预应力钢结构发展五十年

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摘要：PSS发展至今已有五十年，它从用钢筋加固旧有结构物发展到现代多种多样的张拉结构体系，经历了初创，发展，创新的三个历史时期。其中有过犹疑与停，也有过繁荣与猛进。认真地回顾学科发展历史，才能更好地借鉴天，掌握今天和规划明天。
 

一、前言

　　预应力钢结构（PSS）学科从诞生到现在已经历了五十年。二次世界大中中战后恢复生产，重建经济时要求对旧结构和桥梁加固补强，50年代材料匮乏资金短缺年代里要求降低用钢量节约成本，于是出现了在传统钢结构中引入预应力的预应力钢结构学科。随着科技进步、工业发达的步伐，20世纪末期在涌现大量新材料、新技术、新理论的推动下，PSS领域中产生了一批张拉结构体系，它们受力合理，节约材料，型式多样，造型新颖，应用广泛，成为建筑领域中的最新成就。PSS学科从初始的简单节材思想发展到现代预应力张拉钢结构系列，历经了探索、观望、前进、突破、创新、繁荣的各种阶段。回顾历史，得出经验教训才能指导现在，回顾历史了解发展规律才能把握未来。这样我们才能真正做到借鉴昨天，掌握今天，规划明天。

二、PSS发展历程

　　PSS的发展大致可分为三个时期：

　　（一） 初创期（二战后—1960年前后）——探索与前进

　　由于二战后百废待兴中的物资匮乏及资金不足，和对原有建筑物、桥梁等承重结构继续服役时的安全要求，在欧洲的土建待业里萌生了把在钢筋砼结构中已应用多年的预应力技术移植到钢结构工程中的想法。最初的研究者及实践者中有德国狄辛格教授（Dischinger）英国萨姆莱工程师（J.F.Samuely）,比利时马涅理教授(G.Magnel),美国阿什通教授(L.Ashton)和前苏联瓦胡金工程师（M.Baxypknh）等人,其中马涅理教授对PSS学科的推动与发展贡献最大.他不仅对PSS进行了理论分析,还做过平行弦钢桁架模型试验,在1953年他首次成功地设计并建造了布鲁塞尔机场飞机库双跨预应力连续钢桁架门梁结构(76.5m+76.5m),省钢率12%,降低造价6%.同一时期建造的PSS工程还有前苏联双伸臂公路桥(1948),英国伦敦国际展览会会标塔Skylon(1952),德国三跨连续实腹梁公路桥(1954)和美国双曲悬索屋盖雷里竞技场(1953)等.但是在钢结构中采用预应力新技术也遭到一些专家学者的非议与反对,并在刊物上展开激烈辩论.反对者指责PSS中带来许多传统钢结构中没有的缺点及问题,例如省钢率不高却带来制造施工中的诸多麻烦;锚头耗钢量抵消不少省钢率;新增的预应力拉索易腐蚀,增大养护费用;由于构件截面减小结构挠度加大,不适用于许多结构,如桥梁;一些施加预应力的方法引起过大的次应力,甚至超过荷载应力等等.虽然更早就有在钢结构中采用预应力的做法,如在桥梁中的悬索张拉结构等,但在50年代中开展的这场学术争论中,G.Magnel教授等人除耐心逐条澄清一些误解外，还郑重指出PSS与预应力砼结构的本质差别，告诉大家不要用预应力砼中的设计思想和概念来看待新兴的PSS学科。

　　科技进步总是不以人们的主观愿望为转移的，在一片质疑声中PSS学科继续发展，在50年代里国际上一批PSS工程被兴建，一批预应力钢杆件和桁架的模型试验被完成。但是绝大多数试验及工程晨平面钢结构的体系中引入预应力进行的，科学研究的内容也限于预应力基本构件的分析与试验，最佳预应力效果的结构体系并未创建。

　　在中国国民经济建设的“一五”、“二五”时期，节约钢材提高结构性能也是十分重大的课题，我国积极从事PSS研究及采有PSS工程的单位亦不在少数，PSS的课题曾于1956年列入国家研究计划。当时清华大学对预应力钢压杆件及组合钢屋架进行过理论联系实验研究，并建造了一座高36m的实验性预应力桅杆塔；哈尔滨工业大学进行了预应力钢屋架及钢梁的研究，并主持了预应力输煤钢栈桥的设计与实验工作；西安冶金建筑学院对预应力钢桁架等开展过研究，并将成果应用于国内式矿企业。1959年曾由冶建院主持召开过一次PSS学术会议。国内厂矿中也采用过一批预应力钢吊车梁及多座预应力钢栈桥。但我国科技工作者亦步国外发展后尘，把研究的注意力只放在传统的平面结构体系上，型式简单，结构传统，未能在PSS的学科上取得突破。作者在总结国内外结构型式与预应力技术的特点后于1959年得出下列结论：“这种新型结构既不是建立在普通结构的基础上，更不是普通结构中个别杆件的改善，而是重新建立完全区别于普通结构图形的新式结构体系。可以设想，在这种结构体系中具有最多数量的柔性拉杆，这些拉杆由于预应力作用，既可承受拉力又可承受压力……。只有这种新型体系的建立，才能彻底地、大量地节约钢材，充分地、有效地利用材料强度。只有这样才能利用“预应力”在钢结构领域里进行“革命”，而不是在旧有形式上或局部地改进。”40多年前对PSS最佳型式的描述预测虽在国内未曾引起重视与开发，但以后在1972年慕尼黑奥运会、1988年汉城奥运会和1996看亚特兰大奥运会主赛馆屋盖结构以及2002年世界杯足球比赛场看台天蓬结构上都有得到了印证与实践。

　　在这一时期由于客观条件要求而诞生发展的PSS学科在已有的传统钢结构体系中进行了广泛系统的研究探索，并在各种类型结构中进行了试验，尤其一批大型PSS工程的实践经验都有说明了预应力技术对钢结构具有减轻自重，提高刚度，改善性能，减低成本功能，为以后PSS的深入发展与结构创新奠定了科学基础。产基学术讲座与争辨中澄清了非议，深化了学科，更加明确了前进方向。

　　（二） 发展期（1960年前后—80年代中期）——发展与突破

　　经过十余年的探索与研究后，对PSS基本杆件、平面结构体系及构造、施工设备及工艺等有所掌握。对“零刚度”杆件为PSS体系中最佳型式广为认同。进一步如何提高PSS的经济效益和创造高效PSS体系是专家学者们的关注问题。在此时期土建领域中出现两件大事：一是电子计算机技术进入计算、设计（CAD）与制造（CAM）领域，解决了高难度计算与高精度加工问题；二是涌现出大量新型空间结构，如网架、网壳、砼薄壳、折板、悬索及塑膜结构等新型承重体系及张拉结构体系，其静、动力性能良好，造型新颖独特，一个时期风靡世界，我国亦不例外。PSS学科在一些国家深入发展、继续探索提高效率与创新体系两在课题。1963年于德国德累斯顿，1966年于前捷克斯大林洛伐克可布拉格，1971年于前苏联列宁格勒先后召开过三届国际预应力金属结构会议，到会的苏、德、捷、美、意、日、波、罗、南、保、匈、瑞典等近20个国家的学者和专家们交流了250余篇论文和报告。会议充分肯定了PSS学科取得的成就，并讨论了存在的问题及发展方向。一致认为PSS已从初始的探索和试验阶段发展为樗当代先进工程技术水平的一门新兴学科，必将给结构工程带来崭新的面貌。 1963年在国际上第一次出版了俄罗斯功勋科技活动家E.H.Bejiehr教授的专著《预应力承重金属结构》一书,为学科的全面、系统发展奠定了理论基础.同年前苏联又出版了《预应力钢结构设计规程》,成为本学科统一工程实践的首部行动指南.

　　PSS的理论研究与工程结构学科的研究同步、发展从结构静定性能深入到动态与抗震,从弱性强度理论扩展到塑性、疲劳及稳定,从平面结构扩展到空间体系,从设计、计算延伸到经济学、可靠主芨优化成形理论.70年代苏联科学院院士H.JI.Mejibhnkob教授提出的“结构成型理论”指导了1980年莫斯拉奥运会体育场馆系列PSS屋盖的设计，诞生了一批钢悬膜结构，钢张力模块体结构等预应力空间体系。尤其理论中“集中使用材料”及“兼并功能”两项设计原则对以后预应力现代空间钢结构体系的发展与繁荣产生重大影响。在此时期预应历程技术从传统平面钢结构体系中走出，与广泛采用的优秀空间钢结构相结合，衍生出预应力这僮钢结构（PSSS），如预应力网架、预应务网壳、预应力立体桁架、预应力空间张弦梁结构等等，同时张力“零刚度”杆件也在找寻自己的最佳结构型式。瑞典工程师Jawerth.D推出一种全部由预应力拉索组成上、下弦杆及斜腹杆的平面索桁架“Jawertf体系”.以后又有将索桥体系引入建筑屋盖的尝试.早期的工程有意大利某造纸厂主厂房,和蔗近250m,宽度30m,沿长度方向布置两根立柱,悬索自柱顶通过,连接垂直吊索以吊挂屋面,车间立面酷似桥梁.近期的这类结构有北京朝阳体育馆,造型别致新颖,是北京亚运会体育建筑中的佼佼者.将斜拉桥体系引入建筑屋盖中就出现斜拉索屋盖,早期的工程有美国加州冬奥会溜冰馆及纽约国际机场候机楼等,都是用斜吊索通过柱头吊挂梁式结构.这类结构具有突出在屋面上的承重结构与吊索,建筑造型与传统者相异,又称之为“暴露结构”,也是人们想在建筑结构上广泛应用“零刚度”杆件的试探.因此初始的吊索结构(Cable-supported structure)多是平面体系.60年代德国F.Otto教授成功设计了空间“零刚度”杆系_全部为张力索的索网结构,并应用于1972年慕尼黑奥运会主赛场馆中,覆盖面积为74800㎡的索网群,有11根巨型钢管柱及若干边柱支撑全部为张力索正交编制的屋盖,实际上它是无圈梁结构的整体张拉索系.之后Otto又创造了一种以格构拱代替中间柱的索网支承方式,1983年建造了慕尼黑奥林匹克公园溜冰馆为以后体育场馆中用大跨拱结构支承屋盖体系提供了借鉴模式.

　　在传统空间钢结构与预应力技术结合上许多国家都做出过贡献.20世纪70年代中前苏联就建造过以支座位移法及拉索法引入预应力的平板网架,南斯拉夫亦在网壳结构中以支座位移法施加预应力,但经济效果都不显著.在利用吊点代替支点为大跨空间结构扩大无阻挡空间方面,英、法都做出过不少努力,外露于屋面之上的承重结构有立柱、刚架、拱架、悬索等多种类型,因此“暴露结构”具有丰富多姿的建筑造型,常为现代建筑设计所青睐.1980年莫斯科奥运会体育场馆屋盖中推出了四座钢悬膜结构,有圆形、椭圆形、方形等多种平面形式,用厚度为2～5㎜的不锈钢板以卷材方式敷盖屋面,钢板双向受拉,既为承重结构,又为围护结构,体现了“兼并功能”思想.另有三座双层蒙皮块体结构,是在一对桁架的上下弦平面上覆盖张力态δ=1～1.5㎜的铝合金或钢板.上下预应力板皆参怀结构受力并起着弦杆平面内支撑作用,因此这里的板材具有围护、承重及保证稳定的三重功能.

　　这一时期新材料的出现大大丰富了建筑结构的类型,人工合成材料及纤维加强塑膜的出现产生了塑膜结构,大大减轻结构自重,加快施工,丰富建筑造型与色彩.但是经过时间与工程实际的考验,其中的充气膜式(air-inflated)及气承式(air-supported)结构已日渐少用.目前广泛应用于国内外工程中的是张力膜结构(Tension Membrane Structures),因为膜面是连于承重结构钢索上的覆盖层,又称为索膜结构,它不受膜面内外压差的影响,且又传力坚固可靠的钢陌生是结构之上,因此广受国内外工程界重视.1986年建成的沙特利雅得国际体育场张力膜看台天蓬就是预应力索系与新材料组成新体系的早期试验工程.

　　我国在PSS科研的工作上虽受国内形势动荡而滞后,并且处于我国钢结构发展的低潮时期,但由于科技进步大势所趋及国际赛事的需要,在工程上也有所进展与突破.1962年建成直径94m的北京工人体育馆,是国内最大的悬索结构屋盖.1967年建成的双曲马鞍型悬索屋盖浙江人民体育馆.80年代前后又研究和建造过一批预应力平板网架、悬索及吊索屋盖,比较知名的有江西体育馆,四川攀枝花体育馆、北京朝阳体育馆等,80年代研造,延至90年代初(人为原因)兴建成功的四川攀枝花体育馆采用多次预应力圆形钢网壳屋盖,是国内外首次应用的多次预应力钢结构理论联系实际振奋型建筑物,省钢率达38%,为PSS学科的深入发展做出了贡献.以后又兴建了西昌铁路体育中心多次预应力钢筒壳屋盖,省钢率28%,两者都有是空间钢结构与预应力技术相结合的成功典范.但是由于我国在这方面科学储备不足,领导层缺乏高瞻远瞩,致使PSS学科呆滞,发展缓慢,失去了在北京亚运会上一展风采的契机.因此北京亚运会新建与修建的27座场馆大多数采用了当时国内大力推广的平板网架结构.

　　从以上情况可以看出PSS发展的特征是预应力新技术与空间结构新体系结合而衍生出来的PSSS,具有优秀的静动力特性和良好的技术经济指标,可以称得上是当代建筑结构学科中的最新成就.从悬索体系延伸出来的吊索体系大大扩展了“零刚度”杆件的应用范围,吊索体系与两类空间结构的结合又衍生出多种的暴露结构,扩展了无阻挡空间的幅度,提高了结构的功能与效益.而人工合成膜及玻璃等新材料与预应力钢索新体系相结合又衍生出以预应力钢承重结构为主的张力膜结构和下班幕结构,极大地丰富了建筑造型和减轻了结构自重.与初创时期相比应该说在PSS体系上有了本质上的提高与突破.

　　(三)繁荣期(80年代末期～21世纪初)——繁荣与创新

　　进入80年代霜期PSSS在国际上得到了快速的发展,不公是在数量级上与规模上增多、增大、而且在类型与品种上繁荣创新.这是因为:

　　1. 经过30余个的工程实践已经肯定了PSS的可行性,可靠性,先进性,而其它材料的空间结构(如砼薄壳,充气膜结构等)则表现了局限性,难操作性及不足;

　　2. 新材料(纤维加强膜,特种玻璃,耐候钢材及压型钢板等)的大量涌现与新技术(计算机技术在设计,制造,安装中的应用;张拉锚固技术等)不断完善提高;

　　3. 举办奥林匹克运动会及大型国际体育赛事对大型体育场馆的需求与促进;

　　4. 人们审美观念的转变与更新,对具有新厅,粗犷等非传统建筑风格掖同与青睐.

　　因此自1980年莫斯科奥运会上出现了一批传统式PSSS以后,人们就沿着更新,更轻,更美的方向去追求探索,去攀比竞争.2002年世界足球赛由韩、日两国各自兴建了十座足球场地,而看台天蓬结构采用预应力技术的就达13座,占65%,可以预见PSSS的发展前景广阔.经过多年的发展创新,现代PSSS具有下列基本类型;

1. 传统型

　　在传统的空间钢结构体系上采用预应力技术,例如在平板网架或网壳中引入预应力以改善杆件内力峰值或提高刚度,如天津宁河体育馆,为进一步提高经济效益,可采用多次预应力技术,如攀枝花体育馆;

2. 吊挂型

　　以斜拉索或直索吊挂传统钢结构,裨上是吊点代替支点以扩大室内无阻挡空间幅度,外露于屋面之上的承重结构,类型多样,建筑造型新颖,如慕尼黑奥林匹克公园溜冰馆是大拱吊挂索网;江西体育馆是大拱吊挂网架;