预应力设计

3.1.6　预应力设计

预应力是指结构在工作之前对结构施加的外部作用后产生的初应力，结构在此外部作用下形成的应力状态和主要荷载作用下的应力状态相反，这样，结构在预应力状态下可以抵消或减小外荷载作用下所产生的应力。为了达到这样的目的，可以对结构整体施加预应力使结构整体达到此效应，也可以对单个构件施加预应力从而在单个构件上达到此效应。在施加预应力时要充分利用材料的特性。譬如，在传统结构中，混凝土的抗压强度很高而抗拉强度很低，所以通常对混凝土构件施加预应力，使之在外荷载作用下减少拉应力，如图3.1.5所示的预应力钢筋混凝土梁。因此，预应力设计应根据材料的特性进行设计，考虑是施加预压应力还是预拉应力。

图3.1.5　预应力钢筋混凝土梁

采用预应力技术、在结构中导入预应力的主要目的是为了增加结构刚度，索膜结构从预应力中获得刚度是不言而喻的，但在一般空间格构结构中都可以利用这个概念使结构从预应力中获得刚度。结构从预应力中不仅仅是从材料中获取刚度，其优点是显而易见的，一则可减少材料，二则可在不增加结构质量的同时使结构获取刚度；另外，通过预应力可改变结构的刚度，从而使结构获得最佳的传力路线。所以，在结构中导入预应力就成为空间格构结构设计中的一个组成部分。如果在结构中需要导入预应力，最佳方法是布置一些钢索，在钢索中引入预张力，当然也可以在刚性构件中引入预压力。由于需要采用钢索，因此在一般设计时必然会与索结构相联系。就如前面讨论的张力集成体系作为一种特定的结构类型。张力集成体系主要从预应力中获得刚度，但作为一种结构概念，就未必只有张力集成体系从预应力中获得刚度。

习惯上，当提到预应力时大家总是和索束联系起来。诚然，在很多结构中都利用了钢索，通过在结构中对索施加预应力从而对结构施加一个初始作用来达到希望的效果。但是，在一般的钢结构中也可以直接对结构或某个构件施加预应力，同样可得到很好的效果。图3.1.6是周边支承的网架，如果在网架的某些支承点上施加和竖向荷载相反的强迫位移，在外荷载作用下可以减小结构的内力，这样便是对网架施加了预应力。又如，对钢框架结构或桁架结构，如果通过调整竖杆的长度，对桁架上下弦杆施加预应力，从而提高了结构的刚度。图3.1.7也是通过强迫位移对结构施加了预应力。总之，施加预应力的方法很多。

图3.1.6　在网架支承点上施加强迫位移

图3.1.7　通过强迫位移对结构施加预应力

作为一种结构概念可以运用于任何结构体系中，所以从这个角度讲可以淡化结构类型，因为所谓的结构类型就是用这么几种构件如铰接杆、刚接杆、索或膜等按照一定的力学原理集成而已。预应力技术在空间格构结构的应用也应该是一种原理的应用。

预应力的设计及施加应使预应力能分布到整个结构，从而使预应力对结构提供有效的刚度。

预应力水平的确定是在结构设计尤其是在张力结构设计中的一个关键，预应力水平的确定是所有需导入预应力的结构中特有的问题。德国学者Otto在他的专著中对预应力水平的确定提出过基于经验的建议，但在复杂结构中是很难预估的。预应力水平需要重分析才能寻找到一个合理的预应力水平。在一个张力结构中譬如双曲抛物面的索网结构，它是由承重索、稳定索组成，当导入预应力后，承重索、稳定索都产生了初应力，从而使整个结构获得刚度。当结构承受竖向荷载时，承重索承受荷载而稳定索卸载；而当结构承受反向荷载时，则承重索卸载而稳定索承载。所以，在不同荷载条件下，不论承重索还是稳定索都会经历承载和卸载过程，那么预应力水平的确定就根据不论承重索还是稳定索在承载以后索内力的应力水平与索的破断力相比具有规定的安全系数，同时不论是承重索还是稳定索在卸载以后索内力的应力都小于等于零，根据这两个条件来选择合理的预应力水平。由此可见，如果预应力水平过高，那么索在承载时索内应力也会很高，如果预应力水平太低，那么索会发生松弛，结构发生松弛是应该避免的。以上预应力水平确定的原则可以适用于其他一切张力结构中。

分析预应力时，应将预应力作为初内力或初应力考虑，采用非线性理论在初应力矩阵中反映预应力对结构刚度的贡献，而不应将预应力作为荷载。