预应力钢结构介绍

预应力钢结构

预应力钢结构 prestresd steel structure

在结构上施加荷载以前，对钢结构或构件用特定的方法预加初应力，其应力符号

与荷载引起的应力符号相反；当施加荷载时，以保证结构的安全和正常使用。结构或

构件先抵消初应力，而且还应考虑预应力的作用，然后再按照一般受力情况工作的钢

结构称为预应力钢结构。

一、预应力钢结构

预应力技术古已有之，乃先人藉此改善生活用具性能，加固补强劳作工具的一种

工艺。如撑起布伞（引入预应力）可以防雨挡风，木桶套箍（引入预应力）可以耐久

防漏等。

但在现代钢结构中引入预应力却是近50年的国情。人们在钢结构承重体系中有

意识地引入认为应力以抵消荷载应力，调整内力峰值，增强结构刚度及稳定性，改善

结构其它属性以及利用预应力技术创建新体系的都可称之为预应力钢结构。

二、预应力钢结构的优点

预应力钢结构的主要特点在于：

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。

非预应力结构承载从零应力开始达到材料设计强度f而终止受力，其承载力为N

1；而预应力结构承载始自于效应力f01,其承载为N2及N3，显然N3>N2>N1;

②改善结构受力状态，节省钢材。例如受弯构件中的部分弯矩可以施加预应力转

换为轴拉力，将弯矩峰值Mmax降低为M’max%26shy;，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，所以提高结构稳定性。预应力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。

三、预应力钢结构的经济效益

预应力钢结构的经济性与结构体系、布索方案与工艺、荷载性质与力度、结构构

造与节点、安装方法与材料价格等众多因素有关。正常情况下，预应力钢结构同比非

预应力钢结构采用单次张拉时可节约钢材10-20%；多次张拉时可达20-40%。而预

应力创新体系结构与非预应力传统结构相比要节约钢材几倍至几十倍。总之，结构材

料中的强度潜力越大，采用预应力的经济效益越高。例如在实腹梁截面重心轴附近存

有大量强度潜力。采用预应力后其经济效益同比格构梁要高许多。

四、国内外著名预应力钢结构工程

国外工程名称（建成年份）经济性国内工程名称 （建成年份）经济性1比利时

布鲁塞尔机库（1953）省钢率 12%太原钢厂输煤栈桥（1959）省钢率 5%2前俄罗

斯托夫顿河公路桥（1959）省钢率 11%-18%天津宁河体育馆（1984）省钢率 11%-

12%3美国芝加哥国际机场机库（1960）省钢率 11%-12%北京亚运朝阳体育馆用钢

量 52.2kg/m24韩国汉城奥运会主赛馆（1996）用钢量 14.6kg /m2四川攀枝花市体

育馆省钢率 38%5美国亚特兰大奥运会主赛馆 （1996）用钢量 11 -38kg /m2厦门

太古机场机库省钢率 11%-12%还有21届足球世界杯赛馆、 奥运羽毛球馆、奥运乒

乓球馆等。五、预应力钢结构的类型？

从早期预应力吊车梁，撑杆梁的简单形式发展到目前张弦桁架、索穹顶、索膜结

构、玻璃幕墙等现代结构，预应力钢结构种类繁多，大致归纳为四类：

①传统结构型：

在传统的钢结构体系上，布置索系施加预应力以改善赢利状态、降低自重及成本。

例如预应力桁架、网架、网壳等。例如天津宁河体育馆，攀枝花市体育馆的网架、网

壳屋盖等。目前候机楼、会展中心广泛采用的张弦桁架亦归入此类。另一种是工程中

应用已久的悬索结构，如北京工人体育馆，浙江人民体育馆。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），吊索及屋盖三部分组成。支撑物高

出屋面，于其顶部下垂钢索吊挂屋盖。对吊索施加预应力以调整屋盖内力，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大气之中直指蓝天，所以又称

暴露结构。例如江西体育馆、北京朝阳体育馆、杭州黄龙体育场等。

③整体张拉型：

属创新结构体系，跨度结构中摈弃了传统受弯构件，全部由受张索系及膜面和受

压撑杆组成。屋面结构极轻，设计构思新颖，是先进结构体系中的佼佼者。例如汉城

奥运主赛馆、慕尼黑奥运体育建筑群等。由于此体系属国外专利，国内尚无工程实例。

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，将膜片固定于骨架结构之上，形成空间块体结构，覆盖跨度。

两者都是在结构成型理论指导下诞生的预应力新型体系，应用于莫斯科奥运会的几个

主赛场馆中，国内不掌握此项技术。

六、施加预应力的方法

主要施加预应力的方法有四类：

①钢索张拉法

在结构体系中布置索系，通过千斤顶张拉索端而在结构中产生卸载应力而受益。

这是国内外应用广泛技术成熟的一种工艺。但索端须有锚头固定增大材耗。且需张力

设备等加大施工成本。

②支座位移法

在连续梁和超静定结构中，人为地强迫支座位移（垂直或水平移位），改变支座

设计位置可调整内力，降低弯矩峰值，减小结构截面面积。这种方法可节省钢索，锚

头等附加材耗及张拉工艺，适用于地基基础较好的工程。

③弹性变形法

钢材在弹性变形条件下，将组成结构的杆件和板件连成整体。卸除强制外力后，

结构内出现恢复力产生的有益预应力。这一方法多用于工厂制造生产过程中，可生产

预应力构件产品供应市场。

④手工简易法

用于中、小跨，施加张力不大情况下，例如藉拧紧螺母张拉拉杆，用正反扣螺栓

横向椎拉拉索产生张力等手工操作法，简易可行，便于推广，适用于广大地区。

七、预应力钢结构的适用范围

凡是钢结构适用的地方都可以用预应力钢结构取代以改善结构性能降低钢耗。尤

其在跨度大，荷载重的情况下经济效益更为显著。目前对预应力钢结构应用广泛的领

域是房屋建筑结构，如体育场馆、会展中心、剧院、商场、飞机库、候机楼等大型公

共建筑中。在高层建筑中也有采用预应力钢结构的实例，如南非约翰内斯堡市的发展

银行大楼、北京新保利大厦等处。另一个应用较多的领域是桥梁结构，国内外许多悬

索桥，斜拉桥都是技术成熟的工程实践。高耸构筑物是利用预应力增强结构刚度的一

种类型，由于拉索作用大大提高塔桅结构的水平刚度，如悉尼电视塔、巴塞罗那电讯

塔、北京华北电力调度塔以及许多高压输电线路塔架等。把预应力技术用于服役钢结

构的加固补强上更是内容丰富、种类繁多。预应力技术用于轻钢结构、钢板结构的研

究已经启动，其在工程中的应用与发展有待深入。

八、为什么预应力钢结构近年来发展迅猛？

预应力钢结构近年来发展迅猛的主要原因是：

①符合结构发展趋势，满足更大、更轻、更好的技术要求。

任何结构体系、计算理论、新型材料、施工工艺发展前进的终极目标总是要求结

构物能跨度大些、自重轻些、性能好些。钢结构同比混凝土结构，砖结构具有比容重

轻，比强度高加工性好，施工快捷等优点。钢结构与预应力技术结合后，优点更为突

出。预应力钢结构设计理论完全符合钢结构成型理论中。“兼并功能”、“材料集中使用”、

“建立张力体系”、“引入预应力”、“提高抗震性”等诸多原则，发展成为工程结构学科中

的优秀体系。

②符合加工批量化、构件商品化、施工装配化的现代工业生产规律

预应力钢结构的构件皆可在工厂生产与组装，在工地组拼成部件或整体，屋盖体

一次吊装就位。将现场制造工地转变为装配工地，将空中作业转换为地面作业，可以

进行安全、快速的文明施工。

③符合《可持续发展》原则，《绿色生态》要求及现代特征

节制对自然资源的索取与消耗，节约对不可再生能源的开发与利用是现代经济建

设中应当遵守的理念。预应力钢结构中材料可以合理使用、节约使用、反复使用、循

环使用，它十分符合《可持续发展》原则。钢材属于无害，无污染可回收再生使用的

“绿色建材”，不危害生态环境。现代新材料围护结构依附于预应力钢结构之上，造型

新颖、多姿多彩，极富现代气息。

九、预应力钢结构与预应力混凝土结构有何不同？

现在有些业内人士还常常混淆两者的差别，有人把预应力混凝土结构简称为“预

应力结构”，而不知又诞生了预应力钢结构学科及其广阔的应用领域。钢筋混凝土结

构中采用预应力技术是为了延缓混凝土中裂缝出现及提高结构刚度，改善结构性能。

钢结构中施加预应力的目的除提高结构刚度，改善结构性能。钢结构中施加预应力的

目的除提高结构强度、稳度、刚度外，主要是创建新型结构体系。赋予零刚度结构以

必要刚度，改变几何可变体系为几何不变体系、设计按强度计算的压杆及具有预压应

力的拉杆以及无受弯杆件的跨度结构等。籍预应力还可改善结构的抗震性、抗疲劳性

及其它动力性能。两者虽然都应用了预应力技术改善结构属性，但二者的目的、方法、

工艺、力度、构造、效果等皆迥然不同，存在本质上的差异。

十、有人说：“预应力是双面剑，运用得当，结构受益，否则，适得其反。”对吗？

“双面剑”是指一种事物，可产生正负两种效果，而且不可预测非人力可控制的。

例如炒股，赌博。“双面剑”不能应用于具有正面效应的一切事物，即或各种因素干扰

下也会出现负面效果。例如汽车是现代不可或缺的交通工具，但偶尔也出事故，甚至

被用作杀人工具；食品是人们获取营养赖以生存的物质，但有时也会致病，甚至使人

丧命。但有正常思维和逻辑的人总不会称汽车和食品都是“双面剑”吧！

预应力钢结构设计的基本内容是：结构选型与优化，布索方案与经济分析，张拉

阶次与力度设计，结构计算与内力组合，构件与节点设计，施工工艺选择等。其中任

何一项中的差错与失误都可导致预应力经济效益的下降或丧失。；例如多种布索方案

中应选择效益高，材耗少，工艺简便者。由于人为的庇漏与专业生疏产生的负面效应

总不该归罪于预应力技术本身，而把它视为“双面剑”。