預應力混凝土結構在設計和施工中的注意事項

魏生萬

1 預應力在建筑工程中的應用

鋼筋混凝土結構雖然已廣泛用于各種工程結構,但它仍然存在著諸多的不足(例如帶裂縫工作,不能充分利用材料等),尤其對于大跨度結構來說,鋼筋混凝土結構明顯不能滿足其要求,因而混凝土結構的使用范圍受到了很大的限制。預應力混凝土結構的誕生,給土木工程師們帶來了福音。預應力混凝土結構具有剛度和抗裂度高、節省材料、自重小、能減小混凝土的豎向剪力和主拉應力、結構質量安全可靠等優點。因而廣泛應用于單廠的預制構件、多層廠房、高層建筑、大型橋梁、核電站、電視塔和大跨度薄壁結構等。

2 預應力混凝土結構的設計

2.1 對混凝土和預應力鋼材的選用要求

按施工方法分,預應力構件分為先張法構件和后張法構件。由于先張法要求在灌漿澆筑后混凝土和預應力鋼筋能夠可靠地粘結,而后張法要求已成型的混凝土結構必須具有足夠的承載能力來承受預加應力,因此用于預應力結構的混凝土,必須采用高強度混凝土。由于預應力結構往往具有較大的體積,在成型后就會產生較大的收縮和徐變,而收縮和徐變往往造成相當大的預應力損失,因此,為了減小預應力的損失,提高預應力的利用率,就要使用收縮小、徐變小的混凝土。同時,由于預應力混凝土結構一般使用專用的模具、模板,預制的結構還需要專門的臺座,而且預應力結構工程往往控制著工程工期,因此,為了提高生產效率,加快施工進度,還應采用快硬、早強的混凝土。

混凝土預加應力的大小,取決于預應力鋼筋張拉應力的大小。預應力鋼筋不同于普通鋼筋,它的受力是預先設定的,這就對預應力筋提出了比普通鋼筋更高的要求。由于預制成型后構件的受力狀態和正常使用時的狀態或多或少地存在偏差,再加上設計的受力情況可能與實際的使用情況有所差別(比如預應力的損失、使用環境的變化),為了在使用階段仍能提供足夠的預應力,因此需要較高的張拉應力,這就要求預應力鋼筋具有較高的抗拉強度。為了避免結構的脆性破壞,預應力鋼筋還應具有一定的塑性。在先張法的施工中,要求混凝土和預應力筋既快又可靠地粘結,因此預應力筋也要具有良好的粘結性能。此外,為了減小鋼筋松弛引起的預應力損失,還要求預應力筋具有較強的抗松弛性能。

值得注意的是,對于同一構件,混凝土的強度和等級應盡量與鋼筋(包括預應力筋和非預應力筋)的強度和等級相吻合,以充分合理地利用材料。

2.2 預應力大小的確定與預應力損失

在預應力結構的設計中,最重要的是確定預拉應力的大小以及預應力筋束的布置方式,還有預應力損失的計算。

預應力大小的確定通過確定張拉控制應力來實現。張拉控制應力的取值,直接影響預應力混凝土結構的使用效果。張拉控制應力不能太小,也不能太大。如果太小,就不能滿足構件的抗裂度和剛度的要求,且不能滿足受力要求(比如對于梁,就不能有效抵消正彎矩,使梁的下緣出現過大的拉應力)。相反,如果預拉應力過大,則會使混凝土無法承受壓應力而開裂或在受拉側出現局部拉應力而開裂,并且會使反拱度加大,使結構產生過大變形;再者,由于各預應力筋受力并不均勻,當預應力過大時,就會使其中的一些鋼筋提前達到屈服極限而被拉斷;對于預應力結構,預應力越大,預應力的損失也往往越大。因此,要權衡利弊,將張拉控制應力限制在一定的范圍內。在具體設計時,除了應符合規范要求外,還應結合實際情況,綜合考慮,以確定張拉控制應力的最佳值。

在預應力結構張拉完成后,由于各種原因,往往隨著時間的累積,預應力值將有所減小,減小的這部分預應力就是預應力損失值。引起預應力損失的原因很多,就其產生結果,結構中常見的預應力有以下幾類:與管道壁間摩擦引起的應力損失;錨具變形、鋼筋回縮和接縫壓縮引起的應力損失;鋼筋與臺座間的溫差引起的應力損失;混凝土彈性壓縮引起的應力損失;鋼筋應力松弛引起的應力損失;混凝土收縮和徐變引起的應力損失。

在設計階段,要確定可能發生的預應力損失值,以此來確定張拉控制應力,使預應力構件在除去損失的預應力外仍然有足夠的富余來承受使用階段的恒載和活載。對于各項應力損失,應該結合產生相應損失的原因來制定布束方案。比如對于梁,為了能提供豎向的預剪力,往往需要在梁端部彎起,這樣使得管道彎曲,產生較大的摩擦損失,為了既能滿足結構的構造和受力要求,同時又不讓損失值過大,要求設計者就要從多方位考慮,作出合理的選擇。除了對鋼筋的布設方式進行研究外,還應對結構的截面形式及其大小進行可行性論證。截面形式的選擇,應根據結構所承受的荷載的大小及分布來確定。如果所選用的截面太小,就會給施工時安置錨具帶來困難,并且會減小偏心矩,使預應力形成的彎矩減小;相反,如果截面尺寸過大,雖然增加了預偏心矩,但會產生很大的自重,這對結構是十分不利的。對于不同尺寸構造的預應力結構,要選用預加力大小恰當的預應力束筋,以達到合理的布置形式。如果預應力束筋選擇過小,在大跨結構中造成布束過多,因構造尺寸限制布置不下時,則要求增大截面。反之,在跨度不大的結構中,如果選擇預加力很大的單束筋,就會使構件承受集中力而產生不良影響。

3 預應力混凝土結構的施工

3.1 使用合格的預應力承包公司與技術人員

作為第一線的施工技術人員,他們的生產和管理水平是預應力結構形成預應力系統的最后一道保障,也是最關鍵的一關,能否形成一個高效的預應力系統,就在于施工人員能不能把好這一關。預應力結構的施工應使用成熟的方法,并由有經驗的監理人員控制。由于預應力混凝土結構的施工工藝復雜,工序繁多,細節性又強,所以現場施工人員必須是經過專業技能培訓并有一定工作經驗的技術人員。如果急于求成,使用不合格的預應力公司與人員,將會帶來嚴重的后果,比如灌漿不良、安裝不良、張拉不良等。因此,應對施工人員的經驗、知識、培訓及資質等進行評定。

除了對施工人員進行專業上的評定外,還應考慮到施工人員的其他情況,比如是否具有較強的責任心、是否具有細致嚴謹的工作作風等。

3.2 使用合格的施工設備

預應力混凝土結構的施工需要專門的設備,比如錨具、千斤頂、控制器、穿梭機、壓漿機、張拉臺座等。這些設備種類繁多,施工方法各異,不管是哪類設備,都直接關系到構件的質量問題。施加預應力所用的機具設備及儀表應由專人使用和管理,并應定期維護。工程使用前必須進行校驗,校驗應在經主管部門授權的法定計量技術機構定期進行。配套標定的千斤頂、油泵、壓力表應進行編號,不同編號的設備不能混用。如果利用違規的設備進行施工,其后果可想而知。有的承包商或是為了追求眼前利益,減少施工費用,或是為了追求施工速度,盲目選用了不適合的設備來施工,不但不能達到設計要求,還延誤了工期,浪費了材料,甚至釀成事故,造成了巨大的經濟損失。

3.3 進行有效的監督

和其他施工一樣,預應力混凝土結構的施工同樣需要在監督下進行,而且對監督的要求更高。由于預應力結構施工工序多、細節性強,為了確保施工的質量,就要求監督人員盡職盡責,對施工的每一個步驟進行全方位監督。在實施監督時應聘用正規的監理公司或單位。尤其對于預應力孔道的布置以及筋束的穿束、錨具和墊板的安裝、預應力張拉、孔道壓漿等環節要進行加強監督。

4 結語

預應力混凝土結構雖然只有幾十年的歷史,但由于它表現出的優越性以及當今建筑工程中對大跨度結構的需求,預應力技術得到了迅猛的發展并日趨成熟。現今在工程中使用的預應力結構種類繁多,它們在土木工程(尤其是橋梁工程和建筑工程)的各個領域中得到了廣泛的應用。為了能更好的讓這種結構形式為人類造福,不管是設計人員,還是施工人員,都應該積極探索,將預應力混凝土結構的研究和應用推向一個新的高度。

[1] 趙建昌.混凝土結構設計原理[M].北京:中國鐵道出版社,2007.

[2] 葉見曙.結構設計原理[M].北京:人民交通出版社,1997.

[3] 莫千里,陳 敏.淺談結構設計中的構造問題[J].山西建筑,2009,35(18):78-79.