解析预应力混凝土结构的作用

二炮青州士官学校 顾永智 赵洪岩 尹利军

解析预应力混凝土结构的作用

二炮青州士官学校 顾永智 赵洪岩 尹利军

预应力混凝土和钢筋混凝土在原理上有明显的不同。在设计钢筋混凝土梁时，可假定不计混凝土的抗拉强度，因弯矩引起的拉力是由钢筋来抵抗，此拉力是借钢筋与混凝土之间黏结性而传递给钢筋的。对于大范围内的开裂和变形来说，虽然高强度的混凝土具有良好的黏结性，很大程度上可以恢复；但是在混凝土与钢筋之间黏结较差的普通混凝土中，实际上则不可能恢复。另外，在预应力混凝土中，采用预应力钢筋的主旨在于通过黏结力或者专门的锚具给混凝土施加一个力，因此全部混凝土可以起到结构的作用。

一、预应力混凝土的经济性

与普通钢筋混凝土相比,预应力混凝土可以用较少的混凝土和减少1/5～1/3的钢筋用量，但是钢材单价的差别并不是和重量的差别成比例的。预应力钢筋和预应力混凝土要求高强度和高质量，因而每种材料的单价都比钢筋混凝土所需要的材料的单价高。临时支架和模板可能更贵些，而且必须考虑预应力操作本身的附加费用。但是，一般来说，如果需要大量的预制预应力构件，则钢筋混凝土和预应力混凝土构件在单价之间的差别就变得很小了。

二、应用类型

1. 预应力平板结构。传统的普通钢筋混凝土梁板结构体系，需在柱间及隔墙下设置框架梁和次梁，这必然导致室内明梁纵横交错，降低了楼层的有效高度，影响了室内美观和使用功能，装修也较难处理；由于室内明梁的存在，隔墙布置的任意性受到限制，室内功能的重新调整比较困难，而一栋建筑物在其50年甚至70年使用期内都不需对空间重新分隔和变换使用功能。若设计中楼盖体系采用普通钢筋混凝土平板结构或预应力平板结构，以上问题则迎刃而解；工程若采用普通钢筋混凝土无梁平板结构，由于内隔墙较多，附加荷载较大，要使普通钢筋混凝土平板的裂缝控制等级及挠度满足规范要求，计算所需板厚较厚，同时普通钢筋用量也较大，不经济。因此，为了提高整个楼盖的抗裂性能，减薄板厚，减轻结构自重，加强其使用功能，近年来在大量工程中广泛采用的现代高效预应力混凝土结构技术，将整个楼盖设计为后张部分预应力混凝土无梁平板结构是一个良好的选择。

2. 有梁大板框架（或剪力墙）结构。有梁大板结构是柱子与柱子之间布明梁，大板上布置隔墙的结构体系。这种结构与平板结构有很多相似之处，柱距比较大，由于省去了次梁，避免了室内错综复杂的次梁，内景好，增加净空，抗裂好，省材料省模板和拆模人工，施工快速。若这种大板配合预应力宽扁梁使用，则也能很大限度地减低层高或提升层净高，如9m跨的预应力宽扁梁可以做到450mm高，比做普通预应力梁650mm少200mm，比普通混凝土梁800mm少350mm。由于结构种还带有明梁，结构仍然属于框架或剪力墙结构，可以用于平板结构所不太适宜的高层或抗震设防烈度比较大的地方。

3. 转换层结构。最近我国高层建筑发展迅速，且多为多功能综合性建筑，需要大柱网、大空间的公共设施在下部，从受力的角度讲这是不合理的，解决这种矛盾的最常用方式就是设置结构转换层。随着预应力技术的逐渐成熟，预应力材料及施工费不断下降，即使用材料等强代换的概念从经济上来比较预应力混凝土结构与钢筋混凝土结构，在许多情况下后者并不比前者经济。因此我国高层建筑转换层结构中采用预应力技术的情况越来越多。如位于8度抗震设防区高64.2m的北京市公安局刑科楼就是做了跨越2～4层高达4800mm的预应力转换大梁。

采用预应力技术带来许多结构和施工上的优点，如减少截面尺寸、控制裂缝和挠度，的优点，如减少截面尺寸、控制裂缝和挠度，控制施工阶段的裂缝及减轻支撑负担等。只要采用预应力度适当，构造处理得当，预应力结构的抗震是可以得到保证的。且由于减小了转换构件的尺寸，对抗震也是有利的。

4. 特种结构及其他。随着公共事业的发展，各种特殊功能的构筑物不断出现，有些特殊构筑物的使用功能及受力性能常常需要预应力技术才能实现，预应力技术在这些特殊功能构筑物中发挥了重要的作用。

（1）大悬挑结构。体育建筑在各大中城市兴起，体育建筑的形式多样、风格各异，使预应力技术的应用丰富多彩。如南京市为承办第三届城运会兴建的四座体育馆，关键结构部位都是采用预应力技术。

（2）储罐与筒仓。一般地，储罐与筒仓对抗裂要求比较高，预应力技术广泛用于这种结构主要利用预应力主动轴力来抵抗混凝土拉应力来提高抗裂性能；尤其是圆筒结构，环壁的混凝土只受环向轴力作用，正是预应力最适合的结构形式。

（3）其他。在各种用途的塔式结构如电视塔、通信塔、灯塔及各种水塔中，预应力技术同样得到了广泛应用。还有，预应力技术基础也不少见，主要形式是预应力条基、箱基和筏基。

三、预加应力的方法

根据制作、设计和施工的特点，预应力混凝土可以有不同的分类。

1. 先张法与后张法。先张法是制作预应力混凝土构件时，先张拉预应力钢筋后浇混凝土的一种方法；而后张法是先浇灌混凝土，待混凝土达到规定强度后再张拉预应力钢筋的一种预加应力方法。

2. 全预应力和部分预应力。全预应力是在使用荷载作用下，构件截面混凝土不出现拉应力，即为全截面受压。部分预应力是在使用荷载作用下，构件截面混凝土允许出现拉应力或开裂，即只有部分截面受压。部分预应力又分为A、B两类：A类指在使用荷载作用下，构件预压区混凝土正截面的拉应力不超过规定的容许值；B类则指在使用荷载作用下，构件预压区混凝土正截面的拉应力允许超过规定的限值，但当裂缝出现时其宽度不超过容许值。可见，以上是按照构件中预加应力大小的程度划分的。

3. 有黏结预应力与无黏结预应力。有黏结预应力，是指沿预应力筋全长其周围均与混凝土黏结、握裹在一起的预应力。先张预应力结构及预留孔道穿筋压浆的后张预应力结构均属此类。无黏结预应力，指预应力筋伸缩、滑动自由，不与周围混凝土黏结的预应力。这种结构的预应力筋表面涂有防锈材料，外套防老化的塑料管，防止与混凝土黏结。无黏结预应力混凝土结构通常与后张预应力工艺相结合。无黏结预应力混凝土具有结构自重轻、施工简便、速度快、抗腐蚀能力强、使用性能好、防火性能满足要求、抗震性能好、应用广泛等特点。

预应力技术经过了几十年的工程实践和不断研究，已经是比较成熟的一项工程技术，在今后的发展中，还将日臻完善。工程实践告诉我们，预应力技术以种种优势，在某些建设领域有着强大的生命力和竞争力，甚至在其还未完全占领的领域仍然有强大的发展力。