣？
雖然多次預應力鋼結構的理論在50年前已經(jīng)模型試驗研究所證實，并在1980年蘇聯(lián)出版的《金屬結構設計手冊》（蘇聯(lián)科學院院士梅里尼科夫主編）中全文收錄。但在我國開始應用并打算付諸工程實踐卻是在20世紀80年代末。因各方面的原因，直到1994年世界上第一座多次預應力鋼結構屋蓋的攀枝花市體育館才艱難問世�；厥淄�，多次預應力鋼結構工程采用緩慢的主要原因有三點。一是難覓有遠見、有魄力的決策者和專家。創(chuàng)新事物問世之始，都帶有不穩(wěn)定性、不完整性及風險性。決策者、投資者、技術權威們在新生事物面前，如果只是憂心忡忡、瞻前顧后，定會扼殺一些新技術、新結構。二是缺乏支持和保護創(chuàng)新設計的政策和法規(guī)。土建行業(yè)中，設計、制造、施工、運輸中的取費標準是以結構構件的重量計價的，不論其有否技術含量和創(chuàng)新性。因此，生產(chǎn)企業(yè)對重、大、笨、粗的結構情有獨鐘，也容易理解。三是新興技術的掌握與推廣十分遲緩：預應力鋼結構學科發(fā)展已有60余年，我國的工程實踐也有20載，但專業(yè)技術人員對此感到陌生，甚至排斥。大學專業(yè)課程中尚未列入新興學科，不能否認教育的保守與滯后。
八、索穹頂屋蓋為何稱作創(chuàng)新型預應力鋼結構？
眾所周知，承重結構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)揮材料強度潛力。軸向壓桿稍差，受長細比影響折減強度。受彎曲桿最差，由邊緣應力控制設計，強度只能發(fā)揮50%左右。因此，在20世紀50年代末，筆者曾對理想的預應力鋼結構體系做過預言：“在這種結構體系中具有最多數(shù)量的柔性拉桿，這些拉桿由于預應力的作用，既可承受拉力，又可承受壓力�；緸檩S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‘預應力’在鋼結構領域中進行‘革命’，而不是在傳統(tǒng)形式上或局部地改進“。所幸而言中，1988年漢城奧運會及1996年亞特蘭大奧運會的主要比賽館索穹頂屋蓋就證實了筆者的預言。它們的用鋼量只有傳統(tǒng)結構的1/10或更少，具有最大的結構效率和最小的結構材料消耗。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。成為一個名符其實的“零彎矩桿”的橫向承重結構體系。與我國的“鳥巢”相比，在各個方面都有天壤之別。經(jīng)過20年的奮斗，我國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、預應力鋼結構需要進一步開發(fā)與研究的領域有那些？
預應力建筑鋼結構已是比較成熟的領域，其分支學科，例如索膜結構、玻璃幕墻結構、索結構等，不僅自立發(fā)展，而且制定了自己的規(guī)程。但在建筑領域的高層建筑及輕鋼房屋建筑方面，以及強迫位移法和塊體蒙皮法的預應力技術方面，仍然少有研究及實踐。在橋梁方面，我國已有采用懸索橋和斜拉橋的豐富經(jīng)驗，并自成體系。目前，急需開展預應力鋼板結構的研究，以滿足高壓輸油、輸氣管道線路及大型儲液、儲氣庫建設的需求。這里不僅是管徑的構造與預應力方案的研究，還有線路整體布置及施工中預應力的引入技術。另外，預應力高聳鋼結構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，施工運輸困難。急需以預應力技術對塔架結構進行優(yōu)化、輕化、簡化。尤其利用懸崖峭壁的邊界條件，提高結構的穩(wěn)定性及承載力方面，大有作為。
十、預應力鋼結構今后的發(fā)展遠景如何？可能會有哪些創(chuàng)新型的結構出現(xiàn)？
本世紀前半葉，在鋼材與混凝土仍為土建工程中主要建材的態(tài)勢下，隨著技術進步政策傾斜等原因，鋼結構的應用領域不斷擴大與延伸。鋼筋混凝土結構則退縮至自己的優(yōu)勢領域，如面積結構、體積結構等方面。未來鋼結構會得到很大發(fā)展，但在發(fā)展總趨勢潮流中，結構體系將得到優(yōu)化。從平面結構過渡到空間體系，把彎剪構件轉變?yōu)檩S向受力桿件，把單向受力的柔索設計成承拉、承壓的雙向索，把受穩(wěn)定性控制的壓桿轉換成只受強度控制的承壓桿，把傳統(tǒng)跨度結構設計成無彎矩構件等。這些理想優(yōu)秀設計大部分可以通過預應力技術來實現(xiàn)。屆時，預應力鋼結構領域會創(chuàng)造出輕巧、方便、節(jié)材的“零強度”、“零穩(wěn)度”、“零剛度”的結構和構件。所以，在鋼結構發(fā)展的大好形勢下，預應力鋼結構將比傳統(tǒng)鋼結構得到更大發(fā)展。在加工制造工業(yè)化、自動化；安裝施工裝配化、整體化；構件產(chǎn)品標準化、商品化的需求下，簡約、輕便、經(jīng)濟的預應力鋼結構將占據(jù)承重結構的主體，怪異、雜亂、臃腫的個性化鋼結構將不受青睞。
作者為北京工業(yè)大學教授、著名的預應力鋼結構專家陸賜麟
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