第1章绪论
1.1预应力钢结构发展概况
预应力技术是人类*古老的智慧结晶之一，广泛应用于日常生活和生产中，如木水桶，通过铁套箍施加预应力，使木水桶产生向心的压力，抵抗桶中水产生向外的推力;再如弓箭，通过张拉弓弦积蓄势能’使箭具有极大的初始动能。
预应力技术在现代工程的钢筋混凝土结构中*先得到研究和应用。1928年，法国Fregssinet*次对高强度钢索提供预应力的方法开展应用研究！；1934年，德国Dischiger发明的预应力筋锚固方法2使得预应力技术的工程应用成为可能，并于1937年建造了世界上**座预应力混凝土桥梁;美籍华人结构工程师林同炎于1963年提出了等效平衡荷载法[3]，对预应力混凝土结构的分析、设计和工程应用起到了推动作用。
20世纪50年代兴起的预应力钢结构是预应力技术与钢结构技术相结合而衍生出来的新的结构形式。预应力钢结构*先在平面结构体系中得到研究和工程应用，如1952年英国伦敦国际展览会会标塔Skylon、1953年比利时布鲁塞尔机场飞机库双跨预应力连续钢桁架门梁结构[]。大量的工程实践证实了预应力钢结构体系的力学高效性、安全可靠性和经济合理性。自20世纪70年代起，预应力钢结构开始在网架和网壳等空间钢结构体系上得到应用，以1988年第二十四届夏季奥林匹克运动会体操馆索穹顶建成为标志，预应力钢结构已逐渐成为大跨度钢结构的主流体系。近几十年来，以奥运会和足球世界杯体育场馆为代表的大跨度屋盖结构采用预应力技术的达到60%以上。以索穹顶为代表的预应力整体张拉结构与传统钢结构相t匕，可节约钢材50%以上，预应力钢结构具有良好的力学性能和广阔的应用前景。
我国预应力钢结构学科研究工作起步于20世纪50年代，时值国家“一五”和“二五”建设日期，钢材量少而珍贵，节约钢材、提高结构效能是国家经济状况对土木工程科研设计工作者的要求。国家也高度重视预应力钢结构课题的研究，于1956年将其列人国家科技研究计划。按照该科技研究计划，清华大学对预应力钢压杆件及组合钢屋架进行理论和试验研究，建造了一座高36m的试验性预应力桅杆塔;哈尔滨工业大学进行了预应力钢屋架及钢梁的研究，主持了预应力输煤钢栈
基于稳定性能的预应力钢结构设计
桥的设计与试验工作;西安冶金建筑学院对预应力钢桁架等开展过研究!将成果应用于国内工矿企业"959年由冶金工业部建筑研究总院主持召开了一次预应力钢结构学术会议。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，1961年建成的直径94m的北京工人体育馆是国内*大的悬索结构屋盖，1969年建成的浙江省人民体育馆采用双*马鞍型悬索屋盖，取得了良好的经济效益，并且至今这些结构仍然使用良好。此后由于多方面原因’我国预应力钢结构的研究与应用基本上处于停滞不前的状态，与国外差距拉大。改革开放后’随着我国经济的迅速发展，预应力钢结构的研究和应用也开始恢复，20世纪80年代前后建造了一批预应力平板网架、悬索及吊索屋盖，如江西省体育馆、攀枝花市体育馆、北京市朝阳体育馆等;以北京工业大学陆赐麟教授为代表的学者，开展了系统的预应力钢结构理论和试验研究。进人21世纪后，随着北京奥运会、上海世博会的相继举办，我国预应力技术研究与应用得到迅速发展’2007年建成了当时国际上*大跨度的北京奥运会羽毛球馆弦支穹顶结构，2011年建成了我国**个大跨度索穹顶工程，尤其在预应力钢结构设计方法与设计指标研究方面取得了重要进展，预应力钢结构在我国已呈现出蓬勃发展势头[5]。
虽然目前我国钢产量远超世界其他国家，但随着我国进人高质量发展阶段’通过技术创新节约钢材仍然是国家发展战略要求；国家城镇化发展仍在持续，“一带一路”倡议中仍然有大量的基础设施需要建设;国家环境保护要求露天工业料厂、矿场进行封闭，对结构跨度提出更高要求；国家对建筑产业提出了工业化发展的战略，传统结构体系已难以适应，预应力技术将成为新体系研究与应用的发展方向。总之，预应力钢结构具有建筑简?吉美观性、结构高效经济性和富于技术创新;性，值得进一步深人全面研究与推广应用，为我国经济建设的高质量发展服务。
1.2结构形式与技术特点
大跨度钢结构中，两端简支的钢桁架结构上弦受压、下弦受拉，悬？t;结构上弦受拉、下弦受压。预应力钢结构是在受拉区布置索单元，并通过张拉索单元，在结构体系中建立一种与外部荷载方向相反且自平衡的预应力等效平衡荷载，有效降低钢结构内力和变形，从而减小结构高度、提高结构性能、节省钢材用量并降低工程造价。目前，预应力钢结构体系种类还没有确切的划分方法，本书以预应力索单元在结构体系中的作用形式将其划分为预应力钢桁架结构、张弦结构和整体张拉结构类。
1.2.1预应力钢桁架结构
预应力钢析架结构是在析架主弦杆所在受拉面内附加设置拉索的一类结构体系，主要包括预应力悬挑钢桁架结构、预应力简支钢桁架结构和塔柱-拉索-钢桁架结构等。大悬衫&钢桁架结构的拉索设置在桁架的上弦，两端简支钢桁架结构的拉索设置在析架的下弦’多跨连续钢桁架拉索采用中间支座设置于上弦、跨中设置于下弦的布置方式。20世纪50!60年代，一些设计师将桥梁的塔柱-拉索-钢桁架结构移植到大跨度建筑中，其传力特点是将屋盖的荷载通过吊索及塔柱传递至下部结构或地基基础。
预应力钢桁架结构的索单元截面尺寸和导人的预应力相对较，结构受力仍以钢结构为主，预应力起改善结构性能的辅助性作用。典型结构工程有1977年建成的苏联伏尔日斯克商业中心，它是世界上*例预应力网架结构工程；1994年建成的四川省攀枝花市体育馆，它是世界*例多次预应力钢网壳结构工程。
1.2.2张弦结构
张弦结构一般是指以索单元直接代替钢桁架下弦拉杆的一类结构体系，主要包括平面张弦梁、空间张弦桁架和弦支穹顶结构等形式。张弦结构是通过张拉下凹预应力索’对撑杆产生向上等效平衡荷载的结构体系。
张弦梁结构是日本Saitoh教授于20世纪80年代初提出的’由上弦刚性构件、下弦柔性拉索和中间钢撑杆组成[6]。平面张弦梁的平面外稳定控制难度较大，为此发展出上弦为两根弦杆、腹杆为V形撑杆、下弦为拉索和上弦为三角形桁架、腹杆为单根撑杆、下弦为拉索两类空间张弦桁架体系。平面张弦梁建筑空间简洁，深受建筑师喜爱，1999年建成的上海浦东机场航站楼屋盖采用了93m跨度的平面张弦梁结构，该项目的建成对我国预应力钢结构的推广应用起到了明显的推动作用。
弦支穹顶是由日本川口卫教授提出的，1994年在光丘穹顶项目（跨度35m）得到应用[7]。在竖向荷载作用下，弦支穹顶上弦钢网壳产生径向外推力，而下弦径向索施加向内预应力，形成了总体荷载效应平衡的高效率几何力学体系。弦支穹顶兼具建筑空间简洁、结构效率高的特点，但传统弦支穹顶下弦径向索呈向心放射状布置，与环索切线为几何垂直关系，在风、雪等不对称荷载作用下存在扭转失稳风险，限制了弦支穹顶在实际工程中的应用。2008年北京奥运会羽毛球馆项目中，将径向索改成V形，解决了这个难题，建成了世界上*个跨度93m的真正意义上的大跨度弦支穹顶结构。
1.2.3整体张拉结构
整体张拉结构是通过结构几何形态优化以及预应力的导人，使结构上、下弦均处于受拉状态，并以索单元代替型钢构件，形成上、下弦均为索网’仅腹杆为钢压杆的一种新型结构体系，主要包括索穹顶结构和开口式整体张拉索膜结构。
索穹顶结构源于美国建筑师Fuller所提出的张拉整体结构理念9，通过预应力技术’尽可能减少受压构件，从而使结构处于连续的张拉状态，实现“压杆的孤岛存在于拉杆的海洋中”的理想结构。但是’张拉整体结构理念自提出之日起，除用于城市艺术雕塑与模型试验研究外，并没有建成功能性建筑。20世纪80年代，美国结构工程师Geiger对Fuller对张拉整体结构理念进行了拓展，他们认为空间的跨越可以由连续的张拉索和不连续的压杆完成，并提出了一种由内层径向索、环索、撑杆和外层径向脊索、谷索构成，向内锚固于中心点刚性拉环，向外锚固于外周受压钢环梁（桁架），通过施加预应力形成可承载的索穹顶结构。1986年，索穹顶结构*次成功应用于第二十四届夏季奥林匹克运动会体操馆（跨度119.8m）。1989年，位于佛罗里达州的太阳海岸穹顶（跨度210m）建设完成。2012年，内蒙古伊金霍洛旗全民健身体育活动中心（跨度71.2m）建设完成[11]，这也是我国**座大跨度索穹顶结构工程。
索穹顶结构的内部空间实现了Fuller提出的张拉整体结构理念，但是如果没有外周受压钢环梁（桁架）的支撑’整体将无法成为稳定结构。因此，从几何力学概念方面看，索穹顶并不是理想状态的张拉整体结构。索穹顶在预应力张拉前是不稳定的机构，从机构到结构的预应力张拉过程是工程建造与承载安全的关键。受限于施工力学非线性分析技术及施工张拉同步控制技术，索穹顶结构发展前期基本采用“临时支撑、分批张拉、逐次成型”的建造方法，费时、费工且施工过程安全风险大。近十年来，随着非线性分析方法和张拉同步控制技术的发展，索穹顶建造实现了“地面组装、整体张拉、一次成型”，成为真正意义上的建设与承载高效率结构。索穹顶的几何力学原理和预应力整体张拉成形方式均有别于张拉整体结构，为此将该类体系定义为预应力整体张拉结构。尽管整体张拉结构只在内部实现了张拉整体结构的几何力学理念，外周钢环梁的用钢量甚至会大于内部所有结构的用钢量，但是索穹顶结构总体用钢量仍比传统大跨度钢结构节省50%以上，且具有简洁流畅的建筑美学效果，成为现代大跨度体育建筑的主要体系之一。
20世纪90年代预应力整体张拉结构得到了进一步拓展，将索穹顶中心点刚性拉环扩展为大口径柔性内环索，与外周钢压力环及径向索网构建出建筑造型丰富、结构轻巧的开口式整体张拉索膜结构，广泛应用于体育场罩棚。不同于索穹顶结构在我国应用滞后的情况，开口式整体张拉结构在我国率先得到了应用，如1999年建成的青岛颐中体育场、2002年建成的芜湖市体育场、2006年建成的佛山世纪莲体育中心体育场、2011年建成的深圳宝安体育场、2013年建成的盘锦市体育中心体育场、2017年建成的长春奥体中心体育场等，其中芜湖市体育场、盘锦市体育中心体育场等罩棚内部无钢压杆，为开口式全索系整体张拉结构。
1.2.4技术特点
预应力技术在钢筋混凝土结构中的作用主要有两个方面，一是发挥预应力钢绞线高强度性能，减少用钢量，二是控制混凝土裂缝，从而减小构件尺寸。预应力钢绞线的几何尺寸（刚度）与钢筋混凝土构件相比很小，张拉钢绞线过程中结构的变形较/J、，预应力对钢筋混凝土结构的作用效应也仅局限于构件层面。预应力技术对钢筋混凝土结构以改善优化构件性能为主要目标’其预应力单元尺寸、预应力值、预应力施加程度及张拉过程基本是可以预测和直接检测验证的。
预应力技术在钢结构中的作用主要体现在:充分利用索材料的高强度潜能，减少结构用钢量，实现良好的经济性"周整结构的内力分布，降低构件的局部应力峰值，改善结构的力学性能;提高结构等效刚度，减/J、结构高度或结构变形，并提高体系稳定性能;构**的结构体系和建筑形态，满足建筑功能和美观要求。预应力钢桁架结构的预应力作用效应与预应力混凝土结构基本类似，然而张弦结构和整体张拉结构的预应力作用效应主要体现在结构体系层面，这是预应力钢结构技术与预应力混凝土结构技术显著不同的特点。
13钢结构稳定性能设计概述
!3.1性能化设计方法
从结构设计方法的演变和发展过程看，基于性能的设计方法代表了发展方向。性能化设计（performance-based design）是一种运用工程方法达到既定结构性能目标的设计方法。通过高效的结构高等非线性分析计算，预测结构在各种条件下，尤其是不同荷载组合作用下的结构响应，从而评估结构性能是否满足业主要求和规范（标准）规定的性能指标。
!3.
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