預應力混凝土結構設計的若干問題

摘要：當前，在多層大跨度、大空間建筑、高層建筑樓蓋以及儲倉和消化池等特種結構中常可見到預應力技術的身影。在近十多年中，預應力材料、設備的生產水平和產業化水平得到很大的提高，工程經驗得到豐富的積累，相關的預應力混凝土結構亦趨于大型化和復雜化。這樣的改變一方面促進了預應力混凝土結構的多樣化發展，涌現了一系列新型預應力結構體系，如纖維預應力筋混凝土結構、預應力型鋼混凝土結構、后張預應力疊合結構等；另一方面，它使得傳統的預應力混凝土結構設計方法不再全面適用，有必要進行完善和補充。

關鍵詞：預應力混凝土；結構設計；若干問題

1.建筑工程中預應力混凝土結構特點

1.1抗裂性好、剛度大

在很多的建筑工程中，最經常遇到的問題就是混凝土的開裂問題，這在很大程度上影響了工程的質量和破壞了建筑的結構，其主要產生的原因是因為混凝土鋼筋受到剪力和應力而產生的形變。預應力混凝土能夠對構件提供預應力，從而在一定程度上減弱了混凝土受到的應力，降低了形變的發生概率，從而保證了混凝土結構的穩定性，提高了剛度，增加了耐久性。

1.2節省材料、重量較輕

預應力混凝土采用的材料具有高強度、高輕度、高耐久性的建筑材料，與普通的鋼筋混凝土相比，在建筑施工中只需要很少的材料就可以達到理想的應用效果，因此在結構上預應力混凝土的自重較輕。在施工階段比較具有優勢。

2.新結構

2.1預應力型鋼混凝土結構

預應力型鋼混凝土具有承載力高、剛度大、截面小、裂縫易控制等優點，適用于大跨、重載結構。課題組進行了10榀接近足尺的大比例預應力型鋼混凝土框架的豎向靜力及豎向低周反復荷載試驗，對其破壞形態、裂縫的開展與分布、剛度變化、彎矩調幅、抗震性能等特征進行了一系列相關研究，提出考慮次內力包括次彎矩、次軸力的預應力型鋼混凝土結構的抗彎極限承載力、抗裂度、剛度及最大裂縫寬度計算方法。此外，基于平截面假定推導了不同狀態下預應力型鋼混凝土結構的抗彎承載力計算公式。結合上述研究成果及已有《型鋼混凝土組合結構技術規程》（JGJ138—2001），在國家規范及上海規程中均給出了預應力型鋼混凝土結構的相關設計方法，全面考慮了次內力的影響。需要注意的是，國家規范中抗彎承載力計算公式默認型鋼上翼緣受壓屈服，對于受拉或受壓不屈服的情況可能并不適用，但計算過程相對復雜。

2.2體外預應力混凝土結構

體外預應力結構相比于體內預應力具有截面小、自重輕、易更換等特點，故在新建結構及既有結構加固中得到廣泛應用。在體外預應力結構中，需要格外注意體外筋的防腐措施，避免體外筋的腐蝕。體外預應力梁與無粘結預應力梁在受力原理上基本相同，故其正截面抗彎承載力可按無粘結預應力構件的方法進行計算。但相比無粘結預應力結構，體外預應力結構尚存在二次效應，故其預應力筋的極限應力增量要明顯小于無粘結預應力結構。國家規范及上海規程中，結合國內外117個體外預應力混凝土梁的試驗結果及相關工程經驗，將簡支梁及連續受彎梁的應力增量取為100MPa，對于懸臂受彎構件則取50MPa，這種取用常值的做法簡單、可靠。使用階段驗算則參考一般預應力混凝土結構的計算方法。在計算縱向受拉配筋率時部分考慮體外預應力筋的作用，折減系數取為0.2，通過對體外預應力構件試驗結果擬合得到。

2.3纖維增強復合材料預應力筋混凝土結構

傳統鋼筋混凝土結構中，始終存在著鋼筋、預應力筋等鋼材的腐蝕問題。纖維材料筋的使用則較為徹底地解決了腐蝕問題，其抗拉強度高、耐腐蝕性強、容重小，非常適合作為預應力筋使用。上海規程中對纖維復合材料預應力筋混凝土結構的設計進行了相關規定。有關條文主要參照了我國現行規范《纖維增強復合材料建設工程應用技術規范》（GB50508—2010）以及美國ACI440委員會頒布的《預應力纖維增強復合材料筋混凝土結構》（ACI440.4R-04）。

3.預應力混凝土在結構設計中應該注意的問題

3.1預應力混凝土結構設計理論

1）抗震性能設計。要想實現預應力混凝土的抗震性能最大化，就要對配筋指數進行綜合的衡量和配置，并且要控制預應力度。在節點的構造上要保持其良好的延展。在實際的配置中，如果預應力混凝土結構中配置了縱向的非預應力筋，可以實現減少地震位移的作用，并且能夠結合鋼筋實現抗震性能，激發其內在的延展性，從而使抗震的能力得到進一步的加強。2）耐久性設計。預應力混凝土的耐久性設計一直是結構設計中研究的重點問題之一，為了保證混凝土在使用期間的安全性和穩定性，就要對混凝土的耐久材料進行設計，在結構上，損壞混凝土結構的機理主要有：鋼筋的腐蝕、堿性集料反應等等，這些情況的出現會嚴重影響混凝土結構的穩定性和使用壽命，因此在預應力混凝土結構設計中，應該加大對耐久性能的研究，從而保證整體結構的安全性及穩定性。

3.2預應力的設計方法

在預應力混凝土的結構設計中，盡量采用模型制作的形式，在此環節要注重模型的比例與實際工程中的比例的準確度，并且計算好在施工中各個環節的配筋率。從而保證在實際的工程施工中能夠按照設計合理有序的進行。這樣能夠在施工環節盡量的提升施工進度。同時還要結合施工材料的情況，在質量和體積上進行精密的計算，從而保證結構施工的完整性和準確度。然后對模型進行測試，對其施加壓力，來檢測其結構的穩定性和實際效果，以在最大程度上能夠提前對預應力的受力情況進行了解，找到其中影響質量的原因并解決，避免在實際的工程施工中出現類似的情況。

4.結論

預應力混凝土結構設計應該充分的考慮建筑的經濟性和穩定性，從整體上提高建筑的質量。并且結合工程的實際，進行預應力施工工藝的選擇，針對具體問題設計具體的施工方案。保證施工質量的同時，充分的將預應力混凝土結構優勢發揮出來，使建筑的抗震、抗滲能力有極大的提升，保證建筑的穩定性與安全性，施工技術人員還應該加大對預應力混凝土技術的學習與研究，以期將這項技術進行更深層次的改革，幫助其向更大的層面發展。

參考文獻：

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作者簡介：孫明鍇（1999.10-），學生，籍貫：河南省周口市，專業：土木工程，研究方向：房屋建造.