預應力技術在現代建筑結構設計中的應用

摘要：隨著人們消費觀念的改變，對住房和工作環境及消費水平的要求也越來越高，住宅要求有較好的內景，辦公室要求有開闊舒暢的空間，建筑要追求較大的凈高……預應力結構的出現，輕松的實觀了這些要求。預應力砼結構較普通鋼筋筋結構不僅用料省，且使用性能好，但其施瓜工藝復雜，技術要求甚高，在一定程度上阻礙7預應力的進一步發展和推廣應用。通過對各種預應力結構形式的分類說明，和對預應力平板結構優點的重點闡述，分析和比較預應力結構的競爭力所在及其適用范圍，達到預應力技術在建筑工程中推廣的目的。

關鍵詞：預應力；技術；建筑工程；結構

預應力技術從20世紀20年代進入土木工程領域的實際應用至今，已經走過了80多年的歷程。在預應力技術發展的初期，普通的粘結預應力混凝土是主要的結構形式，全預應力混凝土的設計觀念也是工程師們所普遍采用的。隨著預應力技術與材料的發展，尤其在20世紀70年代后，隨著無粘結預應力技術的成熟以及部分預應力概念為工程師們所接受之后，預應力混凝土結構的應用得到了一次飛躍式的發展。至20世紀末，預應力技術又在鋼一混凝土組合結構、鋼結構，尤其是空間鋼結構得到廣泛的應用，不僅拓寬了預應力技術應用的領域，還涌現出了日新月異的新結構體系。

一、我國預應力砼技術取得主要成就

1、預應力砼張拉錨固技術的發展

六、七十年代，我國研究開發了多種中低強度預應力砼筋張拉錨固技術，主要有螺絲端桿錨固技術、高強鋼絲敏頭錨體系、JM錨體系、弗氏錨體系等。七十年代中期，編制出版了常用預應力砼錨夾具定型圖冊。

八十年代中后期，我國技術人員跟蹤國際先進水平，成功地開發了預應力砼鋼絞線群錨張拉錨固體系，較好地解決了預應力砼施工中的關鍵技術，特別是大噸位(200—10000kN級)預應力砼錨具及配套張拉設備，達到了國際先進水平，1988年該成果被《科技日報》評選為1987年度全國十大科技成就之一。

2、無粘結預應力砼成套技術

八十年代中期，我國開發研制成功的無粘結預應力砼筋涂包設備、單根鋼絞線張拉錨固設備、無粘結預應力砼結構設計技術規程等配套技術，促進了我國建筑工程中現澆預應力砼結構的發展。近二十年來，無粘結預應力砼結構累計推廣使用面積達到一千萬平方米以上，出現了一大批有代表性的、達到國際先進水平的工程項目。

3、斜拉索產品成套技術

八十年代中期，我國開始興建大跨度預應力砼斜拉橋，為解決工程需要，上海浦江纜索廠與多家科研設計單位配合，建成了我國最大的斜拉橋纜索成品生產線，使我國的斜拉橋技術達到世界領先水平。

4、設計理論及標準規范的發展

早期的預應力混凝土結構設計理論是按全預應力方法設計，八十年代初期以后，發展了部分預應力砼設計理論，目前預應力砼工程相應的規程規范已基本配套。主要有材料方面的預應力混凝土用鋼絲、鋼絞線標準；無粘結預應力砼筋標準；專用油脂標準；預應力砼筋用錨具、夾具、連接器產品標準及應用技術規程；各種預應力砼設備及產品標準；各種結構設計及施工規范。

二、預應力平板結構的應用

傳統的普通鋼筋混凝土梁板結構體系，需在柱間及隔墻下設置框架梁和次梁，這必然導致室內明梁縱橫交錯，降低了樓層的有效高度，影響了室內美觀和使用功能，裝修也較難處理；由于室內明梁的存在，隔墻布置的任意性受到限制，室內功能的重新調整比較困難，而一棟建筑物在其50年甚至70年使用期內都不需對空間重新分隔和變換使用功能是很難想象的，特別是一般的商場建筑及辦公樓建筑。若設計中樓蓋體系采用普通鋼筋混凝土平板結構或預應力平板結構，以上問題則迎刃而解，工程若采用普通鋼筋混凝土無梁平板結構，由于內隔墻較多，附加荷載較大，要使普通鋼筋混凝土平板的裂縫控制等級及撓度滿足規范要求，計算所需板厚較厚，同時普通鋼筋用量也較大，不經濟。因此，為了提高整個樓蓋的抗裂性能，減薄板厚，減輕結構自重，提高其使用功能，采用近年來在大量工程中得以廣泛應用的現代高效預應力混凝土結構技術，將整個樓蓋設計為后張部分預應力混凝土無梁平板結構是一個良好的選擇。這種預應力無梁平板，除在樓板周邊保留必要的邊梁和在局部少數有隔墻的地方及洞口邊緣保留梁之外，室內明梁全部取消，僅在必要的地方設暗梁以改善樓板的受力性能，每單元整個室內頂板為一整塊的平面。

這種結構具有各種預應力結構的許多共性，其優點主要有：

1、有利于減少地下室埋深及基坑開挖深度

對于有地下室的大型建筑或高層建筑，常常把地下室作為車庫或商場。底板、頂板均可做成預應力平板；局部配電房，發電機房等需層高較高者，可局部下挖，使之達到設備高度要求；這樣，在地下室中，則降低了層高，減少了水壓力，減少了底板支模工序及基坑開挖深度，減少了外墻砼用量，從而降低造價。

2、利于增加建筑物樓層的凈空高度或者減少層高

3、利于改善結構的使用功能現在業主根據自己的愛好，經營商品的組成變化，需要對商場及辦公樓進行重新分隔的現象比較普遍，甚至在不同時期因業主的變化，都會有不同的間隔要求。預應力樓板對用途的改變極容易適應，在任意位置均可以設置隔墻，方案可以是多種多樣，可給用戶最大的自由度，使房屋使用功能及檔次得到很大的提高，是房屋銷售的一大賣點。

4、具有優越的抗裂性，減少鋼筋用量，降低結構的造價。

在預應力混凝土結構種預應力筋可產生一個向上等效荷載，同時在板中產生一個軸向壓力，使平板剛度提高，撓度大大減少，抗裂性能也大為提高。采用預應力混凝土無梁平板結構可以降低結構的造價。

三、有梁大板框架(或剪力墻)結構的應用

有梁大板結構是柱子于柱子之間布明梁，大板上布置隔墻的結構體系。這種結構干平板結構有很多相似之處，柱距比較大，由于省去了次梁，避免了室內錯綜復雜的次梁，內景好，增加凈空，抗裂好，省材料省模板和拆模人工，施工快速等優點。若這種大板配合預應力寬扁梁使用，則也能很大限度的減低層高或提升層凈高，如9米跨的預應力寬扁梁可以做到450mm高，比做普通預應力梁650mm少200mm高，比普通混凝土梁800mm少350mm。

由于結構種還帶有明梁，結構仍然屬于框架或剪力墻結構，可以用于平板結構所不太適宜的高層或抗震設防烈度比較大的地方。

有梁大板結構適合用于住宅和辦公樓，尤其是住宅，不設次粱，既避免了室內難看的次梁景觀，也利于住戶自行隔斷房間以實現不同的功能，即使更換了新住戶，改造房子時仍然可以再次自行布置房間。長沙市高12～16層的亞華住宅小區和16層的湘名園住宅小區都是采用這種結構形式的，住宅的使用功能得到了住戶的一致好評。當然這種結構體系仍然適合用于商場等公共建筑。

四、轉換層結構中的應用

最近我國高層建筑發展迅速，且多為多功能綜合性建筑，需要大柱網、大空間的公共設施在下部，從受力的角度講這是不合理的，解決這種矛盾的最常用方式就是設置結構轉換層。隨著預應力技術的逐漸成熟，預應力材料及施工費不斷下降，即使用材料等強代換的概念從經濟上來比較預應力混凝土結構與鋼筋混凝土結構，在許多情況下后者并不比前者經濟。因此我國高層建筑轉換層結構中采用預應力技術的情況越來越多。

預應力技術經過了幾十年的工程實踐和不斷研究，已經是比較成熟的一項工程技術，在今后的發展中，還將日臻完善。工程實踐告訴我們，預應力技術以種種優勢，在某些建設領域有著強大的生命力和競爭力，甚至在其還未完全占領的領域仍然具有強大的發展力。