一、什么是預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)？
預(yù)應(yīng)力技術(shù)古已有之，乃先人藉此改善生活用具的性能、加固補強勞作工具的一種工藝。譬如，撐起布傘可以防雨擋風(fēng)，這時就引入了預(yù)應(yīng)力；木桶套箍，可以耐久防漏，這時就引入了預(yù)應(yīng)力。但是，在現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)工程中引入預(yù)應(yīng)力，卻是60年前的事情。人們在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造、施工、加固過程中，人為地在承重體系中引入與外荷載應(yīng)力符號相反的預(yù)加應(yīng)力以抵消荷載應(yīng)力峰值，增強結(jié)構(gòu)剛度及穩(wěn)定性，改善結(jié)構(gòu)其它屬性以及利用預(yù)應(yīng)力技術(shù)創(chuàng)建新體系的都可稱之為預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)。不論這類結(jié)構(gòu)采用了任何材料的圍護(hù)層，譬如，玻璃幕墻結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)等，都?xì)w屬于預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)學(xué)科。
二、預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)有哪些優(yōu)點？
預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點有四個。一是可以充分、反復(fù)地利用鋼材彈性強度幅值，從而提高結(jié)構(gòu)承載能力。傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)的承載力是從材料的零應(yīng)力狀態(tài)開始，逐漸加載而達(dá)到材料設(shè)計強度而終止受力的，其承載力即為結(jié)構(gòu)承受各種荷載的總和。而預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)承載力則始于預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的負(fù)應(yīng)力狀態(tài)。預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)受載后，材料經(jīng)過負(fù)應(yīng)力→零應(yīng)力→正應(yīng)力→設(shè)計強度應(yīng)力，達(dá)到結(jié)構(gòu)的承載力終值。所以，結(jié)構(gòu)承載力提高部分是由材料從負(fù)應(yīng)力至零應(yīng)力這一階段貢獻(xiàn)的。多次預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)具有多次從負(fù)應(yīng)力至零應(yīng)力的受載過程，因此，其能多次作出貢獻(xiàn)，所以具有更大的承載能力。
二是可以改善結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，降低應(yīng)力峰值。譬如，受彎構(gòu)件中的峰值彎矩，可以通過增加撐桿施加預(yù)應(yīng)力，將部分彎矩轉(zhuǎn)換為軸向力。因此，將彎矩峰值降低，并減小構(gòu)件截面，甚至利用預(yù)應(yīng)力技術(shù)創(chuàng)造出零彎矩的橫向結(jié)構(gòu)體系，如索穹頂。
三是可以提高結(jié)構(gòu)剛度及穩(wěn)定性，改善結(jié)構(gòu)的各種屬性。預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變形常與荷載下變形反向，因而結(jié)構(gòu)剛度得以提高。由于布索而改變結(jié)構(gòu)邊界條件，可以提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。預(yù)應(yīng)力可以調(diào)整結(jié)構(gòu)循環(huán)應(yīng)力特征而提高疲勞強度。降低結(jié)構(gòu)自重而減小地震荷載，從而提高其抗震性能等。
四是可以降低用鋼量，節(jié)約成本。挖掘鋼材強度潛力，改善結(jié)構(gòu)邊界條件，優(yōu)化結(jié)構(gòu)桿件、截面尺寸，創(chuàng)新承重結(jié)構(gòu)體系等優(yōu)勢的總和，必然反映在降低鋼材總量上。在保證結(jié)構(gòu)承載和使用功能的前提下，節(jié)約材料消耗量、降低成本，就是設(shè)計人員在本職工作中體現(xiàn)“低碳經(jīng)濟(jì)”、“綠色建筑”理念的大事。
三、預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)效益如何？
預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性與結(jié)構(gòu)體系類別、布索方案與工藝、荷載性質(zhì)與力度、結(jié)構(gòu)構(gòu)造與節(jié)點、安裝方法與材料價格等眾多因素有關(guān)。正常情況下，預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)采用單次預(yù)應(yīng)力可節(jié)約10%~20%的鋼材；采用多次預(yù)應(yīng)力可節(jié)約30%~40%的鋼材。而預(yù)應(yīng)力創(chuàng)新體系結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比要節(jié)約鋼材50%以上或更多。總之，結(jié)構(gòu)材料中的強度潛力越大，采用預(yù)應(yīng)力的經(jīng)濟(jì)效益越高。譬如，在實腹梁截面重心軸附近存有大量強度潛力，采用預(yù)應(yīng)力后其經(jīng)濟(jì)效益同比格構(gòu)梁要高許多。
四、國內(nèi)外有哪些著名的預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)工程，其經(jīng)濟(jì)性怎樣？
傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)型的預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)工程，節(jié)省鋼材的比例較少，譬如，1995年建成的廈門太古機場機庫采用的是拉桿拱架，省鋼率20%。創(chuàng)新型的工程節(jié)省鋼材的比例較多，譬如，2011年建成的鄂爾多斯體育中心采用的是索穹頂，每平方米的用鋼量為15千克。單次預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)省鋼少些，譬如，1984年建成的天津?qū)幒芋w育館采用的是四邊形平板網(wǎng)架，省鋼率12%。多次預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)節(jié)約材料多些，譬如，1994年建成的四川攀枝花市體育館采用的即是多次預(yù)應(yīng)力網(wǎng)殼，省鋼率38%。格構(gòu)式結(jié)構(gòu)省鋼率小些，譬如，1953年建成的比利時布魯塞爾機場機庫，采用的是雙跨連續(xù)桁架，省鋼率12%。而材料潛能較大的實腹式結(jié)構(gòu)則節(jié)材多些，譬如，1959年建成的前蘇聯(lián)羅斯托夫頓河公路橋，采用的是多跨連續(xù)實腹梁，省鋼率18%。
五、預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)有哪幾種類型？
從早期預(yù)應(yīng)力吊車梁、撐桿梁的簡單形式發(fā)展到目前張弦桁架、張弦穹頂、索彎頂、索膜結(jié)構(gòu)、玻璃幕墻等現(xiàn)代結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)種類繁多形式新穎，大致歸納為四類。
一是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)型。在傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)體系上，布置索系施加預(yù)應(yīng)力以改善應(yīng)力狀態(tài)、降低自重及成本。譬如，預(yù)應(yīng)力桁架、網(wǎng)架、網(wǎng)殼等。像天津?qū)幒芋w育館、攀枝花市體育館及北京奧運羽毛球館的預(yù)應(yīng)力網(wǎng)架、網(wǎng)殼屋蓋。目前，國內(nèi)外的候機樓、會展中心均廣泛地采用張弦立體桁架也歸入此類。另一種是工程中應(yīng)用已久的懸索結(jié)構(gòu)，譬如，北京工人體育館、浙江人民體育館等。其結(jié)構(gòu)由承重索與穩(wěn)定索兩組索系組成，施加預(yù)應(yīng)力的目的不是降低與調(diào)整內(nèi)力，而是賦予與保證結(jié)構(gòu)剛度。
二是吊掛結(jié)構(gòu)型。結(jié)構(gòu)由豎向支承體系(立柱、門架、拱架等)、吊索及屋蓋三部分組成。支承體系高出屋面，于其頂部下垂鋼索吊掛屋蓋。對吊索施加預(yù)應(yīng)力以調(diào)整屋蓋內(nèi)力，減小撓度并形成屋蓋結(jié)構(gòu)的彈性支點。由于支承體系及吊索暴露于大氣之中，直指藍(lán)天所以又稱暴露結(jié)構(gòu)。譬如，江西體育館、北京朝陽體育館、杭州黃龍體育場及長春體育場等。
三是整體張拉型。屬創(chuàng)新結(jié)構(gòu)體系，跨度結(jié)構(gòu)中摒棄了傳統(tǒng)受彎構(gòu)件，全部由受張索系及膜面和受壓撐桿組成，其屋面結(jié)構(gòu)極輕，設(shè)計構(gòu)思新穎，是先進(jìn)結(jié)構(gòu)體系中的佼佼者，譬如，漢城及亞特蘭大奧運主賽館、慕尼黑奧運體育館建筑群以及內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯伊旗索穹頂體育中心。
四是張力金屬膜型。金屬膜片固定于邊緣構(gòu)件之上，既可作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，又作為承重結(jié)構(gòu)參與整體承受荷載。或在張力態(tài)下，將膜片固定于骨架結(jié)構(gòu)之上，形成空間塊體結(jié)構(gòu)，復(fù)蓋跨度，兩者都是在結(jié)構(gòu)成型理論指導(dǎo)下誕生的預(yù)應(yīng)力新型體系。此類型已應(yīng)用于1980年莫斯科奧運會的幾個主賽場館中，國內(nèi)尚未建成此類結(jié)構(gòu)體系。(
