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索穹**屋盖为何称作创新型预应力钢结构？
众所周知，承重结构体系中具有三类基本杆件：一是轴向拉杆，二是轴向压杆，三是受弯曲杆。轴向拉杆好，省，可全部发挥材料强度潜力。轴向压杆稍差，受长细比影响折减强度。受弯曲杆差，由边缘应力控制设计，强度只能发挥50%左右。因此，在20世纪50年代末，笔者曾对理想的预应力钢结构体系做过预言：“在这种结构体系中具有多数量的柔性拉杆，这些拉杆由于预应力的作用，既可承受拉力，又可承受压力。基本为轴向受压的杆件代替了受弯杆件……只有这种新型体系的建立，才能利用‘预应力’在钢结构领域中进行‘革命’，而不是在传统形式上或局部地改进“。
所幸而言中，1988年汉城奥运会及1996年亚特兰大奥运会的主要比赛馆索穹**屋盖就证实了笔者的预言。它们的用钢量只有传统结构的1/10或更少，具有大的结构效率和小的结构材料消耗。索穹**采用了大量拉索为主要受力杆件，采用了少量必要的轴向压杆作为拉杆系间的平衡杆。至于受力差的弯矩杆件，则全部从屋盖中摒弃。成为一个名符其实的“零弯矩杆”的横向承重结构体系。与我国的“鸟巢”相比，在各个方面都有天壤之别。经过20年的奋斗，我国的土建工作者终于在2011年，在鄂尔多斯伊盟建造起**索穹**的体育中心。
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预应力钢结构有哪些优点？
预应力钢结构的主要优点有四个。一是可以充分、反复地利用钢材弹性强度幅值，从而提高结构承载能力。传统钢结构的承载力是从材料的零应力状态开始，逐渐加载而达到材料设计强度而终止受力的，其承载力即为结构承受各种荷载的总和。而预应力钢结构承载力则始于预应力产生的负应力状态。预应力钢结构受载后，材料经过负应力→零应力→正应力→设计强度应力，达到结构的承载力终值。所以，结构承载力提高部分是由材料从负应力至零应力这一阶段贡献的。多次预应力钢结构具有多次从负应力至零应力的受载过程，因此，其能多次作出贡献，所以具有更大的承载能力。
二是可以改善结构受力状态，降低应力峰值。譬如，受弯构件中的峰值弯矩，可以通过增加撑杆施加预应力，将部分弯矩转换为轴向力。因此，将弯矩峰值降低，并减小构件截面，甚至利用预应力技术创造出零弯矩的横向结构体系，如索穹**。
三是可以提高结构刚度及稳定性，改善结构的各种属性。预应力产生的结构变形常与荷载下变形反向，因而结构刚度得以提高。由于布索而改变结构边界条件，可以提高结构稳定性。预应力可以调整结构循环应力特征而提高疲劳强度。降低结构自重而减小地震荷载，从而提高其抗震性能等。
四是可以降低用钢量，节约成本。挖掘钢材强度潜力，改善结构边界条件，优化结构杆件、截面尺寸，创新承重结构体系等优势的总和，必然反映在降低钢材总量上。在保证结构承载和使用功能的前提下，节约材料消耗量、降低成本，就是设计人员在本职工作中体现“低碳经济”、“绿色建筑”理念的大事。
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预应力钢结构种类繁多形式新颖，大致归纳为四类：
一是传统结构型。在传统的钢结构体系上，布置索系施加预应力以改善应力状态、降低自重及成本。譬如，预应力桁架、网架、网壳等。像天津宁河体育馆、攀枝花市体育馆及北京奥运羽毛球馆的预应力网架、网壳屋盖。目前，国内外的候机楼、会展中心均采用张弦立体桁架也归入此类。另一种是工程中应用已久的悬索结构，譬如，北京工人体育馆、浙江人民体育馆等。其结构由承重索与稳定索两组索系组成，施加预应力的目的不是降低与调整内力，而是赋予与保证结构刚度。
二是吊挂结构型。结构由竖向支承体系(立柱、门架、拱架等)、吊索及屋盖三部分组成。支承体系高出屋面，于其**部下垂钢索吊挂屋盖。对吊索施加预应力以调整屋盖内力，减小挠度并形成屋盖结构的弹性支点。由于支承体系及吊索暴露于大气之中，直指蓝天所以又称暴露结构。譬如，江西体育馆、北京朝阳体育馆、杭州黄龙体育场及长春体育场等。
三是整体张拉型。属创新结构体系，跨度结构中摒弃了传统受弯构件，全部由受张索系及膜面和受压撑杆组成，其屋面结构轻，设计构思新颖，是先进结构体系中的*，譬如，汉城及亚特兰大奥运主赛馆、慕尼黑奥运体育馆建筑群以及内蒙古自治区鄂尔多斯伊旗索穹**体育中心。
四是张力金属膜型。金属膜片固定于边缘构件之上，既可作为围护结构，又作为承重结构参与整体承受荷载。或在张力态下，将膜片固定于骨架结构之上，形成空间块体结构，复盖跨度，两者都是在结构成型理论指导下诞生的预应力新型体系。此类型已应用于1980年莫斯科奥运会的几个主赛场馆中，国内尚未建成此类结构体系。
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预应力钢结构具有众多优点，源于什么机理？
预应力钢结构与普通钢结构相比，具有承载力高、稳定性好、刚度大、用材省等优点。这些特征来源于其人为的工作机制，具体表现在5个方面。一是力的抵消。构件内荷载应力可以被与之反向的预应力部分抵消，因而降低应力峰值，提高构件承载力。二是力的转移。构件内荷载应力可以通过施加预应力而转移到高强钢索或其他高承载力的部件上去，从而降低设计应力值。三是力的重复。在构件弹性强度幅值内，可以反复受力，多次地利用材料强度潜能，提高构件承载能力。四是力的质变。借助预应力体系可将构件内不利的弯矩力转换为有利的轴向拉力和压力，因此节省用料。五是力的优选。可以选用全拉索的结构体系，赋予预应力后，结构具有足够刚度的几何不变体系，高效承受荷载。
预应力钢结构既然是一门新的学科，其结构设计应具有哪些新的内容？
预应力钢结构是一门新的学科，其是在钢结构的基础上引入预应力而发展起来的。预应力钢结构设计的基本内容包括九点：一是结构选型与优化；二是施加预应力方法的选择与论证；三是布索方案的经济分析；四是张拉阶次与力度设计；五是结构体系静力和动力计算与分析；六是预应力损失及对结构影响；七是结构构件及节点、锚具设计；八是结构模型试验及分析；九是张拉工艺研究及施工模拟计算。
由此可见，预应力钢结构比传统钢结构的设计内容多，但只要掌握了预应力技术的特点，选定了合理的施加预应力方案及工艺，是不难完成的预应力钢结构设计的。
预应力损失怎么产生的？有什么影响？
预应力损失主要来源于4个方面。一是钢索、拉杆在受力状态下，长度增加导致松弛；二是锚具、垫板压实而产生的位移；三是多束钢索排序张拉时，后序索张拉对前序索内力的削弱影响；四是折线和曲线拉索在端头、折点等处，因接触面摩阻力而产生的影响。上述4种预应力损失是可知可计的，都可以在张拉过程中补偿。结构服役后的材料徐变影响，环境温度变化影响，机械损伤后的形变影响等，都是钢结构预应力损失健康监测的主要内容。因为预应力是结构体系中的一个自平衡力系。如果出现预应力损失，力系必定重新调整达到新的平衡，因此引起一些杆件内力增长，则可能是有害的。所以，判断预应力损失对那些杆件产生增加内力的影响至关重要。这也是预应力钢结构在服役期间必须定期检测的主要原因。
对结构可采用下列增加结构或构件的刚度的方法进行加固：
A、增加支撑形成空间结构并按空间结构验算；
B、加设支撑增加结构刚度，或者调整结构的自振频率等以提高结构承载力和改善结构动力特性；
C、增设支撑或辅助杆件使结构的长细比减少以提高其稳定性；
D、在排架结构中重点加强某一列柱的刚度，使之承受大部分水平力，以减轻其它柱列负荷；
E、在塔架等结构中设置拉杆或适度张紧的拉索以加强结构的刚度。
预应力的施加方案有几种？
预应力引入后是长期作用在结构体系中的*荷载。施加预应力的时机及力度要根据结构的类型，内力峰值出现情况，荷载性质及可分性以及施工工艺和条件来确定。一般有3种方法。一是先张法。在承受外载前，结构中已引入与荷载应力符号相反的预应力。例如，商品预应力钢构件，在工厂加工制造过程中就已施加过预应力，在构件中产生了有利的卸载应力场。二是中张法。结构安装就位后，先承受部分荷载（包括自重荷载），再施加预应力以抵消部分荷载应力后，继续承受外部荷载。这是工程中常用的施加预应力的方法，也就是单次预应力法。三是多张法。在结构中多次地引入预应力，加载与施加预应力间隔进行，可以多次利用材料的弹性强度幅值，较大地提高结构承载力，具有高效利用材料的特点。在预应力工艺中称为多次预应力法。但荷载必须是可分的，可分批施加在结构上。
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