钢结构预应力技术的特点及应用
摘 要：本文基于钢结构的特殊要求，分析了其预应力技术的主要特点，包括预应力的施加可以形成新的结构形式、预应力的监控、索张拉的阶段性，介绍了预应力技术在弦支穹顶结构、张拉膜结构等典型结构的应用情况，并指出了钢结构预应力技术应用中存在的问题。
关键词：钢结构 预应力技术 特点
中图分类号：TG142 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）12（a）-0052-02
现代钢结构中引入预应力却是近50多年的事情。人为地在钢结构承重体系中施加预应力以提高结构承载力，增加结构刚度及稳定性，改善结构其他属性以及利用预应力技术创新结构体系的都应称之为预应力钢结构。经过多年的发展创新，预应力钢结构的应用范围几乎已覆盖了全部钢结构领域。然而钢结构因其本身材料的特性，造成了其预应力技术与钢筋混凝土结构中预应力技术的截然不同。
1 钢结构预应力技术的特点
预应力钢结构主要使用在平面承重结构体系、空间承重结构体系、特种承重结构体系、加固与改建工程中。基于这些结构体系自身的特点，其预应力技术也有着鲜明的特点。
1.1 预应力的施加可以形成新的结构形式
通过预应力技术可以构成新的结构体系和结构形态，例如索穹顶结构，如果没有预应力技术，就没有索穹顶结构，另外预应力技术还可以作为预制构件（单元杆件和组合结构）装备的手段，从而形成一种新型的结构，如弓式预应力结构，还有采用预应力技术后，可以组成一种杂交的空间结构，或者可构成一种全新的空间结构，其结构的用钢指标比原结构或一般结构可大幅度的降低，具有明显的经济效益。
1.2 预应力的监控
预应力施加完成前结构尚未成形时，钢结构整体刚度较差，因此一般都会边施加预应力边用有限元软件进行仿真验算，同时进行张拉力和位移的监测，以确保钢结构顺利的建成。
1.3 索张拉的阶段性
钢结构预应力施工会有阶段性，可以是嵌套形式；另外还需要确定一个形状控制为索张拉目标，目标实现时的索力为目标控制索力，目标实现时控制点位移为目标控制位移，即初始状态；最后控制索力往往是几个，甚至是十几个以上。由于实际张拉设备有限，不可能所有索同时张拉，因此必须制定使用少数设备实现目标控制索力和目标控制位移的张拉方案。
2 钢结构预应力技术的应用
由于经过30多年的工程实践，已经肯定了预应力钢结构的可行性、可靠性、先进性，以及新材料的大量涌现与新技术不断完善提高，还有人们审美观念的转变与更新，使钢结构具有了许多结构类型[1]。分别为弦支穹顶结构、张拉膜结构、网壳结构、张弦结构、拉索拱结构、吊挂结构、高耸钢结构等。每一种结构类型由于其构造各异、用材多样、形式不一，其预应力设计方法和施工存在着很大的差异，下面介绍预应力技术在几种典型钢结构中的应用。
2.1 预应力技术在弦支穹顶结构中的应用
张弦穹顶结构是由日本川口教授于1993年提出的一种新型复合空间结构体系。我国1999年起才开始从事对张弦穹顶结构的研究，并建成了第一座张弦穹顶—天津开发区商务中心大堂张弦穹顶。
2008年奥运会羽毛球馆位于北京工业大学校内，总建筑面积24383 m2，屋盖最大跨度93 m，矢高9.3 m，上部采用新型空间结构体系—弦支穹顶结构[2]，下部为钢筋混凝土框架结构。
本工程通过环向索施加预应力，经过仿真计算，环向索最大张拉力约2660 kN，需要2台150 t千斤顶，同一圈环向索有4个张拉端，故选用8台150 t千斤顶，即同时使用4套张拉设备。张拉设备采用预应力钢结构专用千斤顶和配套油泵、油压传感器、读数仪。根据设计和预应力工艺要求的实际张拉力对油压传感器及读数仪进行标定。
预应力控制参数张拉时采取双控原则；索力控制为主，伸长值控制为辅，同时考虑网壳变形。
预应力操作要点是：张拉前将各圈环向索进行预紧，然后进行正式张拉。总体张拉过程分为3级：分别张拉到设计张拉力的70%、90%、110%。总体张拉顺序为：前2级张拉都是由外圈向内圈依次张拉，第3级是由内圈向外圈依次张拉完成。由于本工程张拉设备组件较多，在进行安装时必须小心安放，使张拉设备形心与钢索重合，以保证预应力钢索在张拉时不产生偏心；预应力钢索张拉要保证油泵启动供油正常后开始加压；张拉时，要控制给油速度，给油时间应0.5 min；每圈环向索在张拉过程中要保证同步性。
在张拉过程中，通过仿真计算进行校核，并用全站仪监测结构变形，用振弦应变计监测结构应力。
2.2 预应力技术在索膜（张拉膜）结构中的应用
张拉索膜结构最早出现在1957年，由德国奥托设计建成，奥托是张拉膜结构的先行者和开拓者。经过几十年的发展，目前世界上已建成的张拉膜结构有沙特阿拉伯吉达航空港、沙特阿拉伯法赫德国际体育场、美国圣迭戈会议中心、美国新丹佛国际机场等。
青岛颐中体育场蓬盖膜结构工程，是目前国内自行设计、施工的第1个大型膜结构工程项目，覆盖面积达30000 m2。其造型优美，成为青岛市标志性城市建筑[3]。
工程内容包括：（1）周圈钢结构分上、下两个环梁，60个立柱、弦杆组成的锥体。杆件均为管材，节点大部分为销接，总用钢量约2000 t。（2）钢索：主要有内环索4条，加索夹后重达200 t；上下吊索用于连接内环索与周圈钢结构；另外60个膜单元由脊索、谷索和边索组成。（3）膜片：由进口膜材料裁剪、热合而成。
本工程在竞标过程中许多施工单位都以“吊装”原则进行施工，但是经过反复的数据计算和方案论证，“柔性结构刚性假设进行吊装施工”几乎是不可能的（特别是此项目中的内环索的安装）。这就要求施工单位必须对柔性张拉结构与刚性钢结构的安装施工工艺有所区别，对传统的施工工艺有所突破。最后我公司确定如下两个原则。 （1）辅助钢结构的全柔性假设即除周圈钢结构外，对内部直线段的上、下桁架进行柔性假设，用备用索替代桁架，备用索一端固定于内环索的索夹上，进行直线段内环索的张拉到位（见图1）。这样全部60个立柱柱顶均安装千斤顶、钢绞线可直接拉动上吊索和备用索，使内环索整体张拉。到位后，弧线段吊索销接于柱顶，直线段用起重机械吊装桁架替代备用索（见图2）。
（2）设备的改造 将“提升”用的千斤顶用于“张拉”施工，其作业方向由垂直变为斜向，且角度随时在改变，这要求我们对原有的设备加以改造，满足转动张拉的要求（见图3）。
最终的施工方案为将48台千斤顶分设在弧线段看台外段的钢柱上。将48组，每组长60 m的钢绞线通过千斤顶并与内环索进行连接。通过4个控制台，操作48台千斤顶同步提升，与直线段的12台卷扬机配合，最后将200 t重的内环索张拉提升到35 m高的设计安装高度。实践证明，此方法减少了钢绞线、控制台、千斤顶及泵站的用量，进一步了降低施工成本。直线段卷扬机安装示意如图3所示。
3 钢结构预应力技术应用中存在的问题
3.1 防火问题
众所周知钢结构具有强度高、重量轻、材质均匀等许多优点，但有一个非常致命的缺点就是不耐火。国内外均对高温下结构钢材的材料特性和火灾下钢结构的结构响应[4，5]进行了大量的试验研究。结论为钢材抵抗高温的能力非常有限，在火灾高温作用下，其力学性能会随温度的升高而降低，变形会不断增大，在2000 ℃以内时，其性能没有很大变化，430 ℃～540 ℃之间则强度急剧下降，600 ℃时强度很低，不能承担荷载。同时260 ℃～320 ℃时还有徐变现象。纽约世界贸易中心主楼的911事件，飞机撞进大厦和大厦燃烧初期，大厦均没有立即倒塌，这说明钢结构是在火灾温度升到一定的时候才破坏的。而对于预应力的钢结构来说，不需要温度升到400 ℃以上，只要到达300 ℃左右，由于徐变现象的出现，预应力松弛而引起的内力重分布就可能造成整个结构的破坏，预应力越大的结构耐火性越差。因此，预应力钢结构的防火设计应比普通钢结构和预应力混凝土结构应更加严格。目前对预应力钢结构耐火问题的研究几乎空白。
3.2 其它问题
预应力钢结构的抗疲劳性，在钢结构中引入预应力，那么预应力因素对疲劳强度影响是怎样的，目前还没有定论。
预应力钢结构新体系、影响预应力值控制问题的主要因素和机理分析、索的防腐蚀问题、预应力钢结构中钢件与预应力筋节点构造问题、预加应力值的简便实用测量及监控方法、预应力损失的简便补充方法、简便适用于多次张拉预应力钢结构施工的支座研制等问题。
针对以上问题，要求开发新型、性能优越的防火涂抹材料，以及进一步研究预应力钢结构构件在荷载、预应力及高温共同作用下的变形和力学性能，研究火灾后预应力钢结构构件的承载能力，研究如何利用计算机仿真试验来了解不同形式预应力钢结构的耐火性能，提出改善结构抗火性能的方法；同时需要研发新的预应力结构体系；需要加强预应力对钢结构抗疲劳性能的影响；需要加强预应力值控制方法的研究；需要开发索的新防腐方案、需要找到充分发挥预应力节材优势的主要途径。
4 结语
预应力技术经过了几十年的研究和工程实践，已经是比较成熟的一项工程技术，在今后的发展中，还将日臻完善。工程实践告诉我们，预应力技术以种种优势，在钢结构中有着强大的生命力和竞争力。
参考文献
[1] 陆赐麟.现代预应力钢结构[M].北京：人民交通出版社，2003.
[2] 王泽强.2008年奥运会羽毛球馆弦支穹顶结构预应力施工技术[J].施工技术，2007，36（11）：9-10.
[3] 赵宇力.大型索膜结构整体张拉施工的构想与实施[J].施工技术，2000，29（6）： 14-15.