預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展五十年

預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展五十年摘要： PSS發(fā)展至今已有五十年，它從用鋼筋加固舊有結(jié)構(gòu)物發(fā)展到現(xiàn)代多種多樣的張拉結(jié)構(gòu)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(xué)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(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)（PSS）學(xué)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(fù)生產(chǎn)，重建經(jīng)濟時要求對舊結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中引入預(yù)應(yīng)力的預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)學(xué)科。隨著科技進步、工業(yè)發(fā)達的步伐，20世紀(jì)末期在涌現(xiàn)大量新材料、新技術(shù)、新理論的推動下，PSS領(lǐng)域中產(chǎn)生了一批張拉結(jié)構(gòu)體系，它們受力合理，節(jié)約材料，型式多樣，造型新穎，應(yīng)用廣泛，成為建筑領(lǐng)域中的最新成就。PSS學(xué)科從初始的簡單節(jié)材思想發(fā)展到現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力張拉鋼結(jié)構(gòu)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(xùn)才能指導(dǎo)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： （一） 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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中已應(yīng)用多年的預(yù)應(yīng)力技術(shù)移植到鋼結(jié)構(gòu)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(xué)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(shè)計并建造了布魯塞爾機場飛機庫雙跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)鋼桁架門梁結(jié)構(gòu)(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(biāo)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(jié)構(gòu)中采用預(yù)應(yīng)力新技術(shù)也遭到一些專家學(xué)者的非議與反對,并在刊物上展開激烈辯論.反對者指責(zé)PSS中帶來許多傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)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(yù)應(yīng)力拉索易腐蝕,增大養(yǎng)護費用;由于構(gòu)件截面減小結(jié)構(gòu)撓度加大,不適用于許多結(jié)構(gòu),如橋梁;一些施加預(yù)應(yīng)力的方法引起過大的次應(yīng)力,甚至超過荷載應(yīng)力等等.雖然更早就有在鋼結(jié)構(gòu)中采用預(yù)應(yīng)力的做法,如在橋梁中的懸索張拉結(jié)構(gòu)等,但在50年代中開展的這場學(xué)術(shù)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(yù)應(yīng)力砼結(jié)構(gòu)的本質(zhì)差別，告訴大家不要用預(yù)應(yīng)力砼中的設(shè)計思想和概念來看待新興的PSS學(xué)科?？萍歼M步總是不以人們的主觀愿望為轉(zhuǎn)移的，在一片質(zhì)疑聲中PSS學(xué)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(yù)應(yīng)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(jié)構(gòu)的體系中引入預(yù)應(yīng)力進行的，科學(xué)研究的內(nèi)容也限于預(yù)應(yīng)力基本構(gòu)件的分析與試驗，最佳預(yù)應(yīng)力效果的結(jié)構(gòu)體系并未創(chuàng)建。 在中國國民經(jīng)濟建設(shè)的“一五”、“二五”時期，節(jié)約鋼材提高結(jié)構(gòu)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(dāng)時清華大學(xué)對預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力桅桿塔；哈爾濱工業(yè)大學(xué)進行了預(yù)應(yīng)力鋼屋架及鋼梁的研究，并主持了預(yù)應(yīng)力輸煤鋼棧橋的設(shè)計與實驗工作；西安冶金建筑學(xué)院對預(yù)應(yīng)力鋼桁架等開展過研究，并將成果應(yīng)用于國內(nèi)式礦企業(yè)。1959年曾由冶建院主持召開過一次PSS學(xué)術(shù)會議。國內(nèi)廠礦中也采用過一批預(yù)應(yīng)力鋼吊車梁及多座預(yù)應(yīng)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(jié)構(gòu)體系上，型式簡單，結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)，未能在PSS的學(xué)科上取得突破。作者在總結(jié)國內(nèi)外結(jié)構(gòu)型式與預(yù)應(yīng)力技術(shù)的特點后于1959年得出下列結(jié)論：“這種新型結(jié)構(gòu)既不是建立在普通結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，更不是普通結(jié)構(gòu)中個別桿件的改善，而是重新建立完全區(qū)別于普通結(jié)構(gòu)圖形的新式結(jié)構(gòu)體系。可以設(shè)想，在這種結(jié)構(gòu)體系中具有最多數(shù)量的柔性拉桿，這些拉桿由于預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力”在鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域里進行“革命”，而不是在舊有形式上或局部地改進?！?0多年前對PSS最佳型式的描述預(yù)測雖在國內(nèi)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(jié)構(gòu)以及2002年世界杯足球比賽場看臺天蓬結(jié)構(gòu)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(xué)科在已有的傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)體系中進行了廣泛系統(tǒng)的研究探索，并在各種類型結(jié)構(gòu)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(yù)應(yīng)力技術(shù)對鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)創(chuàng)新奠定了科學(xué)基礎(chǔ)。產(chǎn)基學(xué)術(shù)講座與爭辨中澄清了非議，深化了學(xué)科，更加明確了前進方向。 （二） 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(jié)構(gòu)體系及構(gòu)造、施工設(shè)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(xué)者們的關(guān)注問題。在此時期土建領(lǐng)域中出現(xiàn)兩件大事：一是電子計算機技術(shù)進入計算、設(shè)計（CAD）與制造（CAM）領(lǐng)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(jié)構(gòu)，如網(wǎng)架、網(wǎng)殼、砼薄殼、折板、懸索及塑膜結(jié)構(gòu)等新型承重體系及張拉結(jié)構(gòu)體系，其靜、動力性能良好，造型新穎獨特，一個時期風(fēng)靡世界，我國亦不例外。PSS學(xué)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(yù)應(yīng)力金屬結(jié)構(gòu)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(xué)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(xué)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(dāng)代先進工程技術(shù)水平的一門新興學(xué)科，必將給結(jié)構(gòu)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(yù)應(yīng)力承重金屬結(jié)構(gòu)一書,為學(xué)科的全面、系統(tǒng)發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ).同年前蘇聯(lián)又出版了預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程,成為本學(xué)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(jié)構(gòu)學(xué)科的研究同步、發(fā)展從結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)擴展到空間體系,從設(shè)計、計算延伸到經(jīng)濟學(xué)、可靠主芨優(yōu)化成形理論.70年代蘇聯(lián)科學(xué)院院士H.JI.Mejibhnkob教授提出的“結(jié)構(gòu)成型理論”指導(dǎo)了1980年莫斯拉奧運會體育場館系列PSS屋蓋的設(shè)計，誕生了一批鋼懸膜結(jié)構(gòu)，鋼張力模塊體結(jié)構(gòu)等預(yù)應(yīng)力空間體系。尤其理論中“集中使用材料”及“兼并功能”兩項設(shè)計原則對以后預(yù)應(yīng)力現(xiàn)代空間鋼結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展與繁榮產(chǎn)生重大影響。在此時期預(yù)應(yīng)歷程技術(shù)從傳統(tǒng)平面鋼結(jié)構(gòu)體系中走出，與廣泛采用的優(yōu)秀空間鋼結(jié)構(gòu)相結(jié)合，衍生出預(yù)應(yīng)力這僮鋼結(jié)構(gòu)（PSSS），如預(yù)應(yīng)力網(wǎng)架、預(yù)應(yīng)務(wù)網(wǎng)殼、預(yù)應(yīng)力立體桁架、預(yù)應(yīng)力空間張弦梁結(jié)構(gòu)等等，同時張力“零剛度”桿件也在找尋自己的最佳結(jié)構(gòu)型式。瑞典工程師Jawerth.D推出一種全部由預(yù)應(yīng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu).這類結(jié)構(gòu)具有突出在屋面上的承重結(jié)構(gòu)與吊索,建筑造型與傳統(tǒng)者相異,又稱之為“暴露結(jié)構(gòu)”,也是人們想在建筑結(jié)構(gòu)上廣泛應(yīng)用“零剛度”桿件的試探.因此初始的吊索結(jié)構(gòu)(Cable-supported structure)多是平面體系.60年代德國F.Otto教授成功設(shè)計了空間“零剛度”桿系_全部為張力索的索網(wǎng)結(jié)構(gòu),并應(yīng)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(jié)構(gòu)的整體張拉索系.之后Otto又創(chuàng)造了一種以格構(gòu)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(jié)構(gòu)支承屋蓋體系提供了借鑒模式. 在傳統(tǒng)空間鋼結(jié)構(gòu)與預(yù)應(yīng)力技術(shù)結(jié)合上許多國家都做出過貢獻.20世紀(jì)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(yù)應(yīng)力的平板網(wǎng)架,南斯拉夫亦在網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中以支座位移法施加預(yù)應(yīng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)有立柱、剛架、拱架、懸索等多種類型,因此“暴露結(jié)構(gòu)”具有豐富多姿的建筑造型,常為現(xiàn)代建筑設(shè)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(jié)構(gòu),有圓形、橢圓形、方形等多種平面形式,用厚度為25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(jié)構(gòu),又為圍護結(jié)構(gòu),體現(xiàn)了“兼并功能”思想.另有三座雙層蒙皮塊體結(jié)構(gòu),是在一對桁架的上下弦平面上覆蓋張力態(tài)=11.5的鋁合金或鋼板.上下預(yù)應(yīng)力板皆參懷結(jié)構(gòu)受力并起著弦桿平面內(nèi)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu),大大減輕結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)已日漸少用.目前廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外工程中的是張力膜結(jié)構(gòu)(Tension Membrane Structures),因為膜面是連于承重結(jié)構(gòu)鋼索上的覆蓋層,又稱為索膜結(jié)構(gòu),它不受膜面內(nèi)外壓差的影響,且又傳力堅固可靠的鋼陌生是結(jié)構(gòu)之上,因此廣受國內(nèi)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(yù)應(yīng)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(nèi)形勢動蕩而滯后,并且處于我國鋼結(jié)構(gòu)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(nèi)最大的懸索結(jié)構(gòu)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(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力圓形鋼網(wǎng)殼屋蓋,是國內(nèi)外首次應(yīng)用的多次預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)理論聯(lián)系實際振奮型建筑物,省鋼率達38%,為PSS學(xué)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(yù)應(yīng)力鋼筒殼屋蓋,省鋼率28%,兩者都有是空間鋼結(jié)構(gòu)與預(yù)應(yīng)力技術(shù)相結(jié)合的成功典范.但是由于我國在這方面科學(xué)儲備不足,領(lǐng)導(dǎo)層缺乏高瞻遠矚,致使PSS學(xué)科呆滯,發(fā)展緩慢,失去了在北京亞運會上一展風(fēng)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(dāng)時國內(nèi)大力推廣的平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu). 從以上情況可以看出PSS發(fā)展的特征是預(yù)應(yīng)力新技術(shù)與空間結(jié)構(gòu)新體系結(jié)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(shù)經(jīng)濟指標(biāo),可以稱得上是當(dāng)代建筑結(jié)構(gòu)學(xué)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(yīng)用范圍,吊索體系與兩類空間結(jié)構(gòu)的結(jié)合又衍生出多種的暴露結(jié)構(gòu),擴展了無阻擋空間的幅度,提高了結(jié)構(gòu)的功能與效益.而人工合成膜及玻璃等新材料與預(yù)應(yīng)力鋼索新體系相結(jié)合又衍生出以預(yù)應(yīng)力鋼承重結(jié)構(gòu)為主的張力膜結(jié)構(gòu)和下班幕結(jié)構(gòu),極大地豐富了建筑造型和減輕了結(jié)構(gòu)自重.與初創(chuàng)時期相比應(yīng)該說在PSS體系上有了本質(zhì)上的提高與突破. (三)繁榮期(80年代末期21世紀(jì)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(jié)構(gòu)(如砼薄殼,充氣膜結(jié)構(gòu)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(shù)(計算機技術(shù)在設(shè)計,制造,安裝中的應(yīng)用;張拉錨固技術(shù)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(zhuǎn)變與更新,對具有新廳,粗獷等非傳統(tǒng)建筑風(fēng)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(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)的就達13座,占65%,可以預(yù)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(jié)構(gòu)體系上采用預(yù)應(yīng)力技術(shù),例如在平板網(wǎng)架或網(wǎng)殼中引入預(yù)應(yīng)力以改善桿件內(nèi)力峰值或提高剛度,如天津?qū)幒芋w育館,為進一步提高經(jīng)濟效益,可采用多次預(yù)應(yīng)力技術(shù),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(jié)構(gòu),裨上是吊點代替支點以擴大室內(nèi)無阻擋空間幅度,外露于屋面之上的承重結(jié)構(gòu),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; 3. 整體張拉型 就是連續(xù)拉與斷續(xù)壓的構(gòu)思形成的索柱結(jié)構(gòu).早期扔慕尼黑奧運會主賽場館,是外平衡體系,1988年興建的漢城奧運會主賽館及擊劍館為整體張拉索穹頂屋蓋,自重僅14.6/，是建筑結(jié)構(gòu)中前所未有的優(yōu)秀者，屬內(nèi)平衡式，。以后建成1996年亞特蘭大奧運主賽場。近年來在美，德，荷蘭等地又有多座興建。我國目前只在理論上研究，可惜是無工程實踐。 4張弦梁型 由平面張拉梁發(fā)展而成的空間體系。顧名思義張弦梁是預(yù)應(yīng)力索通過撐桿形成中間支點以支承上部剛性梁的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)是PSS的初始形式，上下弦由剛?cè)醿深悧U件通過撐桿相連，具有受力合理，自重輕，加工運輸方便等優(yōu)點。如果跨度增大就可將上弦截面擴大為格構(gòu)式空間形式，如廣州會展中心屋蓋的張弦梁上弦是三根圓管組成的倒三角形截面。張弦梁也可組成正交布置覆蓋矩形建筑平面的張弦梁空間體系。對圓形建筑平面可采用張弦穹頂，是由單層鋼網(wǎng)殼籍預(yù)應(yīng)力拉過通過撐桿進行支承的結(jié)構(gòu)體系； 5張力膜（索膜）型 以拉索系為主承重結(jié)構(gòu)，上面覆蓋張力纖維加強膜，膜面涂料目前有聚氯乙烯（PVC）和聚四氟乙烯（PTFE）兩種，前者性能差，價格便宜，后者力學(xué)性能強，自潔，耐火，抗老化性能都比前者好，但價格昂貴。膜面在張力作用下保持平整挺直；必須具備足夠的張力與曲率以承受風(fēng)雪荷載。雖然70年代初在大孤國際博覽會上膜結(jié)構(gòu)已開始展露風(fēng)采，但大型張力膜得到認同與興建不是80年代中的事。1986年在沙特興建的大型張力膜工程就是發(fā)達國家先進技術(shù)在富有國家“試生產(chǎn)”的產(chǎn)物； 6玻璃幕墻 新型玻璃作為圍護結(jié)構(gòu)裝飾墻面的做法雖亦始自70年代，但初期多在傳統(tǒng)鋼框架上鑲嵌連接而成。而承受荷載的金屬框架耗材量大，金屬強度不能充分發(fā)揮，透光率低。至8090年代后將預(yù)應(yīng)力撐桿式鋼壓桿與玻璃墻面點式連接組成新體系取代了前者，形成了PSS體系中的新品種玻璃幕結(jié)構(gòu)。PSS新體系輕盈，省鋼，通透且美觀經(jīng)濟如近年落成的北京植物園大溫室及清華大學(xué)游泳館等。 7其它型 在不斷創(chuàng)新改進的PSS體系中我國自己開發(fā)的索托結(jié)構(gòu)是斜拉結(jié)構(gòu)的改進，預(yù)應(yīng)力弓式結(jié)構(gòu)適用于可拆卸移動式建筑，安裝簡捷。它們都處于開發(fā)階段。國外已有的工程中尚有適用于站臺、倉庫建筑中應(yīng)用的索弦結(jié)構(gòu)（Cable-string structure）及適用于公路橋梁上的索帶橋（Stressed ribbon bridge）等，它們的應(yīng)用尚有一定局限性。 林林總總，郁郁蔥蔥豐富多樣的預(yù)應(yīng)力張拉鋼結(jié)構(gòu)體系不斷面世，證明了這門學(xué)科的先進性、科學(xué)性及無窮魅力，說明了客觀事物的發(fā)展規(guī)律總是沿著至真、至善、至美的方向前進。雖然我國在1990年北京亞運會的體育場館屋蓋上推出過多的平板網(wǎng)架，顯露了結(jié)構(gòu)類型的單一與技術(shù)儲備的不足。但在90年代里我國的PSSS獲得極大的發(fā)展，尤其近2-3年內(nèi)興建了一批索膜結(jié)構(gòu)玻璃幕結(jié)構(gòu)，為我國PSS空族錦上添花，使大跨建筑五彩繽紛。我國在這一領(lǐng)域已形成了天津大學(xué)、浙江大學(xué)、同濟大學(xué)、貴州工業(yè)大學(xué)等幾個強大的科研群體，為PSS學(xué)科的發(fā)展與深入進行了一解的努力，并取得了可喜的成就。 三、共識與期望 1 未來屬于預(yù)應(yīng)力張拉結(jié)構(gòu)體系 無論從仿生學(xué)角度還是最佳承重桿件型式，無論從理論分析上還是工程實踐中，都有證明軸向受拉桿件和雙向受拉膜面都有是組成最佳結(jié)構(gòu)體系的單元體。這種單元體只有強度、剛度問題，而無穩(wěn)度困擾。由張力單元組成的早期張拉結(jié)構(gòu)，如單向懸索結(jié)構(gòu)，索桁架，金屬懸膜結(jié)構(gòu)已發(fā)展成現(xiàn)代PSS張拉體系，幾乎覆蓋了大跨結(jié)構(gòu)物的整個領(lǐng)域，可以說21世紀(jì)的大跨建筑物中將是預(yù)應(yīng)力張拉結(jié)構(gòu)體系的世界； 2 思維更新與知識更新 預(yù)應(yīng)力技術(shù)不僅改變了傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)中的內(nèi)力分配，而且改變了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成，從而出現(xiàn)了大量與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)完全不同的建筑造型，內(nèi)力分析，制造工藝，施工技術(shù)等?？梢哉f在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中預(yù)應(yīng)力技術(shù)主要應(yīng)當(dāng)是創(chuàng)造新體系的手段，以學(xué)科發(fā)展早期節(jié)約的觀點，甚或以預(yù)應(yīng)力砼結(jié)構(gòu)中的觀點來認識PSS學(xué)科的發(fā)展顯然是有害的。尤其對不了解，不熟悉這一新興學(xué)科的專業(yè)人員更應(yīng)是更新思維，更新認識，以促進這一學(xué)科在我國快速、健康地發(fā)展； 3 加強基礎(chǔ)研究與技術(shù)積累 新學(xué)科誕生必然引發(fā)許多新的理論及技術(shù)問題，如6070年代對剛性空間結(jié)構(gòu)中穩(wěn)定性研究陌生一樣，目前對柔性空間結(jié)構(gòu)中的“剛性”研究也處于起步。應(yīng)及早建立形態(tài)分析中的預(yù)應(yīng)力數(shù)值、曲面曲率、邊界支承條件等因素與曲面幾何形狀的優(yōu)化關(guān)系，提出統(tǒng)一的形態(tài)分析理論，作為發(fā)展張拉結(jié)構(gòu)的理論基礎(chǔ)。開展與基礎(chǔ)理論相對應(yīng)的模型試驗和試點工程以填補我國在整體張拉體系中的空白，盡早實現(xiàn)零的突破； 4 總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)，不斷前進 近十年來我國在這一領(lǐng)域成績顯著與國際水平差距縮小，但由于基礎(chǔ)理論欠缺，專業(yè)知識不足，科學(xué)態(tài)度不夠，在工程實踐中也有過不足和錯誤。為什么總對受力不利的懸臂梁作主承重結(jié)構(gòu)那么青睞？有了北京亞運會綜合館的前車之鑒，還有浙江黃龍體育館的重蹈覆轍？為什么掌握了PSS的特性還會設(shè)計出高跨比只有1/5.6北京西客站預(yù)應(yīng)力鋼桁架,并使主要桿件的應(yīng)力只達容許值的1/21/3?希望以后的工程設(shè)計者實事求是地總結(jié)設(shè)計中的得失并昭示天下,才會避免誤導(dǎo)后生.國家已經(jīng)列入重點課題的索穹頂結(jié)構(gòu),在時間,人力,財力都大量設(shè)入并進行過模型試驗后仍不見工程實踐,“只聽樓梯響,不見人下來”的原因何在?澳大利亞的專利大位移預(yù)應(yīng)力拱架結(jié)構(gòu)國內(nèi)已引進幾座了,但還不見我們同行急起直追,有人甚至還不知此為何物?我們?nèi)绻嗖揭嘹叾甲霾坏?何時才能創(chuàng)新體系,自立于強國之林. 5. 抓住關(guān)鍵，付諸行動 50年來PSS學(xué)科缺乏領(lǐng)導(dǎo)，沒有交流，各以為是，自行其是，沒有分工，放任自流。尤其目前學(xué)科交錯發(fā)展，新材料，新技術(shù)，新工藝，新結(jié)構(gòu)綜合體現(xiàn)，沒有統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)，學(xué)科舉步維艱。即或在同一新技術(shù)下，PSS與預(yù)應(yīng)力砼結(jié)構(gòu)中預(yù)應(yīng)力的目的不同，力度不同，功能不同，疚不同，方法也瑣，兩者難以從屬。因此應(yīng)立即建立學(xué)科領(lǐng)導(dǎo)組織。40年前蘇聯(lián)開展學(xué)科不久，工程不多的情況下，已制定頒布了預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程以統(tǒng)一行動。甸目前工程林立，研究設(shè)計項目繁多，在及時制定我國的預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范上雖未能高瞻遠矚，也應(yīng)該奮起直追提到日程上來了。 表一 初創(chuàng)時期國內(nèi)外主要大型預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)工程 序號 建成年分 國別 工程名稱 承重結(jié)構(gòu)及預(yù)應(yīng)力工藝特征 省鋼率 備注 1 1948 蘇 基輔公路橋 L=28.4m,梁與鋼架混合結(jié)構(gòu),梁懸臂端先敷設(shè)橋面荷載再連接梁端與柱腳處以預(yù)應(yīng)力拉桿形成新剛架體系 降低造價25% 2 1951 英 博展會會標(biāo)塔Skylon H=77m,由梭形格構(gòu)式塔身及兩組索系和三根撐桿組成.撐桿下端千斤頂頂起塔身,在索系內(nèi)產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力,提高塔身剛度 塔尖位移減少34倍 3 1953 美 雷里競技場 67.4m38.7m,橢圓形場地由兩個交叉拱支承馬鞍形交叉索系,索系錨頭以預(yù)應(yīng)力錨在拱圈上,拱腳間用拉桿相連,減少拱腳反力 4 1953 比 布魯塞爾機庫 機庫大門雙跨(76.5+76.5m)連續(xù)桁架在中間柱兩側(cè)廓內(nèi)布索兩組鋼絲束27-64,施加預(yù)應(yīng)力,采用夾具群錨固 12% 降低造價4% 5 1954 德 蒙塔堡公路橋 三跨連續(xù)實腹梁37.8+50.4+37.8m,廓內(nèi)曲線布索張拉 30% 6 1958 蘇 布魯塞爾埔覽會蘇聯(lián)館主附跨12+48+12m,兩立柱頂斜吊掛主跨拱桁架 會后拆運回國 7 1958 比 布魯塞爾埔覽會交通館預(yù)應(yīng)力鋼立柱與梭形鋁屋架鉸接后藉預(yù)應(yīng)力斜撐連成平面剛架,剛架間以十字交叉預(yù)應(yīng)力支撐系保證縱向穩(wěn)定,L=67.5m 8 1958 蘇 某地?zé)o線電發(fā)射塔 H=164m,由撐桿式預(yù)應(yīng)力壓桿單元組成,在單元節(jié)點處以纖索錨固于地面基礎(chǔ) 9 1958 中 在同煤礦輸煤棧橋 L=25m,平等弦鋼桁架廓外布索藉正反扣螺栓施加預(yù)應(yīng)力 20% 是國首建預(yù)應(yīng)力鋼棧橋 10 1959 中 太原鋼廠輸煤棧橋 L=53m,平等弦鋼桁架廓外雙重布索施加預(yù)應(yīng)力 35% 降低造成價30% 11 1959 蘇 羅斯托夫頓河公路橋五跨連續(xù)梁實腹梁,Lmax=147m,在中間支座處上翼緣處用形索張拉 18% 砼用量減少12.7% 12 1960 美 加州冬奧會溜冰館斜立柱頂?shù)鯍熳兘孛嫖萆w鋼梁,跨度91.5m 因使用不當(dāng)已塌毀 13 1960 美 芝加哥國際機場機庫 L=42m,懸臂鋼桁架在上弦樾上布置三組長度不等預(yù)應(yīng)力高強筋,每組2-28.6 12% 14 1960 美 紐約國際機場航站樓 32根實腹梁呈輻射狀布置在橢圓開屋蓋平面以預(yù)應(yīng)力索吊掛于梁兩端 應(yīng)力峰值與撓度減小 15 1961 蘇 明斯克工廠廠房 屋蓋L=42m,鋼屋架支座間直線布索與屋架間懸掛吊車梁以形拉桿聯(lián)合張拉 20% 16 1961 美 紐約多層停車場增層擴建 L=60m平等弦鋼桁架沿正統(tǒng)經(jīng)局部重疊布索張拉 20% 17 1962 蘇 阿拉木圖機場機庫 L=84+84m雙跨簡支弧形鋼桁架，沿下弦全長直線布索45-24張拉 14% 18 1963 美 西部州立大學(xué)體育館 D=94m圓平面有36榀徑向桁架與內(nèi)環(huán)相連，以36騍鋼索將桁架支座相連張拉 表二 發(fā)展時期國內(nèi)外主要大型預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)工程 序號 建成年份 國別 工程名稱 承重結(jié)構(gòu)及預(yù)應(yīng)力工藝特征 單位用鋼量或省鋼率備注 1 1970 蘇 烏拉爾熱電站主廠房屋蓋鋼桁架L=45m及39m，以拉索連拱形屋架支座節(jié)點張拉 2540% 降低造成價1530% 2 1972 德 慕尼黑奧運會體育建筑群覆蓋面積74800的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)群由11根高7080m的巨型鋼柱及若干邊柱支承整體張拉施加預(yù)應(yīng)力 3 1973 澳 悉尼電視塔 H=244m，中央豎筒d=6.7m,由槽鋼組成56根63及114兩組鋼索呈雙曲拋物面形布置并張拉,豎筒受壓與索系形成整體 4 1974 蘇 阿拉木圖某建筑 36m3m6平板網(wǎng)架以強迫位移法在柱頭墊入不同厚度金屬塊以引入預(yù)應(yīng)力 46% 5 1975 中 本溪鋼廠輸煤棧橋 L=49m,平行弦桁架,廓外布索張拉 20% 6 1977 蘇 伏爾日斯克商業(yè)中心 72m72m平板網(wǎng)架支承于周邊柱頭對角線郭外布索,跨中有一對撐桿,索呈折線形 網(wǎng)架高度降為2,高跨比 7 1979 南 斯普利特體育場看臺天蓬 205m47m雙層柱面鋼網(wǎng)殼支座與看臺圈梁強迫就位連接引入預(yù)應(yīng)力 8 1979 中 香港匯豐銀行新樓 H=178.8m,地面43層懸臂桁架吊掛體系將全部恒載傳至8根巨型組合柱后再傳向基礎(chǔ),樓層間立柱由拉桿取代 體系新穎,造價昂貴 9 1980 蘇 莫斯科奧運會體育建筑群其中4座不同平面的預(yù)應(yīng)力金屬懸膜屋蓋,2座預(yù)應(yīng)力金屬膜蒙皮塊體結(jié)構(gòu)屋蓋均為空間鋼結(jié)構(gòu) 10 1980 英 伯明翰國家工程中心展廳 354295屋蓋由9塊平板網(wǎng)架通過周邊三分點處8根立柱吊掛而形成室內(nèi)無阻擋空間 11 1983 德 慕尼黑奧林匹克公園溜冰館橢圓平面104m67m,L=104m,三角截面鋼拱以拉索吊掛兩片HP索網(wǎng)屋蓋 12 1983 英 雷諾汽車公司銷售維修中心整個建筑由單元式吊掛結(jié)構(gòu)組成,面積2萬,預(yù)應(yīng)力撐桿式鋼壓桿及蜂窩梁橫桿組成單元體 13 1984 中 天津?qū)幒芋w育館 42m4m2平板網(wǎng)架,由強迫支座位移法引入預(yù)應(yīng)力 12% 降低內(nèi)力峰值15% 14 1985 日 日本大學(xué)理工學(xué)院體育館 =58m立體鋼桁架,廓外布索施加預(yù)應(yīng)力 50% 15 1986 中 寧夏大武口電站輸煤棧橋 =60m平行弦平面鋼桁架,廓外雙系統(tǒng)布索施加預(yù)應(yīng)國 國內(nèi)最大棧橋 16 1986 中 四川渡市洗選煤廠輸料棧橋雙跨244.5m,簡支平等弦鋼桁架,廓外布索兩次張拉預(yù)應(yīng)力 26% 國內(nèi)首例多次預(yù)應(yīng)力平面結(jié)構(gòu) 17 1986 沙特 利雅得國際體育場看臺天蓬 24個單元體索膜結(jié)構(gòu)組成外徑288m的看臺天蓬,預(yù)應(yīng)力鋼索內(nèi)環(huán)將24個單元體連接,后拉索將單元體錨固于地面 35.8/ 18 1986 中 吉林滑冰館 預(yù)應(yīng)力雙層錯位懸索結(jié)構(gòu),跨度L=67.4m 37/ 19 1987 中 北京華北電力調(diào)度塔 H=117m,塔由d=10m內(nèi)筒及HP索網(wǎng)組成 20 1988 中 江西省體育館 L=88m,=51m砼大拱以垂直吊桿吊掛兩塊37.6m75m梯形平板網(wǎng)架 39.5/ 表三 繁榮時期國內(nèi)外主要大型預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)工程 序號 建成年份 國別 工程名稱 承重結(jié)構(gòu)及預(yù)應(yīng)力工藝特 單位用鋼量或省鋼率備注 1 1988 韓 漢城奧運會主賽場 體育館D=119.79m,擊劍館D=89.92m整體張拉索穹頂屋蓋,上敷纖維加強膜面自重僅14.6/ 2 1990 中 北京亞運會主賽馬館一對大懸壁柱單向,吊掛屋蓋重量,以吊索預(yù)應(yīng)力高速屋蓋結(jié)構(gòu)內(nèi)力 83.4/游泳館 3 1990 中 朝陽體育館 一對懸索結(jié)構(gòu)吊掛一對鋼拱,拱上支承兩片負高斯曲率索網(wǎng),覆蓋面積78m66m 52.2/ 4 1992 西 巴塞羅那奧運會通訊塔 H=288m預(yù)應(yīng)力撐桿式鋼壓桿于塔身中部以六根預(yù)應(yīng)力鋼索錨在基礎(chǔ)上 5 1993 新加坡 港務(wù)局倉庫 120m90m及90m70m平面采用斜拉索吊掛平板網(wǎng)架屋蓋 35.2/ 20.30% 中國設(shè)計 6 1993 美 丹佛國際機場候機廳平面305m67m有17個雙柱式索膜結(jié)構(gòu)單元組成 7 1994 美 亞特蘭大奧運會主賽馬館橢圓形(193m240m)索穹頂屋蓋,沿長軸中央設(shè)置一榀索桁架L=56m.覆蓋加強膜面層 38/ 8 1994 中 攀枝花體育館 八角形雙層網(wǎng)殼穹頂(D=60m),八點支承沿八邊構(gòu)下布過疆次張拉卸載 49/38% 首建成功多次預(yù)應(yīng)力空間結(jié)構(gòu) 9 1994 中 華南理工大學(xué)文體中心圓形平面D=54m,沿圓周16根柱頂?shù)鯍熘醒隓=25m圓網(wǎng)架,分批張拉吊索引入預(yù)應(yīng)力 10 1994 中 泉州僑鄉(xiāng)體育館 L=71m落地格構(gòu)鋼拱由7根直索吊掛兩片平板網(wǎng)架(30m43m)形成彈性支點 11 1995 中 廣東清遠體育館 六邊形雙層扭網(wǎng)殼支承于六根柱上,對角線長93m相鄰支座間布索,兩次張拉,調(diào)整內(nèi)力及剛度 44.3/35.