預應力鋼結構發(fā)展五十年

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摘要：PSS發(fā)展至今已有五十年，它從用鋼筋加固舊有結構物發(fā)展到現(xiàn)代多種多樣的張拉結構體系，經(jīng)歷了初創(chuàng)，發(fā)展，創(chuàng)新的三個歷史時期。其中有過猶疑與停，也有過繁榮與猛進。認真地回顧學科發(fā)展歷史，才能更好地借鑒天，掌握今天和規(guī)劃明天。
 

一、前言

　　預應力鋼結構（PSS）學科從誕生到現(xiàn)在已經(jīng)歷了五十年。二次世界大中中戰(zhàn)后恢復生產(chǎn)，重建經(jīng)濟時要求對舊結構和橋梁加固補強，50年代材料匱乏資金短缺年代里要求降低用鋼量節(jié)約成本，于是出現(xiàn)了在傳統(tǒng)鋼結構中引入預應力的預應力鋼結構學科。隨著科技進步、工業(yè)發(fā)達的步伐，20世紀末期在涌現(xiàn)大量新材料、新技術、新理論的推動下，PSS領域中產(chǎn)生了一批張拉結構體系，它們受力合理，節(jié)約材料，型式多樣，造型新穎，應用廣泛，成為建筑領域中的最新成就。PSS學科從初始的簡單節(jié)材思想發(fā)展到現(xiàn)代預應力張拉鋼結構系列，歷經(jīng)了探索、觀望、前進、突破、創(chuàng)新、繁榮的各種階段?；仡櫄v史，得出經(jīng)驗教訓才能指導現(xiàn)在，回顧歷史了解發(fā)展規(guī)律才能把握未來。這樣我們才能真正做到借鑒昨天，掌握今天，規(guī)劃明天。

二、PSS發(fā)展歷程

　　PSS的發(fā)展大致可分為三個時期：

　?。ㄒ唬?初創(chuàng)期（二戰(zhàn)后—1960年前后）——探索與前進

　　由于二戰(zhàn)后百廢待興中的物資匱乏及資金不足，和對原有建筑物、橋梁等承重結構繼續(xù)服役時的安全要求，在歐洲的土建待業(yè)里萌生了把在鋼筋砼結構中已應用多年的預應力技術移植到鋼結構工程中的想法。最初的研究者及實踐者中有德國狄辛格教授（Dischinger）英國薩姆萊工程師（J.F.Samuely）,比利時馬涅理教授(G.Magnel),美國阿什通教授(L.Ashton)和前蘇聯(lián)瓦胡金工程師（M.Baxypknh）等人,其中馬涅理教授對PSS學科的推動與發(fā)展貢獻最大.他不僅對PSS進行了理論分析,還做過平行弦鋼桁架模型試驗,在1953年他首次成功地設計并建造了布魯塞爾機場飛機庫雙跨預應力連續(xù)鋼桁架門梁結構(76.5m+76.5m),省鋼率12%,降低造價6%.同一時期建造的PSS工程還有前蘇聯(lián)雙伸臂公路橋(1948),英國倫敦國際展覽會會標塔Skylon(1952),德國三跨連續(xù)實腹梁公路橋(1954)和美國雙曲懸索屋蓋雷里競技場(1953)等.但是在鋼結構中采用預應力新技術也遭到一些專家學者的非議與反對,并在刊物上展開激烈辯論.反對者指責PSS中帶來許多傳統(tǒng)鋼結構中沒有的缺點及問題,例如省鋼率不高卻帶來制造施工中的諸多麻煩;錨頭耗鋼量抵消不少省鋼率;新增的預應力拉索易腐蝕,增大養(yǎng)護費用;由于構件截面減小結構撓度加大,不適用于許多結構,如橋梁;一些施加預應力的方法引起過大的次應力,甚至超過荷載應力等等.雖然更早就有在鋼結構中采用預應力的做法,如在橋梁中的懸索張拉結構等,但在50年代中開展的這場學術爭論中,G.Magnel教授等人除耐心逐條澄清一些誤解外，還鄭重指出PSS與預應力砼結構的本質差別，告訴大家不要用預應力砼中的設計思想和概念來看待新興的PSS學科。

　　科技進步總是不以人們的主觀愿望為轉移的，在一片質疑聲中PSS學科繼續(xù)發(fā)展，在50年代里國際上一批PSS工程被興建，一批預應力鋼桿件和桁架的模型試驗被完成。但是絕大多數(shù)試驗及工程晨平面鋼結構的體系中引入預應力進行的，科學研究的內容也限于預應力基本構件的分析與試驗，最佳預應力效果的結構體系并未創(chuàng)建。

　　在中國國民經(jīng)濟建設的“一五”、“二五”時期，節(jié)約鋼材提高結構性能也是十分重大的課題，我國積極從事PSS研究及采有PSS工程的單位亦不在少數(shù)，PSS的課題曾于1956年列入國家研究計劃。當時清華大學對預應力鋼壓桿件及組合鋼屋架進行過理論聯(lián)系實驗研究，并建造了一座高36m的實驗性預應力桅桿塔；哈爾濱工業(yè)大學進行了預應力鋼屋架及鋼梁的研究，并主持了預應力輸煤鋼棧橋的設計與實驗工作；西安冶金建筑學院對預應力鋼桁架等開展過研究，并將成果應用于國內式礦企業(yè)。1959年曾由冶建院主持召開過一次PSS學術會議。國內廠礦中也采用過一批預應力鋼吊車梁及多座預應力鋼棧橋。但我國科技工作者亦步國外發(fā)展后塵，把研究的注意力只放在傳統(tǒng)的平面結構體系上，型式簡單，結構傳統(tǒng)，未能在PSS的學科上取得突破。作者在總結國內外結構型式與預應力技術的特點后于1959年得出下列結論：“這種新型結構既不是建立在普通結構的基礎上，更不是普通結構中個別桿件的改善，而是重新建立完全區(qū)別于普通結構圖形的新式結構體系?？梢栽O想，在這種結構體系中具有最多數(shù)量的柔性拉桿，這些拉桿由于預應力作用，既可承受拉力又可承受壓力……。只有這種新型體系的建立，才能徹底地、大量地節(jié)約鋼材，充分地、有效地利用材料強度。只有這樣才能利用“預應力”在鋼結構領域里進行“革命”，而不是在舊有形式上或局部地改進。”40多年前對PSS最佳型式的描述預測雖在國內未曾引起重視與開發(fā)，但以后在1972年慕尼黑奧運會、1988年漢城奧運會和1996看亞特蘭大奧運會主賽館屋蓋結構以及2002年世界杯足球比賽場看臺天蓬結構上都有得到了印證與實踐。

　　在這一時期由于客觀條件要求而誕生發(fā)展的PSS學科在已有的傳統(tǒng)鋼結構體系中進行了廣泛系統(tǒng)的研究探索，并在各種類型結構中進行了試驗，尤其一批大型PSS工程的實踐經(jīng)驗都有說明了預應力技術對鋼結構具有減輕自重，提高剛度，改善性能，減低成本功能，為以后PSS的深入發(fā)展與結構創(chuàng)新奠定了科學基礎。產(chǎn)基學術講座與爭辨中澄清了非議，深化了學科，更加明確了前進方向。

　?。ǘ?發(fā)展期（1960年前后—80年代中期）——發(fā)展與突破

　　經(jīng)過十余年的探索與研究后，對PSS基本桿件、平面結構體系及構造、施工設備及工藝等有所掌握。對“零剛度”桿件為PSS體系中最佳型式廣為認同。進一步如何提高PSS的經(jīng)濟效益和創(chuàng)造高效PSS體系是專家學者們的關注問題。在此時期土建領域中出現(xiàn)兩件大事：一是電子計算機技術進入計算、設計（CAD）與制造（CAM）領域，解決了高難度計算與高精度加工問題；二是涌現(xiàn)出大量新型空間結構，如網(wǎng)架、網(wǎng)殼、砼薄殼、折板、懸索及塑膜結構等新型承重體系及張拉結構體系，其靜、動力性能良好，造型新穎獨特，一個時期風靡世界，我國亦不例外。PSS學科在一些國家深入發(fā)展、繼續(xù)探索提高效率與創(chuàng)新體系兩在課題。1963年于德國德累斯頓，1966年于前捷克斯大林洛伐克可布拉格，1971年于前蘇聯(lián)列寧格勒先后召開過三屆國際預應力金屬結構會議，到會的蘇、德、捷、美、意、日、波、羅、南、保、匈、瑞典等近20個國家的學者和專家們交流了250余篇論文和報告。會議充分肯定了PSS學科取得的成就，并討論了存在的問題及發(fā)展方向。一致認為PSS已從初始的探索和試驗階段發(fā)展為樗當代先進工程技術水平的一門新興學科，必將給結構工程帶來嶄新的面貌。 1963年在國際上第一次出版了俄羅斯功勛科技活動家E.H.Bejiehr教授的專著《預應力承重金屬結構》一書,為學科的全面、系統(tǒng)發(fā)展奠定了理論基礎.同年前蘇聯(lián)又出版了《預應力鋼結構設計規(guī)程》,成為本學科統(tǒng)一工程實踐的首部行動指南.

　　PSS的理論研究與工程結構學科的研究同步、發(fā)展從結構靜定性能深入到動態(tài)與抗震,從弱性強度理論擴展到塑性、疲勞及穩(wěn)定,從平面結構擴展到空間體系,從設計、計算延伸到經(jīng)濟學、可靠主芨優(yōu)化成形理論.70年代蘇聯(lián)科學院院士H.JI.Mejibhnkob教授提出的“結構成型理論”指導了1980年莫斯拉奧運會體育場館系列PSS屋蓋的設計，誕生了一批鋼懸膜結構，鋼張力模塊體結構等預應力空間體系。尤其理論中“集中使用材料”及“兼并功能”兩項設計原則對以后預應力現(xiàn)代空間鋼結構體系的發(fā)展與繁榮產(chǎn)生重大影響。在此時期預應歷程技術從傳統(tǒng)平面鋼結構體系中走出，與廣泛采用的優(yōu)秀空間鋼結構相結合，衍生出預應力這僮鋼結構（PSSS），如預應力網(wǎng)架、預應務網(wǎng)殼、預應力立體桁架、預應力空間張弦梁結構等等，同時張力“零剛度”桿件也在找尋自己的最佳結構型式。瑞典工程師Jawerth.D推出一種全部由預應力拉索組成上、下弦桿及斜腹桿的平面索桁架“Jawertf體系”.以后又有將索橋體系引入建筑屋蓋的嘗試.早期的工程有意大利某造紙廠主廠房,和蔗近250m,寬度30m,沿長度方向布置兩根立柱,懸索自柱頂通過,連接垂直吊索以吊掛屋面,車間立面酷似橋梁.近期的這類結構有北京朝陽體育館,造型別致新穎,是北京亞運會體育建筑中的佼佼者.將斜拉橋體系引入建筑屋蓋中就出現(xiàn)斜拉索屋蓋,早期的工程有美國加州冬奧會溜冰館及紐約國際機場候機樓等,都是用斜吊索通過柱頭吊掛梁式結構.這類結構具有突出在屋面上的承重結構與吊索,建筑造型與傳統(tǒng)者相異,又稱之為“暴露結構”,也是人們想在建筑結構上廣泛應用“零剛度”桿件的試探.因此初始的吊索結構(Cable-supported structure)多是平面體系.60年代德國F.Otto教授成功設計了空間“零剛度”桿系_全部為張力索的索網(wǎng)結構,并應用于1972年慕尼黑奧運會主賽場館中,覆蓋面積為74800㎡的索網(wǎng)群,有11根巨型鋼管柱及若干邊柱支撐全部為張力索正交編制的屋蓋,實際上它是無圈梁結構的整體張拉索系.之后Otto又創(chuàng)造了一種以格構拱代替中間柱的索網(wǎng)支承方式,1983年建造了慕尼黑奧林匹克公園溜冰館為以后體育場館中用大跨拱結構支承屋蓋體系提供了借鑒模式.

　　在傳統(tǒng)空間鋼結構與預應力技術結合上許多國家都做出過貢獻.20世紀70年代中前蘇聯(lián)就建造過以支座位移法及拉索法引入預應力的平板網(wǎng)架,南斯拉夫亦在網(wǎng)殼結構中以支座位移法施加預應力,但經(jīng)濟效果都不顯著.在利用吊點代替支點為大跨空間結構擴大無阻擋空間方面,英、法都做出過不少努力,外露于屋面之上的承重結構有立柱、剛架、拱架、懸索等多種類型,因此“暴露結構”具有豐富多姿的建筑造型,常為現(xiàn)代建筑設計所青睞.1980年莫斯科奧運會體育場館屋蓋中推出了四座鋼懸膜結構,有圓形、橢圓形、方形等多種平面形式,用厚度為2～5㎜的不銹鋼板以卷材方式敷蓋屋面,鋼板雙向受拉,既為承重結構,又為圍護結構,體現(xiàn)了“兼并功能”思想.另有三座雙層蒙皮塊體結構,是在一對桁架的上下弦平面上覆蓋張力態(tài)δ=1～1.5㎜的鋁合金或鋼板.上下預應力板皆參懷結構受力并起著弦桿平面內支撐作用,因此這里的板材具有圍護、承重及保證穩(wěn)定的三重功能.

　　這一時期新材料的出現(xiàn)大大豐富了建筑結構的類型,人工合成材料及纖維加強塑膜的出現(xiàn)產(chǎn)生了塑膜結構,大大減輕結構自重,加快施工,豐富建筑造型與色彩.但是經(jīng)過時間與工程實際的考驗,其中的充氣膜式(air-inflated)及氣承式(air-supported)結構已日漸少用.目前廣泛應用于國內外工程中的是張力膜結構(Tension Membrane Structures),因為膜面是連于承重結構鋼索上的覆蓋層,又稱為索膜結構,它不受膜面內外壓差的影響,且又傳力堅固可靠的鋼陌生是結構之上,因此廣受國內外工程界重視.1986年建成的沙特利雅得國際體育場張力膜看臺天蓬就是預應力索系與新材料組成新體系的早期試驗工程.

　　我國在PSS科研的工作上雖受國內形勢動蕩而滯后,并且處于我國鋼結構發(fā)展的低潮時期,但由于科技進步大勢所趨及國際賽事的需要,在工程上也有所進展與突破.1962年建成直徑94m的北京工人體育館,是國內最大的懸索結構屋蓋.1967年建成的雙曲馬鞍型懸索屋蓋浙江人民體育館.80年代前后又研究和建造過一批預應力平板網(wǎng)架、懸索及吊索屋蓋,比較知名的有江西體育館,四川攀枝花體育館、北京朝陽體育館等,80年代研造,延至90年代初(人為原因)興建成功的四川攀枝花體育館采用多次預應力圓形鋼網(wǎng)殼屋蓋,是國內外首次應用的多次預應力鋼結構理論聯(lián)系實際振奮型建筑物,省鋼率達38%,為PSS學科的深入發(fā)展做出了貢獻.以后又興建了西昌鐵路體育中心多次預應力鋼筒殼屋蓋,省鋼率28%,兩者都有是空間鋼結構與預應力技術相結合的成功典范.但是由于我國在這方面科學儲備不足,領導層缺乏高瞻遠矚,致使PSS學科呆滯,發(fā)展緩慢,失去了在北京亞運會上一展風采的契機.因此北京亞運會新建與修建的27座場館大多數(shù)采用了當時國內大力推廣的平板網(wǎng)架結構.

　　從以上情況可以看出PSS發(fā)展的特征是預應力新技術與空間結構新體系結合而衍生出來的PSSS,具有優(yōu)秀的靜動力特性和良好的技術經(jīng)濟指標,可以稱得上是當代建筑結構學科中的最新成就.從懸索體系延伸出來的吊索體系大大擴展了“零剛度”桿件的應用范圍,吊索體系與兩類空間結構的結合又衍生出多種的暴露結構,擴展了無阻擋空間的幅度,提高了結構的功能與效益.而人工合成膜及玻璃等新材料與預應力鋼索新體系相結合又衍生出以預應力鋼承重結構為主的張力膜結構和下班幕結構,極大地豐富了建筑造型和減輕了結構自重.與初創(chuàng)時期相比應該說在PSS體系上有了本質上的提高與突破.

　　(三)繁榮期(80年代末期～21世紀初)——繁榮與創(chuàng)新

　　進入80年代霜期PSSS在國際上得到了快速的發(fā)展,不公是在數(shù)量級上與規(guī)模上增多、增大、而且在類型與品種上繁榮創(chuàng)新.這是因為:

　　1. 經(jīng)過30余個的工程實踐已經(jīng)肯定了PSS的可行性,可靠性,先進性,而其它材料的空間結構(如砼薄殼,充氣膜結構等)則表現(xiàn)了局限性,難操作性及不足;

　　2. 新材料(纖維加強膜,特種玻璃,耐候鋼材及壓型鋼板等)的大量涌現(xiàn)與新技術(計算機技術在設計,制造,安裝中的應用;張拉錨固技術等)不斷完善提高;

　　3. 舉辦奧林匹克運動會及大型國際體育賽事對大型體育場館的需求與促進;

　　4. 人們審美觀念的轉變與更新,對具有新廳,粗獷等非傳統(tǒng)建筑風格掖同與青睞.

　　因此自1980年莫斯科奧運會上出現(xiàn)了一批傳統(tǒng)式PSSS以后,人們就沿著更新,更輕,更美的方向去追求探索,去攀比競爭.2002年世界足球賽由韓、日兩國各自興建了十座足球場地,而看臺天蓬結構采用預應力技術的就達13座,占65%,可以預見PSSS的發(fā)展前景廣闊.經(jīng)過多年的發(fā)展創(chuàng)新,現(xiàn)代PSSS具有下列基本類型;

1. 傳統(tǒng)型

　　在傳統(tǒng)的空間鋼結構體系上采用預應力技術,例如在平板網(wǎng)架或網(wǎng)殼中引入預應力以改善桿件內力峰值或提高剛度,如天津寧河體育館,為進一步提高經(jīng)濟效益,可采用多次預應力技術,如攀枝花體育館;

2. 吊掛型

　　以斜拉索或直索吊掛傳統(tǒng)鋼結構,裨上是吊點代替支點以擴大室內無阻擋空間幅度,外露于屋面之上的承重結構,類型多樣,建筑造型新穎,如慕尼黑奧林匹克公園溜冰館是大拱吊掛索網(wǎng);江西體育館是大拱吊掛網(wǎng)架;