预应力钢筋混凝土在建筑中的应用研究

陈嘉辉

摘 要:本文对预应力钢筋混凝土在建筑工程中的应用进行探讨,指出我国应加大预应力钢筋混凝土工程的研究,以适应经济的快速发展。

关键词:预应力钢筋混凝土;桁架;大跨度结构

预应力钢筋混凝土是近几十年发展起来的一门新技术,它是构件承受外荷载前,预先在构件的受拉区对混凝土施加预压力,这种压力通常称为预应力。构件在使用阶段的外荷载作用下产生的拉应力,首先要抵消预压应力 ,这就推迟了混凝土裂缝的出现,同时也限制了裂缝的开展,从而提高了构件的抗裂度和刚度。

1 预应力钢筋混凝土在建筑中的应用

在现代建筑中,预应力钢筋混凝土适用于一层和多层各种用途的工业与民用建筑设施的承重构件之中( 如桥梁 ,跨线桥 ,蓄水库 ,仓库等等 ) 。预应力构件同样也被应用于一些个别的构件中:用于水利 工程中的桩,水槽,板壳体构件等等。在一层工业建筑的承重构件中利用预应力钢筋混凝土的达70%～80%。

在当代,对一层的工业建筑来说,预应力结构标准构件的制造已经被开发和掌握:板面尺寸满足15*6m,3*6,1.5*12m和3*12m。侧面板尺寸0.8*12m。单跨和多跨梁的跨度满足12～14m,桁架跨度满足18～30m,人字形人字形珩架梁和吊车梁的长度为 6～12m,墙面长 6～12m,宽0.8～2.4m。预应力钢筋混凝土被应用到一些空间结构中去(如壳体,拱圈,板壳结构),这些结构整体处于应力状态下或其包含一些预应力单元(如肋梁,桁架板)。大部分在一系列方案中已经开始施工的结构,都利用了对刚腱来说专门预先指定的铜丝,刚绞线。

降低预应力钢筋混凝土工程造价及减少施工过程中工作量的要求,推动了新的结构方案的产生及完善,推动了施工技术的进步,结构质量的减轻,各种结构的综合运用,材料用量的减少以及工厂准备程度的提高。

标准的无斜腹杆式屋架荷架具有拱形的上工过程中工作量的要求,推动了新的结构方案的弦杆,承受节点和节间荷载。在当代,一些更经济产生及完善,推动了施工技术的进步,结构质量的的元斜腹杆式和架被应用到工程中,这种荷架的减轻,各种结构的综合运用 ,材料用量的减少以及上弦杆式不规则的,结点间是直线段,这节省了钢工厂准备程度的提高。

随着应力钢筋品种增多及中等级混凝土强度的提高,出现了装配式钢筋混凝土结构这个名称。这种结构实际上包含有极大多数成品构件,这对于各种工业部门的一层及多层统一的大规模生产建筑来说是必须的。这种结构多利用长度为6～12m,12～18m的屋架梁上,18、24及36m的人字形梁及桁架,不同结构的长度为6～12m的墙板及柱子。

对于各种不同跨度的一层生产建筑,尤其是跨度在24-30m的建筑,预应力装配式钢筋混凝土桁架结构是一种基本的屋架结构形式。在静力学研究中知道,最合理的上弦简图是扇形和拱形弦的桁架,因此,那些桁架的杆件单元的内力不大,而弦中的内力按跨度改变不明显。

对于平屋顶要利用平行弦桁架,钢筋混凝土桁架的高度,通常取平均跨度的1/7～1/9。最理想的上弦节间大小 为3m,此时,桁架节点板荷载的传递宽度为3m,因此,出现上弦杆的局部弯曲。钢筋混凝土桁架下弦及杆件单元作用有显著的集中力。

钢筋混凝土桁架可以整体进行施工,也可以半桁架施工。通过对下弦杆的预应力钢筋,钢丝或杆件施加应力,再传递给混凝土的方式制造装配式桁架。半桁架的组合是根据下弦杆焊接预埋件来实现的。施工和管理经验显示,整体式桁架更易施工。半桁架从最后装配到施工现场桁架成本提高 了5%～20%,而施工的工作量提高了15～25%.利用整体式桁架可以保障结构生产的安全性。在当代,跨度小于24m的桁架一般采用整体式,而对于大跨度结构在中间对接。

在工程运用了由纵向元件构成的桁架,在装配那些桁架时,要把弦杆和腹杆的外伸钢筋焊接好,而在节点浇筑混凝土。预应力钢筋被放置在预留的下弦孔道后,浇注混凝土,待混凝土有了足够强度之后,施加预应力。

在最近十年间,在工程中开始运用跨度为18、24及30m的无斜腹杆式标准桁架。竖杆间距为3m.下弦杆配有预应力钢筋,钢丝,钢绞线的整体式桁架已经被设计出来并已被运用。

由高强轻质混凝土制成的无斜腹杆式钢筋混凝土桁架与斜腹杆式桁架相比 具有很多优点。无斜腹杆式桁架使任何形式的斜屋面的应用成为可能。这种桁架在施工中可以使钢筋的绑扎,混凝土的浇灌和振捣的工作量都得到简化。由于没有了斜腹杆,使桁架空间的利用率得到了有效的提高,其面积约占建筑物公共面积的15～30%,且减少了钢材消耗的费用。

标准的无斜腹杆式屋架桁架具有拱形的上弦杆,承受节点和节间荷载。在当代一些更经济的无斜腹杆式桁架被应用到工程中,这种桁架的上弦杆式不规则的,结点间是直线段,这节省了钢筋的消耗,也更有效的利用了高强混凝土。

钢筋混凝土箱形构件跨度为 18m,24m,它起支撑和联系的作用。它被应用在工业建筑中 ,首先是纺织工业企业的建筑中。根据工业建筑中央科学研究所的资料显示,利用跨度为18m的钢筋混凝土箱形构件与普通混凝土构件相比,可以节省混凝土消耗28%,而可以节约钢材消耗达30%。

板件的建筑安装工作量可以减少16%,而工程费用平均可以节省10%,装配元件的数量可以减少4倍,钢筋混凝土箱形构件主要利用轻质混凝土,使构件质量减少25%.而结构的施工工程量与普通混凝土相比也减少了20%。

在我国,把主要精力放在新型混凝土空间结构和高强混凝土结构扔研究和应用上,因此要利用轻质混凝土和多孔混凝土,尺寸为3*12m,3*15m及3*18m的预应力拱形构件是空间结构中最经济的,这种类型的构件同普通的钢筋混凝土板件相比可以保证节约混凝土消耗15%～20%,节约钢材消耗20～35%,减少工程装配劳动量5%～12%,使工程造价降低15%.在生产建筑屋顶的设计中最大限度地运用了全跨预应力钢筋混凝土结构及尺寸为3*18m及3*24m的板件。

2 预应力钢筋混凝土在大跨度设施中的应用。

预应力钢筋混凝土在大跨度结构及多高层结构中得到了更有效的利用。国外都建设了一系列极好的大跨度工程设施。大跨度结构包括各种形式的预应力钢筋混凝土桥梁:带实心墙和结构墙的分段梁式及连续式跨空结构,带实心墙的悬臂式,框架悬臂式及拱形悬臂式跨空结构。

桥梁建筑在更广阔的领域中应用了预应力钢筋混凝土,在国外,每年桥梁建筑的数量都有显著的增多。这说明预应力钢筋混凝土桥梁结构具有结构上的可能性,施工性,以及经济上的优越性,在桥梁上已经成功地运用了跨度达230m的金属结构。

随着桥梁结构简图的日趋完善,高强轻质混凝土的应用,在未来可以建成跨度在400m以内的公路桥。

城市内的桥多属于装配式悬索桥。横跨莫斯科河的大桥,平均通航跨度为128m及148m,而横跨顿河和伏尔加河的大桥跨度为120m、148m。装配式结构由质量在45吨～180吨的箱形梁拼接而成。伏尔加河桥,涅瓦河桥及横跨其他河流的大桥都是一些大跨度桥梁。

在近些年,在苏联建设了一系列跨度大于100m的各种形式的钢筋混凝土大型桥梁。随着施工和构件装配方面一些专业的新技术和方法被研究出来,预应力钢筋混凝土大跨度结构得到了蓬勃发展和运用。在机械化工厂预制构件在我国得到了更快的发展。首先在苏联建成了跨度大于50m的装配式桥梁,在国外把它称为“俄罗斯的方法”。在意大利,瑞典和其他国家,习惯使用连续式钢筋混凝土构件和装配式混凝土构件结合构成 设施的承重部分。在英国和芬兰主要应用装配整体式结构。

具有代表性的是俄国的伏尔加河的全2800m的钢筋混凝土公路桥。船只通航的部分是全长710m的五跨连续段:106+3*166+106m贯穿结构的大梁由8个长120m左右,质量2600吨的梁组成,在岸上设置了专门的模板,为了浇注桥梁承重构件。对于大跨度建筑要采用C40混凝土。预应力钢筋采用直径450mm的钢丝。大跨度建筑的运输和安装要借助起吊的方法,这种方法可以应用到所有形式的桥梁建筑中。

3 结语

和发达国家相比,我们预应力混凝土工程的研究相对落后。为适应经济的发展,缓解交通压力问题,我们应加强提高预应力技术水平的科研工作,相信预应力混凝土结构的应用前景将更加广阔。