预应力技术在混凝土结构中的应用

【摘 要】现代混凝土结构工程发展的总趋势是通过不断改进设计、施工方法及采用高强、高性能的轻质材料来建造更为经济合理的结构.高强、高性能轻质材料的发展,对加筋混凝土结构来说尤为重要.混凝土是一种抗压强度高、抗拉强度低的结构材料,它不仅抗拉强度很低,而且很不可靠,它的抗拉变形能力也很小,其脆性破坏没有明显预兆.钢筋混凝土结构利用钢筋来承受混凝土的抗应力,但仍存在两个问题：一是在带裂缝工作状态下裂缝的存在不仅造成受拉区混凝土材料不能充分利用、结构刚度下降和自重比例上升,而且限制了它的使用范围；二是从保证结构耐久性的要求出发,必须限制混凝土裂缝开展的宽度,这就使高强度钢筋无法在钢筋混凝土结构中充分发挥其作用,相应地也不可能使高强度混凝土的作用发挥出来.为了使钢筋混凝土结构得到进一步发展,就必须解决混凝土抗拉性能弱这一缺陷.

为克服钢筋混凝土结构的缺点,经人们长期实践而创造出一种具有广泛发展潜力、性能优良的结构―预应力混凝土结构.本文将围绕预应力混凝土结构技术,主要从发展史、应用领域及其应用前景等方面进行阐述,了解预应力混凝土结构的重要性和发展前景.

【关 键 词】混凝土结构钢筋混凝土预应力混凝土

预应力是预加应力的简称.预加应力能使混凝土在使用状态下成为弹性材料；预加应力能使高强钢材和混凝同工作并发挥两者的潜力；预加应力实现了荷载平衡.

预应力混凝土结构,通常是以预拉的高强钢筋的弹性回缩力对混凝土结构施加一个预设的应力,使混凝土在荷载作用下以最适合的应力状态工作,从而克服混凝土结构性能的弱点,充分发挥材料强度,达到结构轻型、大跨、高强、耐久的目的.

为此本文从以下三方面进行简单的阐述：一是预应力混凝土结构技术发展史；二是预应力混凝土结构技术的应用领域；三是预应力混凝土结构技术的应用前景.

一预应力混凝土结构技术发展史

19世纪20年代,波特兰水泥制成后混凝土问世了.混凝土骨料可以就地取材,混凝土构件易于成型,但混凝土的抗拉强度很小,用途受到限制.19世纪中叶以后,钢铁产量激增,随之出现了钢筋混凝土这种新型的复合建筑材料,其中钢筋承担拉力,混凝土承担压力,发挥了各自的优点.20世纪初以来,钢筋混凝土广泛应用于土木工程的各个领域.从20世纪30年始,出现了预应力混凝土.预应力混凝土结构的抗裂性能、刚度和承载能力大大高于钢筋混凝土结构,因而用途更为广阔.土木工程进入了钢筋混凝土和预应力混凝土占统治地位的历史时期.混凝土的出现给建筑物带来了新的经济、美观的工程结构形式,使土木工程产生了新的施工技术和工程结构设计理论.这是土木工程的又一次飞跃发展.

从19世纪中叶开始,冶金业冶炼并轧制出抗拉和抗压强度都很高且延性好、质量均匀的建筑钢材,随后又生产出高强度的钢丝、钢索.于是适应发展需要的钢结构得到蓬勃发展.除应用原有的梁、拱结构外,新兴的桁架、框架、网架结构、悬索结构逐渐推广,出现了结构形式百花争艳的局面.

钢筋混凝土结构利用钢筋来承受混凝土的抗应力,但仍存在两个问题：一是在带裂缝工作状态下,裂缝的存在不仅造成受拉区混凝土材料不能充分利用、结构刚度下降和自重比例上升,而且限制了它的使用范围；二是从保证结构耐久性的要求出发,必须限制混凝土裂缝开展的宽度,这就使高强度钢筋无法在钢筋混凝土结构中充分发挥其作用,相应地也不可能使高强度混凝土的作用发挥出来.为了使钢筋混凝土结构能得到进一步发展,就必须解决混凝土抗拉性能弱这一缺陷.预应力混凝土结构就是为克服钢筋混凝土结构的缺点,经人们长期实践而创造出来的一种具有广泛发展潜力、性能优良的结构.

在预应力原理和技术运用最广泛的预应力混凝土结构中,通常是以预拉的高强钢筋的弹性回缩力对混凝土结构施加一个预设的应力,使混凝土在荷载作用下以最适合的应力状态工作,从而克服混凝土结构性能的弱点,充分发挥材料强度,达到结构轻型、大跨、高强、耐久的目的.

预应力结构的形式也是多样丰富的,常用的形式有：无梁平板结构、有梁大板框架（或剪力墙）结构、转换层结构、门架结构和吊车梁,以及特殊结构如水池、筒仓、大悬挑结构等.

二预应力混凝土结构技术的应用领域

1.预应力无梁平板结构

传统的普通钢筋混凝土梁板结构体系需要在柱间及隔墙下设置框架梁和次梁,这必然导致室内明梁纵横交错,降低了楼层的有效高度,影响了室内美观和使用功能,装修也较难处理；由于室内明梁的存在,隔墙布置的任意性受到限制,室内功能的重新调整比较困难,而一栋建筑物在其50年甚至70年使用期内都不需对空间重新分隔和变换使用功能是很难想象的.特别是一般的商场建筑及办公楼建筑,若设计中楼盖体系采用普通钢筋混凝土平板结构或预应力平板结构,以上问题则迎刃而解；而工程若采用普通钢筋混凝土无梁平板结构,由于内隔墙较多,附加荷载较大,要使普通钢筋混凝土平板的裂缝控制等级及挠度满足规范要求,则计算所需板厚较厚,同时普通钢筋用量也较大,不经济.因此,为了提高整个楼盖的抗裂性能,减薄板厚,减轻结构自重,提高其使用功能,采用近年来在大量工程中得以广泛应用的现代高效预应力混凝土结构技术,将整个楼盖设计为后张部分预应力混凝土无梁平板结构就是一个良好的选择.这种预应力无梁平板,除在楼板周边保留必要的边梁和在局部少数有隔墙的地方及洞口边缘保留梁之外,室内明梁全部取消,仅在必要的地方设暗梁以改善楼板的受力性能,每单元整个室内顶板为一整块的平面.这种结构具有各种预应力结构的许多共性,其优点主要表现在以下方面.

第一,有利于减少地下室埋深及基坑开挖深度.对于有地下室的大型建筑或高层建筑,常常把地下室作为车库或商场.底板、顶板均可做成预应力平板；局部配电房、发电机房等需层高较高者可局部下挖,使之达到设备高度要求；这样,在地下室中则降低了层高,减少了水压力,减少了底板支模工序及基坑开挖深度,减少了外墙砼用量,从而降低造价.若是把上部结构也做成预应力结构,或选平板结构或选有梁大板结构均能扩大柱距,使柱子和基础数量减少,也增加了室内的净面积.车库可以比上部结构做普通结构多出许多个车位出来,商场则可以摆放更多的货品栏.第二,有利于增加建筑物楼层的净空高度或者减少层高.对于6～9米跨度的楼盖体系,若采用普通钢筋混凝土梁板结构,梁板需要占去700～1000毫米的净空,若采用预应力楼板后,室内明梁取消,板厚为180～200毫米（托板部分总高度300～350毫米）,这样在净空不变的情况下,每层可以减小500毫米以上的层高.

第三,有利于改善结构的使用功能.业主根据自己的爱好或者所经营商品的组成变化,需要对办公楼及商场进行重新分隔的现象比较普遍,甚至在不同时期,因业主的变化都会有不同的间隔要求.预应力楼板对用途的改变极易适应,在任意位置均可以设置隔墙,方案可以是多种多样,可给用户最大的自由度,使房屋使用功能及档次得到很大的提高,是房屋销售的一大卖点.另外,预应力楼板取消了室内明梁,避免了由于管线及通风管道的铺设使层高大大降低的问题,同时也为管道的安装提供较大的方便,预应力平板的分隔墙可以任意间隔,更是解决了各层各户布置均不同带来的普通梁―板结构设计及使用之间的矛盾,这点也为回迁房的分割带来极大方便.

第四,具有优越的抗裂性,减少钢筋用量,降低结构的造价.在预应力混凝土结构中预应力筋可产生一个向上等效荷载,同时在板中产生一个轴向压力,使平板刚度提高,挠度大大减少,抗裂性能也大为提高.采用预应力混凝土无梁平板结构可以降低结构造价.主要原因：一是普通钢筋用量减少.预应力筋强度高（是普通钢筋强度的三至四倍）,且一条预应力筋在跨中作底筋而在支座又弯上做面筋,使预应力筋的使用效率大大提高；有梁板往往以极值代替平均值进行抗弯设计,无梁板直接以平均值进行抗弯设计；无梁板充分利用了混凝土的抗剪能力,较有梁结构箍筋用量省很多；预应力结构不需要为控制裂缝或提高刚度增加普通配筋,裂缝控制要求越高,预应力结构优势越大（如地下室底板、有填土的顶板等）；规范规定的预应力板的构造配筋率比普通板低；有消防车这种特殊可变荷载活动的区域（如有些地下室顶板）无梁结构的纵筋箍筋都比有梁结构省.二是对于车库、商场、仓库、有吊顶的办公楼,可以在柱头处加托板,使结构的断面与弯矩图较充分地协调,大大减少预应力筋用量.三是模板较普通梁板结构少25%～35%,而且预算定额直接费较低.四是无梁板混凝土可用较大粒径碎石,定额价一般较低.

大量的工程实践及对比分析表明,结构选型及设计合理的预应力无梁楼板结构已经不断地改写和涤荡着无梁板结构比有梁板结构造价高的传统观念（这种观念在一般的教科书中都有表述,因此根深蒂固）.

第五,施加预应力后,楼板的模板就可以拆除,施工方便,速度快.采用预应力混凝土平板结构,施工进度可以加快,这主要是因为：预应力混凝土平板结构取消了许多梁,模板用量明显减少,而且模板安装简单方便,节省时间；采用预应力混凝土平板结构后,楼面结构的普通钢筋用量将减少,而且减少的大多是绑扎费时费力的梁钢筋,平板钢筋绑扎快捷方便,预应力筋与普通钢筋的绑扎可以交叉进行,节省时间；当混凝土强度达到设计强度的75%时即可进行预应力筋的张拉,张拉过程中可以照常进行上一层楼面的施工.张拉完成后,即可拆除模板,而预应力张拉不占施工工期,节省了时间.大量工程实例表明并不会因为采用了预应力而增加工期,相反,预应力平板的施工速度要快于一般的梁板体系,这与常规想象有很大的不同.由于以上预应力无梁结构施工省人力、省模板及铺材、模板周转加快、施工周期缩短（从而人工费用减少）的特点,有过体验的土建施工单位更乐于选用这种结构的施工.

2.有梁大板框架（或剪力墙）结构

有梁大板结构是柱子于柱子之间布明梁,大板上布置隔墙的结构体系.这种结构与平板结构有很多相似之处,柱距比较大,由于省去了次梁,避免了室内错综复杂的次梁,因而内景好,增加净空,抗裂好,节省了材料、模板和拆模人工,施工快速等优点.若这种大板配合预应力宽扁梁使用,则也能很大限度地减低层高或提升层净高,如9米跨的预应力宽扁梁可以做到450毫米高,比做普通预应力梁650毫米减少200毫米高,比普通混凝土梁800毫米减少350毫米.

由于结构中还带有明梁,结构仍然属于框架或剪力墙结构,可以用于平板结构所不太适宜的高层或抗震设防烈度比较大的地方.

有梁大板结构适合用于住宅和办公楼,尤其是住宅,不设次梁,既避免了室内难看的次梁景观,也利于住户自行隔断房间以实现不同的功能.即使更换了新住户,改造房子时仍然可以再次自行布置房间.例如,长沙市高12～16层的亚华住宅小区和16层的湘名园住宅小区都是采用的这种结构形式,住宅的使用功能得到了住户的一致好评.当然这种结构体系适同样合用于商场等公共建筑.

3.转换层结构

近年来我国高层建筑发展迅速,且多为多功能综合性建筑,需要大柱网、大空间的公共设施在下部,从受力的角度来讲这是不合理的,解决这种矛盾的最常用方式就是设置结构转换层.随着预应力技术的逐渐成熟,预应力材料及施工费不断下降,即使用材料等强代换的概念从经济上考虑比较预应力混凝土结构与钢筋混凝土结构,在许多情况下后者并不比前者经济.因此我国高层建筑转换层结构中采用预应力技术的情况越来越多,大多数转换层结构形式有成功地采用预应力技术的例子.例如,位于8度抗震设防区高64.2米的刑科楼就是做了跨越2～4层高达4800毫米的预应力转换大梁；宁波浙海大厦,地上52层,地下2层,在6层处设置了2000毫米的预应力厚板和3500×3200毫米的暗梁作为该超高层建筑的转换层；上海乾鸿苑大厦由九座塔楼组成,塔楼在60米左右不等,塔楼扭转48度,上下层错位,采用厚970毫米长约140米宽为40米～70米不等的不规则梯形预应力厚板作为该多塔高层的转换层.

采用预应力技术带来许多结构和施工上的优点,如减少截面尺寸、控制裂缝和挠度,控制施工阶段的裂缝及减轻支撑负担等.只要采用预应力度适当,构造处理得当,预应力结构的抗震是可以得到保证的.并且由于减小了转换构件的尺寸,对抗震也是有利的.4.特种结构及其他

随着公共事业的发展,各种特殊功能的构筑物不断出现,有些特殊构筑物的使用功能及受力性能常常需要预应力技术才能实现,预应力技术在这些特殊功能构筑物中发挥了重要的作用.

第一,预应力混凝土在多层大跨结构中的发展方向.体育建筑在各大中城市兴起,体育建筑的形式多样,风格各异,使预应力技术的应用丰富多彩.例如,南京为承办第三届城运会而兴建的四座体育馆,其关键结构部位都是采用预应力技术；江苏省的仪征化纤体育场、无锡市体育场和南京师范学院体育场的观众席都采用了大悬挑的预应力混凝土雨蓬.随着钢结构的发展,许多雨蓬采用钢结构,可以获得更大跨度,但是造价和维修费用都比较高,所以在适当跨度内预应力混凝土结构还是有很大的优势.

第二,储罐与筒仓.一般地,储罐与筒仓对抗裂要求比较高,预应力技术广泛用于这种结构主要是利用预应力主动轴力来抵抗混凝土拉应力以提高抗裂性能.尤其是圆筒结构,环壁的混凝土只受环向轴力作用,正是预应力最适合的结构形式.绕丝后张预应力混凝土水池在国内应用了几十年,主要采用预压应力来抵消由于水对筒壁产生环向拉应力.这样用高强钢材提高了抗裂性能就可以在同等抗裂条件下减小截面尺寸,带来可观的经济效益.

第三,其他途径的应用.各种用途的塔式结构如电视塔、通信塔、灯塔及各种水塔中预应力技术同样得到了广泛应用.预应力技术基础也不少见,主要形式是预应力条基、箱基和筏基.此外,预应力钢结构、叠合结构中采用预应力的技术也在不断成熟中,工程实例也越来越多.

预应力结构由于优良的结构性能已成为当今最有发展前途的现代结构之一.现代预应力结构的主要特征由原来简单受力结构构建转变为预应力复杂结构,已广泛应用于各种结构材料领域（除大量的混凝土结构外,还应用于钢结构、砖石结构和木结构等）.此外,预应力结构还不断追求自身理论、技术和材料的革新,以最大限度发挥其潜在的性能优势.

三预应力技术的应用前景

1.新材料技术开发应用

预应力砼材料技术的发展从来都是预应力砼技术革命的先驱,预应力砼筋除了目前使用的高强度钢材外,未来新型预应力砼筋应是强度高、自重轻、弹性模量大的聚碳纤维、玻璃纤维和聚醋纤维类非金属预应力砼筋.

2.预应力砼技术在我国房屋建筑中将扮演重要角色

第一,预应力混凝土在多层大跨结构中的发展方向.建筑业是我国国民经济重要支柱产业之一,旺盛的建筑需求,日新月异的生产工艺变革,以及人们对物质文化生活需求的迅速提高,使建筑结构正面临新的挑战.近代建筑结构正在向大柱网、大开间、大跨度、多功能方向发展,人们总想在有限的建筑面积和空间内获得最好的使用功能和最佳的投资回报.预应力混凝土正以其跨度大、自重轻、节约材料、节省层高、改善功能等突出优点,迎合了近代建筑结构的发展趋向.经验证明,8～18米柱网（或跨度）的房屋正处于预应力混凝土建筑结构经济跨度范围内,对于大多数多层工业厂房,各类公共建筑如文化娱乐建筑、体育建筑、医疗建筑、商业建筑、办公建筑、航站建筑等,预应力混凝土结构常常是最佳的选择,它不仅有良好的技术和经济指标,而且能明显加快施工速度.因此,建设部、科技部均将其列为“九五”及2010年发展纲要中的新技术推广项目.

第二,高层建筑结构中预应力混凝土技术发展方向.近年来,预应力混凝土在高层建筑中的应用有很大发展,尤其是无粘结预应力混凝土平板和预应力砼扁梁用于高层建筑的楼盖,具有降低层高,简化模板,加快施工等明显效果,受到建设单位、设计和施工单位的普遍欢迎.预应力混凝土除用于楼盖外,有时还用来解决大跨度、大空间部位柱网转换时的转换梁、转换桁架,以及复杂柱网情况下的转换板.此外8～l8米跨度的预应力混凝土空心板,外墙用的装饰保温复合预应力混凝土墙板在高层建筑中的应用前景也很广阔.目前,高层建筑的外墙材料大都是红砖、小型砌块、实心混凝土或玻璃幕墙等,墙体材料的改革势在必行.

第三,高层建筑结构中预应力混凝土技术发展方向.先张法预制预应力混凝土构件具有工厂化规模生产的各种优点,如质量控制水平高,构件耐久性好,模板周转率高,损耗小；与现场浇注的后张法预应力混凝土相比,省去了留管灌浆工序或无粘结束的注油挤塑工序,省去了管道费用、涂包费用和锚具费用.在道路及运输吊装条件较好,运距不太大（200公里以内）的情况下,预制构件常常有良好的技术经济指标.先进工业化国家中,预制先张预应力混凝土的比例很高,美国占70%～80%,法国、德国约占60%.现代的预制工业是一项极具发展潜力的工业.现代化预制厂的主要生产过程均由计算机控制,高素质的技术工人和高效率施工机械与管理模式保证了产品的高质量,现代预制工业已摆脱了构件品种、规格单一,建筑与结构功能脱节的旧模式.很多工业发达国家的预制构件已能将建筑装饰的复杂多样性以及保温、隔热、水电管线等多方面的功能与预制混凝土构件结合起来,满足用户各种要求,又不失工业化规模生产的高效率.我国目前在这方面的差距很大,国内房屋建筑中最大量的预制构件仍是6米跨以下的空心楼板和工业建筑中的屋架、吊车梁、屋面板等.随着大柱网、大开间多层建筑和高层建筑迅猛发展,长跨预应力砼空心板、T形板、大型预应力砼墙板等必将逐步兴起,预制梁板现浇柱,或预制梁、板、柱与现浇节点相结合的各种装配整体式建筑结构体系预期会迅速发展,这种结构体系可以把预制与现浇二者的优点结合起来,避免纯装配式建筑对产品尺寸的高精度要求,以及结构整体性差和节点耗钢量大等缺点,还避免了现浇结构现场湿作业工程量大,受制于现场施工及气候条件,耗用大量模板、支撑等缺点.在材料消耗上,预制也有显著优点,以8～12米跨度的预应力长跨空心板为例,与无粘结预应力砼现浇平板相比,一般可节约混凝土30%～40%,节约钢材50%～60%,免去涂包和锚具费用,减轻楼面结构自重10%～15%,节省模板、支撑等,经济效益十分显著.3.其他结构领域的发展趋势

桥梁结构领域中,预应力技术既是一种结构手段,又是与施工方法结合形成的一整套以节段式施工为主体的预应力施工工法或专利,主要有预应力悬臂分段施工技术、分段顶推施工技术、移动模架逐孔施工技术、块体节段拼装技术、大节段预制吊装技术等.这些施工技术与预应力技术是紧密相关的.此外,现有桥梁的改造及加固技术亦是预应力技术的研究开发方向.

预应力技术的其他应用也体现了一种施工方法或专利技术,如预应力锚杆技术、重物提升技术、滑模顶推技术等,预应力技术的合理应用可创造一种新型施工方法或专利技术,这亦是它的发展趋势.

4.预应力混凝土结构的可靠性、耐久性和经济性将更为协调一致

当前,我国的预应力混凝土房屋建筑设计水平相对还比较低,丞待完善与提高,主要表现在以下方面：结合预应力混凝土特点对结构的整体布局、概念设计、方案对比、综合技术经济效益的分析研究薄弱,设计理论上过分强调了裂缝对耐久性的危害,对某些预应力砼结构的抗裂要求过严,造成用钢量的显著增加,而对影响耐久性的其他更重要因素如保护层厚度、以及灌浆质量控制,无粘结的全长密封,尤其是锚具封端的严格要求则重视不够.结构分析方面,则常常把普通钢筋混凝土结构的设计准则不适当地套用到预应力混凝土高层建筑结构上.例如,剪力墙框架结构中,由预应力平板与柱构成的等代框架,以及由预应力扁梁、柱构成的框架,由于预应力配筋的方向性以及耗能特点,通常不宜考虑承受过大的地震内力,对这类结构的设计准则应有所区别,但目前有关的规范还都未涉及,有待补充与完善.随着我国预应力混凝土设计队伍的壮大和设计水平的提高,相信在不久的将来,我们将会在一些重大设计理论问题上取得共识,实现可靠性、耐久性和经济性的协调一致.

5.预应力工艺将进―步完善,专用产品质量提高

尽管我国已能大批量生产高强钢材、锚具和各类预应力混凝土用专用机具,但就其质量的稳定性、耐用性及配套性.以及预应力工艺水平而言,与国际先进水平尚有不少差距.预应力混凝土由于其钢材长期处于高应力状态以及材料对机械操作或腐蚀的高度敏感,更值得引起我们对产品质量和施工工艺问题的关注.国际上,英国公路局于1992年9月曾下令暂停在新的桥梁工程中使用后张灌浆预应力混凝土桥,曾引起国际工程界的巨大震动,直到1996年新标准出台后才予以恢复.目前,国际上对后张灌无粘结预应力混凝土的耐久性,以及与保证质量相关的工艺技术均给予高度重视.我国应加强与国际学术界、工程界的交往,广泛吸取他人的有益经验.比如,英国新标准预留管道采用不导电、抗腐蚀且耐久的高密度聚乙烯或聚丙烯塑料波纹管替代金属波纹管,以便提供预应力束的多道空气和水的绝缘屏障,并对灌浆提出更高要求.国外对无粘结筋的防腐蚀要求、全封闭要求和构造细节、质量标准也都很严格,这方面我国还有许多工作要做,技术质量有待提高.此外锚具的生产许可证制度也势在必行.

6.专业预应力砼工程公司将集团化、国际化,施工技术和管理水平大大提高

预应力砼专业化施工已势在必行.我国目前尚处在初级阶段,现有的专业队伍绝大多数技术水平仍然不高,仅仅懂得一般的张拉操作.今后我国应发展大型专业预应力砼工程公司,专业大型的预应力砼工程公司不仅拥有自己的预应力砼专用产品和配套的质量保证体系,有整套的预应力砼专业施工技术和现场怎么写作体系,还应具有研究、产品开发和预应力混凝土结构设计与施工的高水平咨询能力.发展大型集团公司对于促进我国预应力混凝土技术的完善和发展,促进产业化,提高工程质量和降低成本,以及适应市场的国际化趋势,增加竞争能力都是十分必要的.预计经过十余年的努力,我国将会树立起自己的国际名牌预应力体系,建立起能参与国际投标竞争的高水平预应力砼专业公司.