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第一篇 总论3

第一章 绪论3

1.1 预应力技术源于生活经验3

1.2　预应力钢结构的发展历程6

1.2.1 初创期（二战后～1960年前后）——探索与前进6

1.2.2　发展期（1960年前后～20世纪80年代中期）——发展与突破10

1.2.3 繁荣期（20世纪80年代末期～21世纪初）——繁荣与创新15

1.3 预应力钢结构的主要特点和经济效益20

1.3.1 预应力钢结构主要特点20

1.3.2　预应力钢结构的经济效益22

1.4 预应力钢结构的适用范围26

1.5　预应力钢结构的发展方向及前景28

参考文献32

第二章　预应力钢结构设计基本原理和方法33

2.1 预应力钢结构的工作机理33

2.1.1 力的重复33

2.1.2　力的转移34

2.1.3 力的质变34

2.1.4 力的优选35

2.2 预应力钢结构的加载方案35

2.2.1 先张法36

2.2.2 中张法36

2.3 多次预应力的特点和基本原理37

2.2.3 多张法37

2.4　施加预应力的主要方法42

2.4.1 拉索法42

2.4.2 位移法44

2.4.3　弹性变形法46

2.5　预应力钢结构的设计计算原则48

参考文献52

第二篇　平面承重结构体系55

第三章　预应力轴心受拉构件的计算和设计55

3.1　拉杆结构构造特点55

3.2.1 先张法57

3.2　拉杆的受力与强度计算57

3.2.2 中张法59

3.2.3　强度验算60

3.3　钢拉杆的整体稳定性61

3.3.1　无膈板钢拉杆的临界荷载值（n=1）61

3.3.2　单膈板钢拉杆的临界荷载值（n=2）62

3.3.3 （n-1）个膈板的拉杆临界荷载值（n=n）63

3.4　应力松弛和内力损失65

3.5 预应力钢拉杆设计算例和经济分析67

3.6　预应力钢拉杆的试验研究和工程应用70

参考文献75

4.1 前言77

4.2　压杆构造与选型77

第四章　预应力轴心受压构件的计算和设计77

4.2.1 杆件组成78

4.2.2 结构选型79

4.3　计算方法79

4.3.1 静力法80

4.3.2 能量法80

4.4 另类预应力钢压杆的计算与分析87

4.4.1 局部预应力钢压杆87

4.4.2　平行索预应力钢压杆91

4.5 预应力钢压杆的试验研究工作92

4.6　预应力钢压杆的工程应用概况95

参考文献96

第五章　预应力实腹梁97

5.1 拉索预应力梁的构造97

5.1.1 简支梁的布索方案97

5.1.2　连续梁布索方案98

5.1.3　梁的截面形式98

5.1.4　梁的节点构造99

5.2　预应力钢梁的弹性计算101

5.3 预应力钢梁的刚度验算104

5.4 预应力钢梁的塑性计算105

5.4.1 荷载作用下的塑性受力105

5.4.2　预应力态下的塑性受力106

5.5　预应力钢梁设计算例107

5.4.3　两种塑性受力状态的比较107

5.6 弹性变形组合梁受力特点110

5.7 支座位移法的预应力连续梁114

5.8　预应力钢梁的试验研究工作116

5.9 国内外工程应用实例120

参考文献122

第六章　拉索预应力钢桁架123

6.1 概述123

6.2　桁架的形式124

6.3　桁架的构造125

6.4　单次预应力桁架的计算与设计126

6.5　预应力立体钢桁架方案设计129

6.5.2　桁架的几何尺寸和腹杆体系130

6.5.1　结构的合理截面形式130

6.5.3　布索方案的选择131

6.5.4　加载方案与荷载划分133

6.5.5　柱距及荷载力度134

6.5.6　桁架构造方案分析134

6.5.7 分析结论136

6.6 多次预应力钢桁架的理论与试验工作136

6.6.1 多次预应力工艺的适用条件136

6.6.2 多次预应力桁架的加载与计算137

6.6.3 多次预应力桁架合理形式探讨142

6.6.4 多次预应力钢桁架模型试验研究146

6.7.1　试验研究工作152

6.7 预应力钢桁架的试验研究与工程应用152

6.7.2　工程应用153

参考文献156

第七章　预应力大跨平面结构158

7.1　预应力拱架结构158

7.1.1　拱架结构的力学特点158

7.1.2　预应力索拱结构体系159

7.1.3　支座位移法Strarch拱架结构161

7.1.4　其他预应力拱式结构165

7.1.5 工程实例165

7.2.1 结构图形及预应力方法167

7.2　预应力框架结构167

7.2.2　预应力效应及经济分析169

7.2.3　预应力框架结构例证分析171

7.3 吊挂结构174

7.3.1 吊挂结构的特点174

7.3.2 吊挂结构的类型174

7.3.3 吊挂结构的设计原则175

7.3.4 吊挂结构的工程实例175

7.4　索绳结构体系178

7.4.1 索弦屋盖结构（String Roof Structure）的应用179

7.4.2　索弦屋盖结构的构造180

参考文献181

8.1 预应力空间钢结构的诞生与发展185

第三篇　空间承重结构体系185

第八章 预应力空间钢结构的特点与分类185

8.2　预应力空间钢结构的特点186

8.3　预应力空间钢结构的类型及典型工程188

8.3.1　传统结构型188

8.3.2 吊挂结构型193

8.3.3　整体张拉型196

8.3.4　张力金属膜型199

参考文献202

第九章　预应力网架结构203

9.1 发展概况及工程应用203

9.2.1　按施加预应力方法分类204

9.2　预应力网架结构的分类和特点204

9.2.2　按网架结构形式分类205

9.2.3　按施加预应力阶次分类205

9.3　预应力网架的布索方案206

9.3.1　布索原则206

9.3.2　布索方案206

9.4 预应力网架静力分析的有限元法208

9.4.1 空间杆单元的刚度矩阵208

9.4.2　空间直线索单元的刚度矩阵209

9.4.3　预应力网架的静力分析209

9.4.4 预应力对网架结构静力特性的影响210

9.5.1　计算模型的基本假定212

9.5　预应力网架的抗震计算212

9.5.2　振动方程及其求解213

9.5.3　动力特性分析213

9.5.4　用振型分解反应谱法求地震反应214

9.6　预应力网架的杆件设计217

9.6.1 预张力分项系数和杆件组合内力设计值的确定218

9.6.2　预应力网架的杆件截面设计219

参考文献220

第十章　预应力网壳结构222

10.1 预应力网壳结构的发展概况、研究现状和工程应用222

10.1.1 发展概况222

10.1.2　研究现状222

10.1.3 工程应用224

10.2　预应力网壳结构的分类和特点225

10.2.1　按建立预应力的方法分类225

10.2.2　按施加预应力的阶次分类227

10.2.3　按网壳曲面的外形分类227

10.2.4　按网格的形式分类230

10.3 网壳的预加应力体系及布索方案232

10.3.1 网壳的预加应力体系232

10.3.2　预应力网壳的布索原则232

10.3.3　各种形式网壳的布索方案233

10.4　预应力网壳的设计内容与要求238

10.5　预应力网壳静力分析的有限元法238

10.5.2　空间梁单元的弹性刚度矩阵239

10.5.1 空间铰接杆单元的弹性刚度矩阵239

10.5.3　索单元的刚度矩阵241

10.5.4　结构总刚度矩阵249

10.5.5　静力平衡方程250

10.5.6 网壳单元内力计算251

10.5.7　程序编制和程序框图252

10.5.8　有关问题的讨论和处理254

10.6　预应力网壳的整体稳定性分析255

10.6.1 概述255

10.6.2　稳定分析的基本假定257

10.6.3　空间铰两节点直线杆单元的切线刚度矩阵258

10.6.4　空间梁单元切线刚度矩阵261

10.6.5　空间两节点索单元切线刚度矩阵270

10.6.6　稳定迭代方程272

10.6.7 求解技术274

10.6.8　临界点的判定和临界荷载的计算280

10.6.9　预应力对网壳稳定性的作用281

10.6.10　不同预加应力体系对网壳稳定性的影响283

10.7　预应力网壳的动力特性及抗震计算286

10.7.1 动力分析的基本假定287

10.7.2　预应力网壳的动力特性分析287

10.7.3　地震作用效应的时程分析法294

10.8　预应力网壳的某些静力特性296

10.8.1　概述296

10.8.2　预应力组合式穹顶网壳的内力分布规律及其变形特点297

10.8.3 预应力组合式双曲扭网壳的内力分布规律及其变形特点300

10.8.4 网壳不同布索方案的预应力效应与比值304

10.8.5 加载顺序的确定和索力力度的选择305

10.8.6　预应力对局部单双层网壳结构构成的作用307

10.8.7 支座约束变化与结构计算简图309

10.8.8　单次预应力与多次预应力不同效应的对比310

10.9 预应力网壳的杆件和节点设计313

10.9.1　杆件设计313

10.10　预应力网壳的制作与施工要点314

10.10.1 网壳的制作314

10.9.2　节点设计314

10.10.2　网壳的拼装315

10.10.3　网壳的安装316

10.10.4 网壳加载和预应力张拉316

10.11 超大跨度预应力空间网壳结构方案分析与经济比较318

10.11.1 概述318

10.11.2　结构形体的优选318

10.11.3　结构体系选择322

10.11.4　预应力问题326

10.11.5　杆件与节点设计328

10.11.6　试设计方案及其技术经济比较331

10.12 我国两座多次预应力钢网壳工程的设计研究与工程实践334

10.11.7　初步结论334

10.12.1 攀枝花体育馆多次预应力钢网壳工程设计与试验研究335

10.12.2 西昌铁路分局体育中心多次预应力钢网壳工程设计及施工364

10.12.3　工程实践的主要经验与结论371

参考文献372

第十一章　张弦结构377

11.1　概述377

11.2　张弦穹顶379

11.2.1 张弦穹顶的特点380

11.2.2　张弦穹顶的研究现状380

11.3 张弦结构（张弦梁和张弦桁架）382

11.4 张弦结构的找形分析384

11.5　张弦穹顶预应力的设定385

11.5.1 预应力力度的设定原则386

11.5.2 静力分析及预拉力的确定388

11.6　张弦穹顶的静力分析389

11.7　张弦穹顶的稳定分析393

11.7.1 网壳稳定性非线性有限元程序的编制393

11.7.2　稳定性算例393

11.7.3　极值点失稳算例393

11.7.4　分枝点失稳算例394

11.7.5　非线性屈曲395

11.7.6　初始缺陷的影响398

参考文献399

12.1　概述400

第十二章 吊挂结构400

12.2　斜拉网架（网壳）结构402

12.2.1　结构选型403

12.2.2　斜拉网架（网壳）结构的有限元分析405

12.2.3　斜拉网架（网壳）结构的设计与施工407

12.3　拱支网架（网壳）结构409

12.4　悬索网架（网壳）结构410

12.4.1 结构选型410

12.4.2　悬索网架（网壳）结构的有限元分析411

12.4.3　悬索网架（网壳）结构的设计与施工412

参考文献414

13.1.1　索穹顶结构的发展415

第十三章　索穹顶结构415

13.1 索穹顶结构的发展、特点和研究现状415

13.1.2　索穹顶结构的特点416

13.1.3　索穹顶结构的研究现状417

13.2　索穹顶结构的分类417

13.2.1　按网格组成分417

13.2.2　按封闭情况分419

13.2.3　按覆盖层材料分421

13.3　索穹顶结构的找形分析422

13.3.1　概述422

13.3.2　空间铰接杆系的分类424

13.3.3　体系的机构位移模态和自应力模态426

13.3.4　体系的几何稳定性判定及其算例427

13.3.5　体系的预应力分布计算及其算例431

13.4　索穹顶结构受力分析的非线性有限元法435

13.4.1　概述435

13.4.2　两节点曲线索的非线性单元437

13.4.3　索穹顶结构的静力平衡方程、解法及其算例442

13.4.4 索穹顶结构动力特性的有限元法分析及算例446

13.5　索穹顶结构在轴对称荷载作用下的实用计算450

13.5.1　计算模型及假定450

13.5.2　基本方程451

13.5.3　静力计算454

13.5.4　动力特性计算456

13.5.5　示例计算457

13.5.6　其他有关计算的处理458

参考文献459

第十四章　索膜（张拉膜）结构463

14.1 概述463

14.2 国外的发展与工程应用466

14.3　膜面材料467

14.3.1　基布的材料467

14.3.2　涂层的材料467

14.3.3　面层的材料467

14.4　膜材料的性能实验467

14.5.1　方案设计469

14.5.2　找形分析469

14.5　索膜结构的分析与设计469

14.5.3　荷载分析470

14.5.4　剪裁分析470

14.6　我国索膜结构的工程实例470

参考文献472

第四篇　特种承重结构体系477

第十五章　预应力轻型钢结构477

15.1 概述477

15.2　轻钢结构的概念及已有形式478

15.3 可采用预应力技术的结构形式480

15.3.1 实腹梁480

15.3.2 蜂窝梁481

15.3.3　轻型桁架483

15.3.4 轴向压杆484

15.3.5 门式刚架485

15.3.6　拱式结构487

15.4　预应力技术简易施工法488

15.4.1 拉索法488

15.4.2　弹性变形法490

15.4.3　强迫位移法490

15.5 预应力轻钢结构的应用与工程实例491

15.5.1 英国因莫斯（Inmos）微型集成电路工厂（1982）491

15.5.2　雷诺汽车公司英国服务中心（1983）491

15.5.4　清华大学预应力轻钢刚架设计（2002）492

15.5.3　德国立体钢管桁架体育馆492

参考文献494

第十六章　预应力高耸钢结构495

16.1 自立式预应力塔架495

16.1.1　预应力无线电塔架496

16.1.2　化工尾气排放塔496

16.2　缆索式预应力塔桅499

16.2.1　预应力标准桅杆塔500

16.2.2　预应力压杆桅塔501

16.2.3　巴塞罗那通讯桅塔502

16.2.4　伦敦国际博览会会标塔504

16.2.5　高压输电线路塔架505

16.3　楼顶塔架508

16.3.1　悉尼广播电视塔508

16.3.2　华北电力调度微波塔509

参考文献510

第十七章　预应力钢板结构512

17.1 概况512

17.2　预应力圆柱筒壳的受力计算513

17.3　预应力筒壳的稳定性515

17.4　预应力竖式储液库设计517

17.5　工程设计与实践518

17.5.1　储氨罐设计518

17.5.3　大型储液库519

17.5.2　竖式高压容器519

17.5.4　大直径管线敷设520

17.6 预应力薄板结构的新发展521

17.6.1　预应力屋盖板521

17.6.2　预应力块体屋架梁522

17.6.3　屋盖薄壳524

17.6.4　悬膜屋盖524

参考文献527

第十八章　预应力桥跨结构528

18.1　概述528

18.2 目的与手段529

18.3　拉索法调整实腹梁内力530

18.4　拉索法在格构梁中的应用532

18.5　平衡重法调整梁跨结构内力533

18.6　采用索桁架穿越超大跨度534

18.6.1 水电工程运料索桥534

18.6.2　输气管道线路桥535

18.7　用拉索提高结构刚度536

18.8　用拉索直接承载537

18.9　用拉索改进与创新钢结构538

18.9.1　扩大传统结构跨度538

18.9.2　改善结构受力方式538

参考文献539

19.1.1 钢结构需加固改建的原因543

19.1 概论543

第十九章　预应力技术加固钢结构543

第五篇　加固与改建543

19.1.2　加固施工态势544

19.1.3　加固技术措施544

19.1.4　加固准备工作545

19.2　加固钢结构的特点与方法545

19.2.1 发展概述545

19.2.2 预应力加固钢结构的优点及分类547

19.3　非高强索的加固方案548

19.3.1 调整荷载简图法548

19.3.2　辅助荷载卸载法549

19.3.4　弯矩卸载法550

19.3.3　支座位移法550

19.3.5　顶压撑杆法551

19.4 利用高强索的加固方案552

19.4.1 用高强索加固结构和杆件截面552

19.4.2　改变结构的计算图形552

19.4.3　改善结构边界条件提高刚度554

19.5　用高强钢材进行预应力加固的设计与计算555

19.5.1 轴向拉杆的计算555

19.5.2　轴向压杆的加固557

19.5.3　横向受弯构件的加固558

19.5.4　用拉索加固桥跨刚度559

参考文献559