預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)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(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(jìn)。認(rèn)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(jì)時要求對舊結(jié)構(gòu)和橋梁加固補(bǔ)強(qiáng)，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(jìn)步、工業(yè)發(fā)達(dá)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(jìn)、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(jìn)

　　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(xiàn)最大.他不僅對PSS進(jìn)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(jī)場飛機(jī)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(hù)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。

　　科技進(jìn)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(jìn)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(jì)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(jìn)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(jìn)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?？梢栽O(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(qiáng)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(jìn)行“革命”，而不是在舊有形式上或局部地改進(jìn)。”40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(jìn)行了廣泛系統(tǒng)的研究探索，并在各種類型結(jié)構(gòu)中進(jìn)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(jìn)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(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(rèn)同。進(jìn)一步如何提高PSS的經(jīng)濟(jì)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(jī)技術(shù)進(jìn)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(rèn)為PSS已從初始的探索和試驗階段發(fā)展為樗當(dāng)代先進(jìn)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(qiáng)度理論擴(kuò)展到塑性、疲勞及穩(wěn)定,從平面結(jié)構(gòu)擴(kuò)展到空間體系,從設(shè)計、計算延伸到經(jīng)濟(jì)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(jī)場候機(jī)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(xiàn).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(jì)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(kuò)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(jié)構(gòu),又為圍護(hù)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)δ=1～1.5㎜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(hù)、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(qiáng)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(jìn)步大勢所趨及國際賽事的需要,在工程上也有所進(jìn)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(dá)38%,為PSS學(xué)科的深入發(fā)展做出了貢獻(xiàn).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(yuǎn)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(jī).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(jì)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(kuò)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(kuò)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(jìn)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(jìn)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(qiáng)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(jī)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(jìn);

　　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(dá)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(jìn)一步提高經(jīng)濟(jì)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(kuò)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;