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【摘 要】预应力的意义在于在为形变之前设置在承重结构内部一个方向与形变相反的力，提升结构抗形变能力，增加使用寿命延长结构断裂形变时间，同时也在一定程度上提升了结构的承载能力。本文对预应力钢结构体系的应用进行探讨，以供同行参考。
【关键词】预应力；钢结构；应用
引 言
由于经过多年的工程实践，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体系类型。主要为网壳结构、弦支穹顶结构、张拉膜结构、张弦梁结构等。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。
一、预应力技术在网壳结构中的应用
与其他传统结构相类似，预应力网壳结构的发展首先是依赖于实际应用的需要，在一些大空间、大跨度的应用需求下，促进了预应力网壳结构的发展。譬如，体育建筑、会展中心、交通设施以及其他公共建筑的需要。随着研究开发工作的加强，理论上已取得了一定的进展，基本上满足了工程设计的需要。尤其近年来，我国陆续建成预应力拉索钢网壳结构十余座，建筑面积达400余万平方米，建筑造型和结构形式丰富新颖，预应力工艺和布索方式多种多样，预应力技术高科技含量显著，取得了一些国外没有或罕见的科技成果及技术。
目前，预应力钢结构正在快速发展，其主要是：现代预应力技术的应用已从平面结构拓展到空间结构；单次预应力迈向多次预应力；对结构施加预应力的布索趋于灵活高效化；设计分析借助新理论和计算机更加深入精确化；构件制作趋于工厂定型化；施工装配趋于大型严密化。这些“标志着中国大型建筑结构的设计理论和工程实践已大步进入世界先进技术行列，表明我国预应力钢结构学科的研究、设计和实践水平向更深、更高的方向发展”。
近年来，由于计算机的迅猛发展使曲面形网壳的设计与制作大为方便，我国也开始了预应力钢结构的研究与发展，兴建了一批有代表性的工程建筑物。如攀枝花市体育馆多次预应力网壳屋盖，北京华北电力调度塔，四川达竹矿多次预应力输煤栈桥等。这些标志着我国大型建筑结构的设计理论和工程研究已大步进入世界先进技术行列，表明我国预应力钢结构学科的研究、设计和实践水平向更深、更高的方向发展。
二、预应力技术在弦支穹顶结构中的应用
弦支穹顶结构1993年由日本学者川口卫提出，结构利用张拉整体的思想，提高了单层网壳结构的整体刚度，降低了单层网壳的缺陷敏感性，充分发挥材料性能，降低钢材使用量，从而使得网壳可以应用于更大的跨度。弦支穹顶结构上弦为单层网壳，下弦为撑杆和预应力索形成的张拉整体结构，给索施加的预应力，通过撑杆传递给单层网壳，使上弦产生反拱，使结构在使用荷载作用下的内力和变形减小。预应力索主要承担了上弦部分产生的外推力，使结构整体部分形成自平衡体系，减小环梁的水平推力。同时，预应力索增大了结构的整体刚度。弦支穹顶结构由于受力合理、造型美观，一经提出就受到设计人员的青睐，应用于实际工程。
日本是最早应用这一结构形式的国家，“光球”穹顶是世界第一座采用弦支穹顶结构的屋盖，跨度35m，屋顶最大高度14m。“光球”穹顶只在单层网壳的最外层下部布置了张拉整体结构，并将径向拉索改为钢管，通过对钢管施加预应力，使周边环梁的水平推力为零。
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，下部为钢筋混凝土框架结构。通过工程实践和理论分析认为弦支穹顶结构适用于矢跨比较小的结构中，通过下弦张拉体系改善上弦单层网壳的整体稳定性。
三、预应力技术在张拉膜结构中的应用
张拉膜结构是一种新型的建筑。由于它的潇洒飘逸，轻盈优美的特点，一直倍受广大用户的青睐。它同时也是现代计算机技术、现代建材技术和现代建筑设计理念的化身。在世界各国的建筑师的不断的开拓下，张拉膜结构已经几乎被设计成每一种不同的用途。人们已不单单为它的优美造型而选取，它的自重轻、跨幅大、维修保养容易等特点也在现代建筑中体现了优势。
张拉膜结构最早出现在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30000m2。其造型优美，成为青岛市标志性城市建筑。
张拉膜结构设计时首先应考虑张拉膜结构体系的特殊性，即由于张拉膜、索结构所使用的主要材料本身不具有基本刚度和形状，只有对膜材施加预张拉应力才能获得结构承载所必须的刚度和形状，因此要通过调整改变膜材的预张力分布来获得理想的结构造型，又或者通过改变膜或索的预张拉力比值来实现，从而得到形态各异的结构。
四、预应力技术在张弦梁结构中的应用
张弦梁结构是一种新型的大跨度结构体系，该结构在日本大学斋藤公男教授于20世纪80年代明确提出之后，凭借其高效的传力机制和优美的外形效果，在日本的大型公共建筑中得到了极为广泛的应用。
张弦梁主要分为直梁型张弦梁，拱形张弦梁和人字形张弦梁。直线型张弦梁是通过拉索和撑杆提供弹性支撑，从而减小上弦构件的弯矩，主要适用于楼板结构和小坡度屋面结构。拱形张弦梁结构除了拉索和撑杆为上弦构件提供弹性支承，减小拱上弯矩的特点外，充分发挥可上弦拱的受力优势，主要适用于大跨度甚至超大跨度的屋盖结构。人字形张弦梁结构主要用下弦拉索来抵消拱两端的推力，主要适用于跨度较小的双坡屋盖结构。空间张弦梁结构以平面张弦梁结构为基本组成单元，通过不同形式的空间布置所形成的以空间首例为主的张弦梁结构。空间张弦梁结构可以分为单向张弦梁结构，双向张弦梁结构，多向张弦梁结构，辐射式张弦梁结构。单向张弦梁结构主要适用于矩形平面的屋盖。双向张弦梁适用于矩形，圆形及椭圆形等多种平面的屋盖。多向张弦梁结构主要适用于圆形和多边形平面的屋盖。辐射式张弦梁结构主要适用于圆形或椭圆形平面的屋盖。
从20世纪90年代后期张弦梁结构在我国工程上首次应用于上海浦东国际机场航站楼的建设到2008年奥运会国家体育馆的建成，经历了30多年的发展。迄今为止，主要的代表工程有上海浦东国际机场航站楼、广州国际会展中心的屋盖结构、黑龙江国际会议展览体育中心主馆屋盖结构，均采用平面张弦梁结构。
五、结语
预应力钢结构体系具有结构简单，传力明确，施工方便快捷和建筑造型与结构布置能完美结合等优点，在大跨度空间结构方面具有广阔的应用前景。而目前的理论研究，尤其是结构分析与施工过程相结合的系统分析尚落后于实际工程应用，因此有必要对此进一步加以研究和探讨，提出合理的设计、施工和优化方法，以建造技术先进、经济合理的大跨度建筑结构。
参考文献：
[1]杨海军，张爱林.多索预应力格架结构优化设计《建筑结构》2007.
[2]李刚.预应力钢结构应用中若干问题的探讨《技术与设计》2003.
【关键词】预应力；钢结构；应用
引 言
由于经过多年的工程实践，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体系类型。主要为网壳结构、弦支穹顶结构、张拉膜结构、张弦梁结构等。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。
一、预应力技术在网壳结构中的应用
与其他传统结构相类似，预应力网壳结构的发展首先是依赖于实际应用的需要，在一些大空间、大跨度的应用需求下，促进了预应力网壳结构的发展。譬如，体育建筑、会展中心、交通设施以及其他公共建筑的需要。随着研究开发工作的加强，理论上已取得了一定的进展，基本上满足了工程设计的需要。尤其近年来，我国陆续建成预应力拉索钢网壳结构十余座，建筑面积达400余万平方米，建筑造型和结构形式丰富新颖，预应力工艺和布索方式多种多样，预应力技术高科技含量显著，取得了一些国外没有或罕见的科技成果及技术。
目前，预应力钢结构正在快速发展，其主要是：现代预应力技术的应用已从平面结构拓展到空间结构；单次预应力迈向多次预应力；对结构施加预应力的布索趋于灵活高效化；设计分析借助新理论和计算机更加深入精确化；构件制作趋于工厂定型化；施工装配趋于大型严密化。这些“标志着中国大型建筑结构的设计理论和工程实践已大步进入世界先进技术行列，表明我国预应力钢结构学科的研究、设计和实践水平向更深、更高的方向发展”。
近年来，由于计算机的迅猛发展使曲面形网壳的设计与制作大为方便，我国也开始了预应力钢结构的研究与发展，兴建了一批有代表性的工程建筑物。如攀枝花市体育馆多次预应力网壳屋盖，北京华北电力调度塔，四川达竹矿多次预应力输煤栈桥等。这些标志着我国大型建筑结构的设计理论和工程研究已大步进入世界先进技术行列，表明我国预应力钢结构学科的研究、设计和实践水平向更深、更高的方向发展。
二、预应力技术在弦支穹顶结构中的应用
弦支穹顶结构1993年由日本学者川口卫提出，结构利用张拉整体的思想，提高了单层网壳结构的整体刚度，降低了单层网壳的缺陷敏感性，充分发挥材料性能，降低钢材使用量，从而使得网壳可以应用于更大的跨度。弦支穹顶结构上弦为单层网壳，下弦为撑杆和预应力索形成的张拉整体结构，给索施加的预应力，通过撑杆传递给单层网壳，使上弦产生反拱，使结构在使用荷载作用下的内力和变形减小。预应力索主要承担了上弦部分产生的外推力，使结构整体部分形成自平衡体系，减小环梁的水平推力。同时，预应力索增大了结构的整体刚度。弦支穹顶结构由于受力合理、造型美观，一经提出就受到设计人员的青睐，应用于实际工程。
日本是最早应用这一结构形式的国家，“光球”穹顶是世界第一座采用弦支穹顶结构的屋盖，跨度35m，屋顶最大高度14m。“光球”穹顶只在单层网壳的最外层下部布置了张拉整体结构，并将径向拉索改为钢管，通过对钢管施加预应力，使周边环梁的水平推力为零。
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，下部为钢筋混凝土框架结构。通过工程实践和理论分析认为弦支穹顶结构适用于矢跨比较小的结构中，通过下弦张拉体系改善上弦单层网壳的整体稳定性。
三、预应力技术在张拉膜结构中的应用
张拉膜结构是一种新型的建筑。由于它的潇洒飘逸，轻盈优美的特点，一直倍受广大用户的青睐。它同时也是现代计算机技术、现代建材技术和现代建筑设计理念的化身。在世界各国的建筑师的不断的开拓下，张拉膜结构已经几乎被设计成每一种不同的用途。人们已不单单为它的优美造型而选取，它的自重轻、跨幅大、维修保养容易等特点也在现代建筑中体现了优势。
张拉膜结构最早出现在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30000m2。其造型优美，成为青岛市标志性城市建筑。
张拉膜结构设计时首先应考虑张拉膜结构体系的特殊性，即由于张拉膜、索结构所使用的主要材料本身不具有基本刚度和形状，只有对膜材施加预张拉应力才能获得结构承载所必须的刚度和形状，因此要通过调整改变膜材的预张力分布来获得理想的结构造型，又或者通过改变膜或索的预张拉力比值来实现，从而得到形态各异的结构。
四、预应力技术在张弦梁结构中的应用
张弦梁结构是一种新型的大跨度结构体系，该结构在日本大学斋藤公男教授于20世纪80年代明确提出之后，凭借其高效的传力机制和优美的外形效果，在日本的大型公共建筑中得到了极为广泛的应用。
张弦梁主要分为直梁型张弦梁，拱形张弦梁和人字形张弦梁。直线型张弦梁是通过拉索和撑杆提供弹性支撑，从而减小上弦构件的弯矩，主要适用于楼板结构和小坡度屋面结构。拱形张弦梁结构除了拉索和撑杆为上弦构件提供弹性支承，减小拱上弯矩的特点外，充分发挥可上弦拱的受力优势，主要适用于大跨度甚至超大跨度的屋盖结构。人字形张弦梁结构主要用下弦拉索来抵消拱两端的推力，主要适用于跨度较小的双坡屋盖结构。空间张弦梁结构以平面张弦梁结构为基本组成单元，通过不同形式的空间布置所形成的以空间首例为主的张弦梁结构。空间张弦梁结构可以分为单向张弦梁结构，双向张弦梁结构，多向张弦梁结构，辐射式张弦梁结构。单向张弦梁结构主要适用于矩形平面的屋盖。双向张弦梁适用于矩形，圆形及椭圆形等多种平面的屋盖。多向张弦梁结构主要适用于圆形和多边形平面的屋盖。辐射式张弦梁结构主要适用于圆形或椭圆形平面的屋盖。
从20世纪90年代后期张弦梁结构在我国工程上首次应用于上海浦东国际机场航站楼的建设到2008年奥运会国家体育馆的建成，经历了30多年的发展。迄今为止，主要的代表工程有上海浦东国际机场航站楼、广州国际会展中心的屋盖结构、黑龙江国际会议展览体育中心主馆屋盖结构，均采用平面张弦梁结构。
五、结语
预应力钢结构体系具有结构简单，传力明确，施工方便快捷和建筑造型与结构布置能完美结合等优点，在大跨度空间结构方面具有广阔的应用前景。而目前的理论研究，尤其是结构分析与施工过程相结合的系统分析尚落后于实际工程应用，因此有必要对此进一步加以研究和探讨，提出合理的设计、施工和优化方法，以建造技术先进、经济合理的大跨度建筑结构。
参考文献：
[1]杨海军，张爱林.多索预应力格架结构优化设计《建筑结构》2007.
[2]李刚.预应力钢结构应用中若干问题的探讨《技术与设计》2003.