预应力技术在结构工程中的应用及发展趋势

宣越　任恬　王波

摘 要：随着经济的飞速发展、科技的不断进步和人民生活水平的不断提高，人们对建筑的造型、结构性能以及使用功能提出了更高的要求，建筑物正朝着自重小、层数高、跨度大、寿命长、材料省、造价低的方向发展，为了顺应结构的发展趋势，采用预应力技术建造的结构凭借其优越的性能和显著的经济效益得到了工程师们的喜爱，在工程中得到广泛使用。

关键词：结构工程 预应力结构 预应力技术 发展趋势

中图分类号：O21 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）01（c）-0025-03

自1928年应用于实际工程以后，预应力技术就凭借其提高刚度、控制变形、减小裂缝、节省材料、减轻自重等优点在结构工程领域得到大力推广，不仅提高了结构的抗渗性、抗裂性、抗震性、耐腐蚀性，而且显著提高了结构的经济效益。

在短短的几十年内，我国的预应力技术也得到了突飞猛进的发展，在预应力材料、构件、生产工艺等方面都取得了显著的成绩，尤其在北京奥运会、上海世博会、广州亚运会等重大活动中运用了新技术、新工艺，制造了很多国际先进水平的预应力建筑，显示出了其强大的生命力以及广阔的发展前景，从而进一步推动了我国预应力技术的发展。

当节能、环保、低碳理念逐渐深入人心，越来越多的人将目光放到了建筑行业，建筑结构正朝着住宅产业化生产、空间跨度更大、使用寿命延长的方向发展，高效预应力混凝土叠合结构、索穹顶结构、体外预应力结构等新型结构应运而生，成为建筑行业今后一段时期内发展的新趋势。

1 预应力在混凝土民用建筑中的应用及发展趋势

为了迎合人们对建筑使用功能的更高要求，水平向预应力楼盖体系日趋多样化，有无粘结预应力平板楼盖体系、无粘结预应力扁梁——平板结构体系、预应力混凝土单向密肋楼盖、双向密肋楼盖、井字楼盖结构体系、大跨度现浇预应力混凝土空心楼盖体系等，这些楼盖体系在提高结构的安全性能、使用性能等方面都有著非常明显的优势。

当结构的跨度较大时，为了保证结构的强度以及刚度要求，势必会增加板厚以及梁高，采用以上结构体系代替普通混凝土梁板结构体系可以大大降低建筑物的层高，减小结构自重，充分利用空间，实现大跨度、大开间，增加使用面积，显著提高经济效益[1]。同时，由于无粘结预应力平板结构、现浇预应力混凝土空心楼盖结构等不设纵横明梁，仅在必要的地方设暗梁以保证结构的受力性能，不仅增加了室内的净空高度，而且使隔墙的布置不受限制，可以对房间进行任意分割，也易于对房间功能进行调整，满足了业主对房间空间大小以及使用功能的个性化需求[3，4]。

国内采用无粘结预应力平板技术的高层建筑中最著名的有青岛国际金融中心和广东国际大厦（现更名为广州中心皇冠假日酒店），两结构体系都是在筒中筒体系的两个筒体间采用无粘结预应力平板连接，既可以简化模板，提高施工速度，也可以减小板厚，节省材料，减轻结构的自重，降低施工成本。

在高层建筑中，通常由于建筑使用功能的需要，使结构下部和上部的结构布置以及刚度有较大的差异，为了将上部较大的荷载进行合理的传递，需要在结构发生变化的部位设置转换层，采用预应力转换层结构不仅可以提高结构的抗剪承载能力，控制裂缝和挠度，而且由于减小了构件尺寸，减轻了结构的自重，也可以提高结构的抗震性能。

目前常用的预应力转换层结构有梁式、板式、桁架式转换层结构，其中梁式转换层结构在工程中的应用最为普遍。梁式转换层是在混凝土楼板上布置托梁，用于承担上面各层的柱和剪力墙传递下来的荷载，具有受力明确、简化施工的特点，适用于上部结构层数多、跨度大、荷载大的结构。当下部结构的柱距较大或上部荷载很大时，可以用桁架转换层结构，由于桁架的空隙大，自重轻且便于灵活布置通道、门窗等，从而能够充分利用建筑空间，提高经济效益。当上下结构的柱网轴线或结构形式发生改变以至于难以布置转换梁或桁架时，可以考虑厚板转换层结构。但是，由于厚板转换层结构的质量较大、刚度较大且质量集中在结构的中部，导致其振动性能比较复杂，对抗震不利，所以，需要谨慎使用[5，6]。

建筑物的基础无论是在工期还是造价上都在建筑工程中占有很大的比重，尤其在高层建筑或地基条件不好的结构中，基础工程起着更加至关重要的作用。对于有不设缝要求的大面积基础，施加预应力也是一种十分简便而有效的方法。常见的预应力基础形式有预应力筏板基础、箱形基础、预应力管桩等。将预应力技术应用于高层建筑的筏板基础、箱形基础，可以减小底板的厚度，提高材料利用率，降低工程造价，也可以提高基础底板的刚度，提高基础混凝土的抗冲切能力，减小挠度变形，延缓裂缝的产生，降低基础的不均匀沉降[7]。北京首都机场新航站楼以及停车楼均采用了无粘结预应力平板筏基。

2 预应力在钢结构建筑中的应用及发展趋势

预应力钢结构是把现代预应力技术应用于空间网格结构或由索、杆组成的张力结构中的一类新型杂交预应力空间钢结构体系。通过施加与荷载效应相反的预应力，改变了内力峰值，从而改善了结构的受力性能，提高了结构的承载能力，增大了结构的整体刚度，既节省了钢材，降低了工程造价，又提高了结构的抗震性能。另外，预应力钢结构施工操作简单，施工速度快，且张拉不占工期，非常符合现代工业化大规模生产的趋势[8]。

目前，国内已使用的预应力钢结构形式有张弦梁结构、弦支穹顶结构、斜拉网格结构、预应力桁架结构、索拱、索桁架、索穹顶结构以及多次杂交结构等。其中张弦梁结构、弦支穹顶结构、斜拉网格结构作为新型结构体系，兼有刚性和柔性构件的优势，既能保证结构的强度又改善了结构的受力性能，增强了结构的稳定性，得到了工程师们的青睐，应用于越来越多的大跨度、大空间工程中，具有十分广阔的发展前景。索穹顶结构是将预应力技术应用于钢结构以后所产生的新型结构体系，作为全张力结构，它具有很强的非线性，无论是在结构分析、设计还是施工方面都有很高的要求，因此，成为目前大跨度预应力钢结构工程应用和理论研究的最高峰。

斜拉网格结构是目前在工程中广泛应用的一种结构形式，由刚性构件、斜拉索、桅杆或塔柱组成，该结构用拉索代替立柱，充分利用拉索材料良好的抗拉性能，通过拉索的拉力为刚性结构提供弹性支撑，改变结构的内力分布，使构件受力趋于均匀，从而达到减小构件挠度以及支座弯矩的效果。

大跨度张弦梁结构是一种刚柔性相结合的一种新型大跨空间结构，由上弦刚性构件（通常为梁、拱或者桁架）、下弦柔性构件（通常为索）以及中间撑杆组成，通过对下弦构件施加预应力，允许上弦构件的一端或两端自由滑动，从而平衡了上弦压弯构件的水平推力，形成自平衡体系。采用这种结构体系可以减轻结构的自重，提高结构的承载能力、整体刚度和稳定性，从而实现更大的跨度。近年来，随着研究的不断深入，张弦梁结构也从原来的平面结构，即单向张弦梁，逐步发展为双向、多向、辐射式张弦梁结构。

弦支穹顶结构由上弦单层网壳、撑杆、径向索以及下弦环向索组成，最早由日本的川口卫教授于1993年提出，是一种新型杂交空间结构，结合了单层网壳结构和张拉整体结构的优点，具有良好的结构性能。其撑杆的上端与上部单层网壳所对应的各节点进行铰接，下端由径向拉杆或拉索与单层网壳的下一圈节点相连，同一环撑杆的下端由环向索依次相连，通过预应力张拉，使结构形成一个完整的结构体系。弦支穹顶结构的索结构有Levy型、Geiger型等，网壳形式有凯威特型、联方型、环肋型等，撑杆有平行竖杆、“V”字形杆等，多样化的结构形式更加增强了建筑物的多变造型和美观效果。

随着预应力钢结构在大跨度、超大跨度工程中的应用越来越多，其结构性能以及经济效益方面的优势充分显现，具有强大的生命力和竞争力。

3 预应力在桥梁结构中的应用及发展趋势

随着城市化进程的不断推进，我国的交通运输业得到蓬勃发展，新修建了很多跨江、跨海大桥，对于桥梁结构的跨度、承载力、安全性提出了更高的要求。预应力技术的出现，突破了传统桥梁结构的局限性，可以减轻结构自重，提高混凝土梁的承载力，增大桥梁的跨度，延缓混凝土裂缝的发生，节省建筑材料，在提高结构美观性的同时也增加了结构的使用寿命，因此，在目前的桥梁工程中得到广泛应用。预应力桥梁中常用的结构形式有预应力混凝土T形刚构桥、预应力混凝土连续刚构桥、预应力混凝土连续箱梁桥等。随着预应力桥梁技术的不断发展，出现了更多符合现代结构的造型美观、轻质高强、安全可靠的要求的结构形式，如体外预应力加固桥梁结构，空间预应力索桥结构，悬索桥采用钢箱加劲梁，桥梁面板采用预应力混凝土空心板等，展现出了预应力技术极大的生命力，使桥梁技术得到空前发展。

预应力混凝土连续箱梁桥具有刚度大、变形小、伸缩缝少、行车舒适、养护简单、抗震能力好等优点，备受工程师们的青睐，目前在40～150 m的跨度范圍内成为桥梁选型时优先选择的类型之一。结构中所采用的箱形截面具有较大的抗弯刚度以及抗扭刚度，可以通过截面的高度调节应力值，减小跨中的挠度变形，从而提高结构的稳定性。随着混凝土箱梁技术的发展，箱梁的截面形式更加多样化，有单箱单室、单箱多室、多箱多室、宽翼缘倒梯形等，预应力体系也从原来的单向预应力发展到纵横向均施加预应力的双向预应力体系，增加了其适用范围，在结构外形上也更加丰富多彩，实现了经济和美观的统一[9]。

预应力混凝土连续刚构桥是将T形刚构和连续梁相结合的结构体系，既具有连续梁的特点，同时又具有T型刚构不设支座、无需体系转换的特点，不同的是它将T形刚构的桥墩减薄，形成柔性桥墩，并和梁体固结，利用桥墩的柔度以减小由于预应力钢筋上所施加的预应力、混凝土的收缩徐变和温度变化等因素引起的位移，同时也减小了桥墩处的不利弯矩，使内力分布更加合理，提高了结构的抗震性能。另外，由于具有较大的顺桥向的抗弯刚度和横桥向的抗扭刚度，使预应力连续刚构桥结构能够实现更大的跨度。因此，在目前越来越多的大跨度预应力混凝土桥梁工程中成为桥梁结构的设计首选，无论是在结构性能还是在经济效益上都优于连续梁以及T形刚构桥。

4 预应力在特种结构中的应用及发展趋势

特种结构，顾名思义就是指具有特殊用途的工程结构，包括高耸结构、压力容器、海洋工程结构、地下管道、锚索类结构等。由于这些结构内往往存在很大的多向拉应力，在使用功能上也有某些特殊要求，如，抗裂、抗震、抗风、抗渗要求等，就给结构的设计和建造造成了较大的难度。预应力技术的出现为这些结构性能的实现提供了极大的保障，采用预应力技术比同等强度条件下仅采用普通钢筋混凝土结构能够大幅度减小截面尺寸、减少钢材和混凝土材料的用量，带来十分可观的经济效益，同时也能解决加大钢筋用量仍然无法满足对裂缝宽度要求的问题。

对于水池、消化池、污水处理池、安全壳、筒仓、储罐这些环向力较大的结构来说，预应力筋主要呈环向布置，通过混凝土的预压应力来抵消由于沿径向向外的外力所产生的拉应力，使混凝土构件始终处于受压状态，防止裂缝的产生，提高结构的抗渗防水性能。这种优良的结构性能在圆柱形的筒仓、储罐等结构中体现得尤为突出。对于裂缝有着严格限制的核电站预应力混凝土安全壳结构，不仅要布置环向束，也要布置竖向束、穹顶束，以保证结构的安全可靠性。我国已建成的4座核电站都采用了预应力安全壳技术，推动了安全壳技术的不断发展。

随着无线电广播、电视、邮电通信事业的不断发展，预应力技术在电视塔、通信塔结构上的应用已经非常普遍，再加上无线电信号的覆盖面积与天线的高度有关，所以：现在很多电视塔都朝着更高的方向发展，一般高度都超过200 m，有的甚至达到400多米，这些电视塔的塔身一般为筒体，采用后张法施工，在筒体壁内配置竖向预应力筋，显著减小筒体壁的厚度，提高筒体的刚度和稳定性[10]。

此外，预应力技术还应用在大型体育场馆的大跨度悬挑结构中，不仅大大提高了挑出结构的刚度，显著增大可悬挑长度，减小了挑出部分端部的竖向位移，而且调整了结构的内力分布，改善了结构的整体受力性能[4，11]。预应力锚索类结构作为一种高效、经济的加固手段，广泛应用于岩土的加固、煤矿巷道的支护等，其原理是通过锚索对被加固的岩体施加预拉应力，从而限制了岩体的变形，提高了岩体的稳定性[12]。

5 结语

自成功运用到工程中以来，预应力技术就以其在提高构件刚度、减小挠度变形、延缓裂缝发生、减轻结构自重、增加空间跨度、节省工程材料、降低工程造价等方面显著的优势得到工程师们的青睐，并不断扩大其应用范围，不仅广泛用于民用建筑、工业厂房、桥梁结构、特种结构等，而且也扩展应用到高层建筑、大跨空间钢结构、地下结构、基础工程等许多新的领域。目前，预应力技术正以其强大的生命力活跃在建筑工程的各个领域，并通过持续的技术创新，不断满足人们日益增长的使用需求，拥有十分广阔的发展前景。

参考文献

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