預制結構在未來的發(fā)展趨勢

黃承建

【摘要】本文闡述了預制混凝土技術的特點，介紹了預應力混凝土結構的國內(nèi)外發(fā)展歷史，研究現(xiàn)狀及應用情況，并對預應力混凝土結構未來的發(fā)展趨勢做了展望。

【關鍵詞】預應力；混凝土結構；發(fā)展應用

1、預制混凝土技術的特點

預制混凝土技術可以說是現(xiàn)代工業(yè)化的建筑生產(chǎn)方式。預制混凝土結構的施工大體上可分為兩個部分：第一部分是在預制工廠生產(chǎn)預制構件，第二部分是預制構件運送到工地上進行現(xiàn)場安裝。預制混凝土結構具有如下特點：

1.1 工業(yè)化生產(chǎn)，工業(yè)化勞動生產(chǎn)效率高、構件的定型和標準化有利于機械化生產(chǎn)，而且按標準嚴格檢驗出廠產(chǎn)品，質(zhì)量保證率高。

1.2 施工方便，模板和現(xiàn)場澆混凝土作業(yè)很少，預制樓板無需支撐，疊合樓板模板很少。

1.3 建造速度快，對周圍生活工作影響小。

1.4 預制構件表面平整、外觀好、尺寸準確、并且能將保溫、隔熱、水電管線布置等多方面功能要求結合起來，有良好的技術經(jīng)濟效益。

1.5 預制結構工期短，投資回收快。由于減少了現(xiàn)澆結構的支模、拆模和混凝土養(yǎng)護等時間，施工速度大大加快。

2、預應力混凝土結構國內(nèi)外發(fā)展情況

美國工程師杰克遜（P.H.Jackson）和德國的道克林（C.E.W.Dochring）先后于1856年和1888年將預應力技術應用于混凝土結構，由于采用低強度鋼筋產(chǎn)生的有效預應力與錨固損失和混凝土收縮徐變產(chǎn)生的損失幾乎相等，這次應用并不成功[2]。1908年，美國的斯坦納（C.R.Steiner）提出收縮徐變發(fā)生后，再張拉預應力筋；美國的狄爾（R. E.Dill）采用帶有涂層的預應力筋來避免混凝土與預應力筋間的粘結，因未解決根本問題，這些方法沒能在工程中應用推廣。1928年弗萊西奈特指出：預應力混凝土必須采用高強鋼材和混凝土，從此人們對預應力混凝土的認識開始逐步深入。1938年德國的霍友（E.Hoyer）采用先張法，在百米的墩式臺座上一次同時生產(chǎn)多根構件。1939年弗萊西奈特研究錨固鋼絲束的弗式錐形錨具及其配套的雙作用張拉千斤頂。1940年，比利時的麥尼爾（G.Magnel）研究一次可以同時張拉兩根鋼絲的麥氏模塊錨。這為推廣預應力混凝土提供了切實可行的生產(chǎn)工藝。第二次世界大戰(zhàn)后，由于鋼材的緊缺，預應力混凝土結構大量代替鋼結構在世界范圍內(nèi)得到了蓬勃發(fā)展，其應用范圍從早先的橋梁與工業(yè)建筑發(fā)展到了民用、公共、地下建筑、海港碼頭、水利水電工程等土木工程領域[3]。

我國在上世紀50年代末開始制造出整體式和塊拼式屋面梁、吊車梁、大型屋面板等，70年代，預制混凝土空心樓板在國內(nèi)的建筑行業(yè)已經(jīng)得到了廣泛的應用。上世紀70年代開始，北京有30%的房屋采用裝配式混凝土結構的技術進行建造，上海則有50%的建筑采用預制混凝土結構進行施工。但在這些關于預制混凝土結構的實踐之后，此結構未能進行大規(guī)模的推廣。限制其發(fā)展的因素有以下幾個方面：（1）我國人口眾多，能采用這種結構進行建筑的多半是東南沿海地區(qū)，而東南沿海地區(qū)正是人口集中的地區(qū)，這種結構對建筑物的高度有限制，不能滿足人口的需求；（2）我國有大部分地區(qū)處在地震帶上，居民現(xiàn)在并不信任預制混凝土結構的抗震能力，難以進行推廣使用。

目前，我國國內(nèi)只有一部分地區(qū)采用預制樓板，建筑主要結構體系仍采用現(xiàn)澆。大部分地區(qū)，尤其有設防要求的地區(qū)，基本全為混凝土現(xiàn)澆結構。總體來說，我國的預制混凝土技術的發(fā)展更為緩慢，一方面是由于國內(nèi)對預制結構的抗震性能不夠信任，因此采用較少，比如，發(fā)生大地震后的唐山為了盡快建好居民住處而使用了預制樓板建筑了很多的6層以下建筑，但大部分居民由于不信任其抗震性能而拒絕入住，從那之后的唐山建筑也普遍采用現(xiàn)澆結構；另一方面是由于預制混凝土結構尚未形成標準化、產(chǎn)業(yè)化，難以進行推廣使用。

科學發(fā)展日新月異，人們對材料的充分利用及耐久性等方面也提出了更高的要求。鋼筋混凝土結構雖然提高了混凝土抗拉強度，但仍存在著開裂等問題。而采用高性能材料、現(xiàn)代設計理論和先進施工工藝設計的預應力混凝土結構有效解決了這一問題，此結構不僅具有跨度大、受力性能好、耐久性高、輕巧美觀等優(yōu)點，而且較為經(jīng)濟節(jié)能。因此，預應力混凝土結構是高層、大跨度及大空間、重載、特種結構中不可缺少的結構型式之一。

3、現(xiàn)代預應力技術在混凝土中的應用

3.1 房屋建筑方面

近年來，預應力混凝土在高層建筑結構中的應用有很大的發(fā)展，主要體現(xiàn)在：無粘結預應力混凝土平板和預應力扁梁具有降低層高，節(jié)約鋼材，簡化模板，加快施工等效果；預應力混凝土飾面保溫復合墻板能夠在滿足建筑外墻裝飾的多樣、耐久性的同時，又在保溫節(jié)能、工業(yè)化生產(chǎn)、快速施工等方面發(fā)揮顯著優(yōu)勢。

3.2 特種結構方面

加拿大建成儲存12000t水泥燒結料后張預應力直徑65.2m的圓形筒倉，挪威在北海216m 水深處建造了格爾法克斯C形采油平臺，油罐底部面積達16000m2，總高262m，在油罐壁、底板、環(huán)梁與裙壁板均水平施加預應力。

3.3 預應力高強混凝土管樁方面

日本采用的預應力高強混凝土管樁占整個基礎用樁量的80%以上，美國、德國、意大利以及東南亞地區(qū)也大量發(fā)展和使用。近年來我國廣東省也廣泛生產(chǎn)應用了直徑300mm～450mm 預應力高強混凝土管樁（PHC樁），其混凝土強度等級為C100。可見預應力混凝土結構在今天已經(jīng)成為土木工程領域中重要的結構形式。

3.4 鋼結構方面

在網(wǎng)殼的局部或周邊施加適當預應力而形成的預應力網(wǎng)殼結構，具有較好受力性能和良好經(jīng)濟技術指標，明顯改善了整個結構受力狀態(tài)，降低了結構造價，擴大了應用范圍。

此外預應力懸索膜結構也得到了極大發(fā)展應用，其中包括覆蓋體育場或周邊看臺的屋頂系統(tǒng)、機場大廳、火車站臺、露天大劇場等不同跨度的建筑中[5]。

4、預應力技術的發(fā)展趨勢

4.1 現(xiàn)代預應力技術在多層大跨結構中的發(fā)展方向

建筑業(yè)是我國國民經(jīng)濟重要支柱產(chǎn)業(yè)之一，現(xiàn)代建筑結構正在向大柱網(wǎng)、大開間、大跨度、多功能方向發(fā)展，人們總想在有限的建筑面積和空間內(nèi)獲得最好的使用功能和最佳的投資回報。預應力技術正以其跨度大、自重輕、節(jié)約材料、節(jié)省層高、改善功能等突出優(yōu)點，迎合了現(xiàn)代建筑結構的發(fā)展趨勢。

4.2 高層建筑結構中預應力技術發(fā)展方向

近年來，現(xiàn)代預應力技術在高層建筑中的應用有很大發(fā)展，尤其是無粘結預應力混凝土平板和預應力砼扁梁用于高層建筑的樓蓋，它具有降低層高、簡化模板、提高施工速度等優(yōu)點。預應力混凝土除用于樓蓋外，有時還用來解決大跨度、大空間部位柱網(wǎng)轉(zhuǎn)換時的轉(zhuǎn)換梁、轉(zhuǎn)換桁架以及復雜柱網(wǎng)情況下的轉(zhuǎn)換板，此外8～l8m跨度的預應力混凝土空心板和外墻用的裝飾保溫復合預應力混凝土墻板在高層建筑中的應用前景也很廣闊。

4.3 預制現(xiàn)澆相結合的裝配整體式結構將加速發(fā)展

先張法預制預應力混凝土構件具有工廠化規(guī)模生產(chǎn)的各種優(yōu)點，如質(zhì)量控制水平高，構件耐久性好，模板周轉(zhuǎn)率高，損耗小。在道路及運輸?shù)跹b條件較好，運距不太大（200公里以內(nèi)）的情況下，預制構件常常有良好的技術經(jīng)濟指標。隨著大柱網(wǎng)、大開間多層建筑和高層建筑迅猛發(fā)展，長跨預應力砼空心板、T形板、大型預應力砼墻板等必將逐步興起，預制梁板現(xiàn)澆柱或預制梁、板、柱與現(xiàn)澆節(jié)點相結合的各種裝配整體式建筑結構體系預期會迅速發(fā)展。

參考文獻

[1] 薛偉辰 現(xiàn)代預應力結構設計[M] 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[2] 李國平 預應力混凝土結構設計原理[M]，北京：人民交通出版社，2012.