解析預應力混凝土結構的作用

二炮青州士官學校 顧永智 趙洪巖 尹利軍

解析預應力混凝土結構的作用

二炮青州士官學校 顧永智 趙洪巖 尹利軍

預應力混凝土和鋼筋混凝土在原理上有明顯的不同。在設計鋼筋混凝土梁時，可假定不計混凝土的抗拉強度，因彎矩引起的拉力是由鋼筋來抵抗，此拉力是借鋼筋與混凝土之間黏結性而傳遞給鋼筋的。對于大范圍內的開裂和變形來說，雖然高強度的混凝土具有良好的黏結性，很大程度上可以恢復；但是在混凝土與鋼筋之間黏結較差的普通混凝土中，實際上則不可能恢復。另外，在預應力混凝土中，采用預應力鋼筋的主旨在于通過黏結力或者專門的錨具給混凝土施加一個力，因此全部混凝土可以起到結構的作用。

一、預應力混凝土的經濟性

與普通鋼筋混凝土相比,預應力混凝土可以用較少的混凝土和減少1/5～1/3的鋼筋用量，但是鋼材單價的差別并不是和重量的差別成比例的。預應力鋼筋和預應力混凝土要求高強度和高質量，因而每種材料的單價都比鋼筋混凝土所需要的材料的單價高。臨時支架和模板可能更貴些，而且必須考慮預應力操作本身的附加費用。但是，一般來說，如果需要大量的預制預應力構件，則鋼筋混凝土和預應力混凝土構件在單價之間的差別就變得很小了。

二、應用類型

1. 預應力平板結構。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。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，加強其使用功能，近年來在大量工程中廣泛采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。

2. 有梁大板框架（或剪力墻）結構。有梁大板結構是柱子與柱子之間布明梁，大板上布置隔墻的結構體系。這種結構與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。若這種大板配合預應力寬扁梁使用，則也能很大限度地減低層高或提升層凈高，如9m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，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。

3. 轉換層結構。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。如位于8度抗震設防區高64.2m的北京市公安局刑科樓就是做了跨越2～4層高達4800mm的預應力轉換大梁。

采用預應力技術帶來許多結構和施工上的優點，如減少截面尺寸、控制裂縫和撓度，的優點，如減少截面尺寸、控制裂縫和撓度，控制施工階段的裂縫及減輕支撐負擔等。只要采用預應力度適當，構造處理得當，預應力結構的抗震是可以得到保證的。且由于減小了轉換構件的尺寸，對抗震也是有利的。

4. 特種結構及其他。隨著公共事業的發展，各種特殊功能的構筑物不斷出現，有些特殊構筑物的使用功能及受力性能常常需要預應力技術才能實現，預應力技術在這些特殊功能構筑物中發揮了重要的作用。

（1）大懸挑結構。體育建筑在各大中城市興起，體育建筑的形式多樣、風格各異，使預應力技術的應用豐富多彩。如南京市為承辦第三屆城運會興建的四座體育館，關鍵結構部位都是采用預應力技術。

（2）儲罐與筒倉。一般地，儲罐與筒倉對抗裂要求比較高，預應力技術廣泛用于這種結構主要利用預應力主動軸力來抵抗混凝土拉應力來提高抗裂性能；尤其是圓筒結構，環壁的混凝土只受環向軸力作用，正是預應力最適合的結構形式。

（3）其他。在各種用途的塔式結構如電視塔、通信塔、燈塔及各種水塔中，預應力技術同樣得到了廣泛應用。還有，預應力技術基礎也不少見，主要形式是預應力條基、箱基和筏基。

三、預加應力的方法

根據制作、設計和施工的特點，預應力混凝土可以有不同的分類。

1. 先張法與后張法。先張法是制作預應力混凝土構件時，先張拉預應力鋼筋后澆混凝土的一種方法；而后張法是先澆灌混凝土，待混凝土達到規定強度后再張拉預應力鋼筋的一種預加應力方法。

2. 全預應力和部分預應力。全預應力是在使用荷載作用下，構件截面混凝土不出現拉應力，即為全截面受壓。部分預應力是在使用荷載作用下，構件截面混凝土允許出現拉應力或開裂，即只有部分截面受壓。部分預應力又分為A、B兩類：A類指在使用荷載作用下，構件預壓區混凝土正截面的拉應力不超過規定的容許值；B類則指在使用荷載作用下，構件預壓區混凝土正截面的拉應力允許超過規定的限值，但當裂縫出現時其寬度不超過容許值。可見，以上是按照構件中預加應力大小的程度劃分的。

3. 有黏結預應力與無黏結預應力。有黏結預應力，是指沿預應力筋全長其周圍均與混凝土黏結、握裹在一起的預應力。先張預應力結構及預留孔道穿筋壓漿的后張預應力結構均屬此類。無黏結預應力，指預應力筋伸縮、滑動自由，不與周圍混凝土黏結的預應力。這種結構的預應力筋表面涂有防銹材料，外套防老化的塑料管，防止與混凝土黏結。無黏結預應力混凝土結構通常與后張預應力工藝相結合。無黏結預應力混凝土具有結構自重輕、施工簡便、速度快、抗腐蝕能力強、使用性能好、防火性能滿足要求、抗震性能好、應用廣泛等特點。

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有強大的發展力。