浅议预应力技术及其在房屋建筑中的应用

摘要：预应力技术作为工程实践中常用的一种施工技术，在房屋建设中也以其自身独特的优势逐渐发挥着不可替代的作用。本文从预应力的分类、特点和力学性能方面分析了预应力技术在房屋建设中的应用，阐述了预应力技术在工民建工程应用中的优点，也指出了其不足之处和可以改进的地方，并提出了预应力技术可以应用于改善房屋空间功能、提高基础施工质量、提高混凝土框架整体稳定性、房屋加固处理等方面。本文的研究，对于预应力技术的发展及其在房屋建设中的应用，具有一定的指导与借鉴作用。

关键词：预应力技术，房屋建设，应用与推广

中图分类号：TU757                          文獻识别码：A

1.前言

随着经济与社会的发展，近年来，我国房建工程得到了快速的发展，房建工程也朝着多功能、装配式、大开间、大柱网的方向不断发展，不论是设计者、建设者，还是使用者，都期望在原本有限的建筑空间内获得最佳、最全面的使用功能[1]-[4]。与以往的快速建设、高层修筑相比，设计人员和业主越来越关注房屋的使用安全与使用寿命方面的问题，也开始在原有的技术水平和施工方法的基础上，进一步采用新兴技术手段不断提高施工水平和结构的承载能力，以期大幅提高结构物的安全性、耐久性、美观性以及经济性。因此，预应力技术逐渐在房建工程中推广开来。所谓预应力技术，即事先在混凝土或钢筋混凝土结构内人为的引入一定程度的内部应力，使之对应的数值和分布恰好能与结构使用荷载所产生的应力相互抵消到较为理想的程度。这种通过先配置预应力钢筋或钢束，而后采用诸如张拉等技术手段在混凝土结构中建立预应力的结构，则被称为预应力混凝土结构。

由于预应力筋自身的结构特点和力学性能，预应力技术在混凝土结构中的应用，能有效减小结构构件的截面面积与挠度，并能达到控制结构开裂，增强混凝土耐久性的效果[4][5]。同时，预应力技术在施工过程中，还可以起到减轻重力支撑的作用[6]，而且通过对结构自身进行适度的调整，预应力技术也可以显著提高建筑结构自身的抗震能力。因此，预应力混凝土结构以其自重相对较轻、节约建筑材料、跨度大、改善功能、节省房屋层高等优点，契合当代房建工程发展的主流趋势。然而，随着预应力技术在房建工程中的不断推广和日趋成熟，也不可避免的出现了包括张拉应力控制不到位、预应力损失过大、压浆时出现漏浆等技术问题，各类施工问题也竞相出现，在一定程度上给预应力技术在房建工程中的应用及发展形成了阻碍，有必要对其进行仔细地分析。

2.预应力技术浅议

如上文所述，预应力技术是通过事先在混凝土或钢筋混凝土结构内人为的引入一定程度的内部应力实现其与使用荷载所产生的应力在数值和分布上均相互抵消到较为理想的程度，因此，有必要对其分类与特点进行分析。

2.1 预应力混凝土结构的分类

1970年，根据国际预应力混凝土协会和欧洲混凝土协会的相关建议，按照施加预应力的程度及其大小，将配筋混凝土结构分为、Ⅱ级、Ⅲ级和Ⅳ级四个不同的等级。其中，Ⅰ级为全预应力结构，Ⅱ级为有限预应力结构，Ⅲ级为部分预应力结构，Ⅳ级为钢筋混凝土结构。该种分类方法虽然最早明确了预应力和混凝土结构之间的联系及其界限划分，但是对部分预应力结构的优越性未进行太多的描述，忽视了部分预应力混凝土在工程实践中发挥的巨大优势。我国根据国内的工程习惯，定义了预应力度（λ）的概念，按照预应力度将钢筋混凝土结构划分为全预应力混凝土构件、部分预应力混凝土构件以及钢筋混凝土构件。该分类方法用预应力度充分表达了各种钢筋混凝土构件的优缺点，并在公路工程和桥梁工程中按照控制条件的不同，将部分预应力混凝土构件进一步划分为A类和B类。此外，随着技术条件的逐渐成熟，无粘结预应力混凝土也逐步应用到房建工程中。

工程实践中常用的预加应力的方法有先张法和后张法两种[7]。先张法通过在张拉台座上预先张拉预应力筋，而后浇筑混凝土，并通过二者之间的粘结力传递来实现混凝土构件内部预应力的建立，这种方法一般多用在工厂预制。后张法则通过在混凝土内部预留孔道，待混凝土浇筑并具备一定强度之后再张拉预应力筋，最后在孔道内压浆使之建立预应力。预应力混凝土结构中施加的预应力，只是抵消了结构在使用荷载作用下产生的拉应力，并没有提高混凝土与钢筋或者钢束自身的强度，也没有改变原本施加在结构上的力及其性质。因此，预应力的作用仅仅是使得混凝土结构在原有的基础上，推迟了裂缝的出现时间，以达到提高其耐久性的效果。

2.2 预应力混凝土结构的特点

由于预应力混凝土预先施加了一部分预应力，因此与普通钢筋混凝土相比，具有一些无可替代的优势。首先，结构中预先施加的应力抵消了其在使用荷载作用下产生的部分或全部的拉应力，有效推迟了裂缝出现的时间，而且可以起到减小裂缝宽度的效果，因此预应力改善了结构的使用性能，提高了对应构件的刚度，有效增加了构件的抗裂性能和刚度，使得结构的耐久性得以改善;其次，预应力混凝土结构通过对混凝土预加应力，有效的利用了混凝土和钢材两种材料的强度，而且一般的预应力混凝土标号都比较高，可以合理地利用高强材料，因此，构件截面尺寸较普通的钢筋混凝土有所减小，从而实现减轻自重，节约材料的目的;再次，预应力混凝土梁中配置的曲线钢束，可以有效地减小梁中支座附近原本的竖向剪力，加之混凝土截面在施工完成之后就具有的预压应力，使得混凝土在荷载作用下产生的主拉应力大幅减小;最后，预应力技术作为一种常见的技术手段，可以发展成为一种主要或者辅助的结构连接手段，从而使混凝土结构的连接、修补、加固等技术有了长足的发展。

预应力混凝土结构也不可避免的存在一些缺点。例如，预应力混凝土施工时技术复杂，精度要求高，如果没有足够的施工经验与精密的计算，可能会导致预应力钢筋的穿束位置、张拉应力的控制等出现偏差，进一步增加预应力损失甚至导致预应力失效;预制的预应力混凝土构件如果存放时间过长，可能因预应力使其自身出现较大的上拱度;此外，预应力混凝土结构在施工之初的成本较高，部分小型项目可能因为预应力的施加而导致施工成本有明显的升高。

3.预应力技术在房屋建设中的应用

预应力混凝土的抗裂性能、刚度、耐久性、抗震性能都比普通钢筋混凝土优越，因此在房建工程中的应用也越来越广。

3.1 改善房屋空间功能，提高基础施工质量

在房建工程中，楼板具有非常好的适应性，可以按照设计要求与使用要求，在屋内空间的任何部位设置隔墙或隔板[8][9]，实现对设计方案的调整与屋内空间的改善，提高建筑物使用时的档次和规格。因此，将预应力应用到楼板中，可以在更大程度上实现上述功能，加之预应力混凝土的优良性能，取消了室内的明梁，也避免了各种管线、通风设施、上下水管道等结构物对房屋建筑视觉效果的削弱，有效地改善了房屋空间功能与视觉效果。此外，混凝土本身的抗压能力极强，但是抗拉性能在很多時候并不能满足设计要求，因此，在某些承受较大拉力的部位设置预应力筋，可以有效的抵消使用荷载产生的拉应力，减少构件的开裂，提高构件使用能力。

现当代的建筑，由于土地资源的稀缺，大部分都是高层或者超高层建筑[10]，这就对房屋基础提出了较高的要求。预应力在房屋基础施工中的应用，可以有效减小基础的截面尺寸，进而达到减少材料用量与土方开挖量的目的。而且在基础施工中，预应力筋合理的线型布设与钢束配置，其所产生的预应力能够在一定程度上平衡掉土压力与结构荷载，从而提高结构底板的抗弯、抗剪切能力。进一步研究表明，基础工程中应用预应力技术，在平衡外荷载的基础上，还可以使结构构件之间发生内力重分布，这将在一定程度上改善基础的局部变形和整体沉降，对于结构的稳定性有利。

3.2 提高混凝土框架的整体稳定性

混凝土框架结构的自重大、跨度大、高度大等一系列特点决定了其在结构整体稳定方面的局限性[11]。而混凝土框架的整体稳定性对整个房建工程的施工质量均具有较大的影响[10]，预应力技术的引入则可以较好的解决该方面的问题。对混凝土框架施加预应力，可以将受拉区的拉应力进行抵消，受压区则有普通钢筋协助混凝土受压，二者的协同工作极大地提高了混凝土框架的整体稳定性，加之预应力混凝土优异的抗震性能，为房建工程的稳定性和安全性进一步提供了保障。为了更好的发挥预应力技术的作用，在施工过程中须注意施工细节，严格把控施工质量，保证预应力可以有效的施加在框架的对用部位。例如，在框架的施工、预应力筋的穿束、以及混凝土振捣过程中，应对预留的孔道及其波纹管采取一定的保护措施;预应力孔道压浆时，要保证压浆质量，待孔道另一端流出的水泥浆稠度与压浆一端相同时，方可停止压浆;严格控制预应力筋的张拉应力;为了减小预应力损失，张拉预应力筋时应该采用两端对称张拉，必要时可以采用超张拉。

3.3 房屋加固处理

房建工程的加固处理是施工过程中非常重要的一项流程与工艺，将直接影响到结构的耐久性与使用年限[12]，而随着工艺的不断革新与进步，预应力技术也逐渐应用到房建工程的加固处理之中。目前常用的加固方式包括改变受力体系、体外预应力加固、补强建筑面等，不论哪种加固方式，其基本原理都是通过改善或者修复建筑物对应位置的承载力来达到加固结构的效果，具体的加固方式要根据实际工程中的截面情况、结构形式、施工条件、施工成本等综合考虑，预应力技术在房建工程中的加固施工主要通过体外预应力加固的方式来实现。体外预应力结构相对于其他的加固方式来说，具有自重轻、截面尺寸小、预应力筋的维护、替换与管理便捷、施工速度快、预应力损失小、耐久性高等优点，是后张预应力体系中即为重要的分支之一。在具体的施工过程中，体外预应力法通过在加固部位的外侧设置外加预应力的钢撑杆或者拉杆，使之与混凝土组成复合结构共同工作，达到加固构件的目的，以增强结构自身的抗裂性与承载力。

4.小结

本文通过对预应力技术在房建工程中的应用特点进行分析，指出预应力技术是通过事先在混凝土或钢筋混凝土结构内人为的引入一定程度的内部应力实现其与使用荷载所产生的应力在数值和分布上均相互抵消到较为理想的程度这一方式来实现，并阐述了国内外对于预应力混凝土的分类，指出了预应力混凝土的优点与不足。最后，本文提出了预应力技术在房建工程中三个方面的应用，即：改善房屋空间功能，提高基础施工质量;提高混凝土框架的整体稳定性;对房屋进行加固处理。本文的研究，对于预应力技术在房建工程中的应用，具有一定的借鉴与指导作用。

参考文献：

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作者简介：焦天磊，男，1978年生，汉族，山东济宁人，大学本科学历，工程师。