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摘要: 阐述了预应力混凝土结构的优缺点,分析预应力混凝土结构形式在的建筑工程设计和施工中常遇问题并提出解决措施。
关键词：建筑工程 预应力混凝土 应用 问题 措施
Abstract: this paper describes the advantages and disadvantages of prestressed concrete structure, prestressed concrete structure analysis in the form of engineering design and construction in often question and proposes the solution measures.
Keywords: construction engineering application of prestressed concrete measures
中图分类号：TU37文献标识码：A 文章编号：
前言
预应力混凝土是在钢筋混凝土构件承受荷载前,先在构件的受拉区内施加一定的压力,使混凝土产生一定压缩变形的一种钢筋混凝土,简称预应力混凝土。预应力混凝土由于事先人为地施加了一个预加力,使其在受力方面有许多和普通混凝土结构不同的特点。预应力混凝土结构并不能创造出超越其本身材料强度能力之外的奇迹,而只是大大地改善了结构在正常适用阶段的工作性能。
1 预应力混凝土在建筑工程的特性
1.1预应力混凝土在建筑工程的优点
抗裂性好,刚度大。
2)节省材料,减小自重。
3)提高构件的抗剪能力。
4)提高受压构件的稳定性。
5)提高构件的耐疲劳性能。
1.2预应力混凝土在建筑工程的缺点
1)工艺较复杂,对质量要求高,因而需要配备一支技术较熟练的专业队伍。
2)需要有一定的专门设备,如张拉机具、灌浆设
备等。
3)预应力混凝土结构的开工费用较大,对构件数量少的工程成本较高。
2结构形式
2.1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年的使用期内都不需对空间重新分隔和变换使用功能是很难想象的,特别是一般的商场建筑及办公楼建筑。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,提高其使用功能,采用近年来在大量工程中得以广泛应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結构是一个良好的选择。这种预应力无梁平板,除在楼板周边保留必要的边梁和在局部少数有隔墙的地方及洞口边缘保留梁之外,室内明梁全部取消,仅在必要的地方设暗梁以改善楼板的受力性能,每单元整个室内顶板为一整块的平面。这种结构具有各种预应力结构的许多共性,其优点如下:
1)有利于减少地下室埋深及基坑开挖深度。
2)有利于增加
建筑物楼层的净空高度或者减少层高。
3)有利于改善结构的使用功能。
4)具有优越的抗裂性,减少钢筋用量,降低结构的造价。
5)施加预应力后楼板的模板就可以拆除,施工方便,速度快。
2.2预应力混凝土大板结构
现在很多工程都可以采用大板结构,例如建筑平面为井字形,一梯8户,住宅的层高仅为2.8 m,由于是高档商品房,在房间内不得有梁出现,普通的梁板结构无法实现建筑功能的要求,但采用无粘结预应力大板结构方案,除核心筒外,每层由若干块大板组成。户内隔墙均落在预应力大板上,使得建筑布置十分灵活方便。
1)预应力混凝土结构必须满足下列功能要求:a.结构在预应力张拉施工阶段和将来正常使用阶段出现各种可能作用时,具有一定的安全度;b.具有一定的延性变形能力;c.预应力混凝土大板的挠度与反拱在允许范围内;d.结构各截面裂缝宽度不超过允许范围,从而保证预应力与非预应力筋在其所处的环境条件下不产生影响结构耐久性的锈蚀。进行设计时,一般考虑承载能力极限状态和正常使用状态,并对施工阶段进行结构强度验算与材料应力验算。
2)预应力大板的构造要求:a.预应力大板宜采用高强低松弛钢绞线,混凝土的强度等级不宜小于C40。b.预应力大板的最小厚度不宜小于160 mm,使预应力筋具有一定的有效矢高,发挥预应力筋的作用。c.在预应力大板中需有双层双向通长设置的普通钢筋,以提高板的延性和防止预应力反拱引起的开裂。d.在一般建筑中,对裂缝宽度的限制可放宽,取0.22 mm。无粘结预应力大板结构可有效降低楼层的高度,并可有效减小板的厚度,从而减轻整个楼层的重量,综合经济效益明显。该
结构使高层住宅的建筑平面布置更加灵活,并且有利于二次装修时室内布局的改造,适应市场的要求。该结构施工方便,效益显著,在高层住宅的设计中被广泛采用。
2.3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,大多数转换层结构形式有成功地采用预应力技术的例子,如宁波浙海大厦,地上52层,地下2层,在6层处设置了2 000 mm的预应力厚板和3 500 mm×3 200 mm的暗梁作为该超高层建筑的转换层;
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,控制施工阶段的裂缝及减轻支撑负担等只要采用预应力适当,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。
3预应力混凝土技术在楼盖结构体系中的应用
目前预应力混凝土技术广泛应用于建筑结构的楼盖设计中。如何保证采用预应力混凝土技术的建筑结构安全，是广大设计人员当前面临的主要问题。针对工程设计中存在的问题提出如下意见。
3.1在学校设计中，教学楼中的阶梯教室、图书馆、食堂等大跨度混凝土框架梁不宜采用无粘结预应力混凝土技术，特别是单跨且跨度大于12m时，不应采用无粘结预应力混凝土技术。
3.2预应力钢筋的锚固端一般设置于构件的端部或中部。当预应力筋锚固于梁跨间时，因局部应力集中，在锚具附近的混凝土将产生拉应力，当拉应力引起的应变超出混凝土允许应变值时将产生裂缝，在设计上应注意此部位的构造处理。锚固位于柱端时，应考虑锚具的形状和尺寸，避免与柱钢筋相碰。框架结构采用无粘结预应力钢筋技术时，锚固端应采取构造措施避开梁柱核心区，以减少对节点核心区的削弱。
3.3后张预应力混凝土框架梁，应注意预应力强度比。非预应力钢筋的配筋量，应针对抗震的不同等级和结构构件的不同部位采用不同的预应力强度比。
3.4预应力在大跨度楼板应用时，可在楼板的中间填塞聚苯板等轻质材料，形成预应力混凝土空心楼板结构。对于减轻结构自重和隔声等都非常有利。
3.5预应力混凝土框架柱主要用于边框柱，可以减少柱子的截面尺寸、减少钢筋用量，有利于柱子的抗裂。在设计上宜采用非对称配筋，侧采用混合配筋，另一侧仅配普通钢筋，柱子的箍筋应全高加密。
3.6在剪力墙之间张拉预应力筋时，应考虑剪力墙侧向刚度的影响。剪力墙的约束将阻碍楼面混凝土弹性压缩，使预加应力发生转移，从而减少楼面结构的轴向压力。同时，剪力墙的约束还将阻碍楼面收缩和徐变，可能引起楼面混凝土出现裂缝。
4预应力技术不断改进和新的应用
4.1介于先张拉法和后张拉法之间的工艺新的预应力工艺是在浇捣混凝土尚未凝固的时候施加预应力，混凝土在压力的情况下固结。这种施加预应力需要用特殊的可滑动的模板及能把压力传给混凝土的装置。该种方法可在同样配筋率情况下提高梁的承载力25%!34%、柱的承载力75%，抗裂度不变，该方法已在重达30t的桥梁构件中使用。
4.2预应力混凝土路面技术应用
越来越多的高等级路面使用混凝土结构，以取代沥青混凝土路面，其特点是维修费用低。现在每年建造的普通钢筋混凝土路面的主要问题是由于接缝多，使得车辆行驶不舒服。预应力混凝土可解决这个问题。使用预应力混凝土路面，几百米才设置接缝(甚至不需要接缝)，同时预应力混凝土路面不开裂。使用对角线和曲线形预应力筋、锚固在预制的边梁上，使得连续浇混凝土得以进行。预制边梁可作为滑模，预应力筋可代替(甚至全部代替)普通钢筋。预应力混凝土路面有广阔发展前景。
4.3预应力混凝土技术在深基坑开挖、边坡稳定、大面积重荷载基础底板、高层建筑转换梁和转换板、加固工程、大型结构吊装就位等领域得到广泛应用。
5结语
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具有强大的发展力。
关键词：建筑工程 预应力混凝土 应用 问题 措施
Abstract: this paper describes the advantages and disadvantages of prestressed concrete structure, prestressed concrete structure analysis in the form of engineering design and construction in often question and proposes the solution measures.
Keywords: construction engineering application of prestressed concrete measures
中图分类号：TU37文献标识码：A 文章编号：
前言
预应力混凝土是在钢筋混凝土构件承受荷载前,先在构件的受拉区内施加一定的压力,使混凝土产生一定压缩变形的一种钢筋混凝土,简称预应力混凝土。预应力混凝土由于事先人为地施加了一个预加力,使其在受力方面有许多和普通混凝土结构不同的特点。预应力混凝土结构并不能创造出超越其本身材料强度能力之外的奇迹,而只是大大地改善了结构在正常适用阶段的工作性能。
1 预应力混凝土在建筑工程的特性
1.1预应力混凝土在建筑工程的优点
抗裂性好,刚度大。
2)节省材料,减小自重。
3)提高构件的抗剪能力。
4)提高受压构件的稳定性。
5)提高构件的耐疲劳性能。
1.2预应力混凝土在建筑工程的缺点
1)工艺较复杂,对质量要求高,因而需要配备一支技术较熟练的专业队伍。
2)需要有一定的专门设备,如张拉机具、灌浆设
备等。
3)预应力混凝土结构的开工费用较大,对构件数量少的工程成本较高。
2结构形式
2.1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年的使用期内都不需对空间重新分隔和变换使用功能是很难想象的,特别是一般的商场建筑及办公楼建筑。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,提高其使用功能,采用近年来在大量工程中得以广泛应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結构是一个良好的选择。这种预应力无梁平板,除在楼板周边保留必要的边梁和在局部少数有隔墙的地方及洞口边缘保留梁之外,室内明梁全部取消,仅在必要的地方设暗梁以改善楼板的受力性能,每单元整个室内顶板为一整块的平面。这种结构具有各种预应力结构的许多共性,其优点如下:
1)有利于减少地下室埋深及基坑开挖深度。
2)有利于增加
建筑物楼层的净空高度或者减少层高。
3)有利于改善结构的使用功能。
4)具有优越的抗裂性,减少钢筋用量,降低结构的造价。
5)施加预应力后楼板的模板就可以拆除,施工方便,速度快。
2.2预应力混凝土大板结构
现在很多工程都可以采用大板结构,例如建筑平面为井字形,一梯8户,住宅的层高仅为2.8 m,由于是高档商品房,在房间内不得有梁出现,普通的梁板结构无法实现建筑功能的要求,但采用无粘结预应力大板结构方案,除核心筒外,每层由若干块大板组成。户内隔墙均落在预应力大板上,使得建筑布置十分灵活方便。
1)预应力混凝土结构必须满足下列功能要求:a.结构在预应力张拉施工阶段和将来正常使用阶段出现各种可能作用时,具有一定的安全度;b.具有一定的延性变形能力;c.预应力混凝土大板的挠度与反拱在允许范围内;d.结构各截面裂缝宽度不超过允许范围,从而保证预应力与非预应力筋在其所处的环境条件下不产生影响结构耐久性的锈蚀。进行设计时,一般考虑承载能力极限状态和正常使用状态,并对施工阶段进行结构强度验算与材料应力验算。
2)预应力大板的构造要求:a.预应力大板宜采用高强低松弛钢绞线,混凝土的强度等级不宜小于C40。b.预应力大板的最小厚度不宜小于160 mm,使预应力筋具有一定的有效矢高,发挥预应力筋的作用。c.在预应力大板中需有双层双向通长设置的普通钢筋,以提高板的延性和防止预应力反拱引起的开裂。d.在一般建筑中,对裂缝宽度的限制可放宽,取0.22 mm。无粘结预应力大板结构可有效降低楼层的高度,并可有效减小板的厚度,从而减轻整个楼层的重量,综合经济效益明显。该
结构使高层住宅的建筑平面布置更加灵活,并且有利于二次装修时室内布局的改造,适应市场的要求。该结构施工方便,效益显著,在高层住宅的设计中被广泛采用。
2.3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,大多数转换层结构形式有成功地采用预应力技术的例子,如宁波浙海大厦,地上52层,地下2层,在6层处设置了2 000 mm的预应力厚板和3 500 mm×3 200 mm的暗梁作为该超高层建筑的转换层;
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,控制施工阶段的裂缝及减轻支撑负担等只要采用预应力适当,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。
3预应力混凝土技术在楼盖结构体系中的应用
目前预应力混凝土技术广泛应用于建筑结构的楼盖设计中。如何保证采用预应力混凝土技术的建筑结构安全，是广大设计人员当前面临的主要问题。针对工程设计中存在的问题提出如下意见。
3.1在学校设计中，教学楼中的阶梯教室、图书馆、食堂等大跨度混凝土框架梁不宜采用无粘结预应力混凝土技术，特别是单跨且跨度大于12m时，不应采用无粘结预应力混凝土技术。
3.2预应力钢筋的锚固端一般设置于构件的端部或中部。当预应力筋锚固于梁跨间时，因局部应力集中，在锚具附近的混凝土将产生拉应力，当拉应力引起的应变超出混凝土允许应变值时将产生裂缝，在设计上应注意此部位的构造处理。锚固位于柱端时，应考虑锚具的形状和尺寸，避免与柱钢筋相碰。框架结构采用无粘结预应力钢筋技术时，锚固端应采取构造措施避开梁柱核心区，以减少对节点核心区的削弱。
3.3后张预应力混凝土框架梁，应注意预应力强度比。非预应力钢筋的配筋量，应针对抗震的不同等级和结构构件的不同部位采用不同的预应力强度比。
3.4预应力在大跨度楼板应用时，可在楼板的中间填塞聚苯板等轻质材料，形成预应力混凝土空心楼板结构。对于减轻结构自重和隔声等都非常有利。
3.5预应力混凝土框架柱主要用于边框柱，可以减少柱子的截面尺寸、减少钢筋用量，有利于柱子的抗裂。在设计上宜采用非对称配筋，侧采用混合配筋，另一侧仅配普通钢筋，柱子的箍筋应全高加密。
3.6在剪力墙之间张拉预应力筋时，应考虑剪力墙侧向刚度的影响。剪力墙的约束将阻碍楼面混凝土弹性压缩，使预加应力发生转移，从而减少楼面结构的轴向压力。同时，剪力墙的约束还将阻碍楼面收缩和徐变，可能引起楼面混凝土出现裂缝。
4预应力技术不断改进和新的应用
4.1介于先张拉法和后张拉法之间的工艺新的预应力工艺是在浇捣混凝土尚未凝固的时候施加预应力，混凝土在压力的情况下固结。这种施加预应力需要用特殊的可滑动的模板及能把压力传给混凝土的装置。该种方法可在同样配筋率情况下提高梁的承载力25%!34%、柱的承载力75%，抗裂度不变，该方法已在重达30t的桥梁构件中使用。
4.2预应力混凝土路面技术应用
越来越多的高等级路面使用混凝土结构，以取代沥青混凝土路面，其特点是维修费用低。现在每年建造的普通钢筋混凝土路面的主要问题是由于接缝多，使得车辆行驶不舒服。预应力混凝土可解决这个问题。使用预应力混凝土路面，几百米才设置接缝(甚至不需要接缝)，同时预应力混凝土路面不开裂。使用对角线和曲线形预应力筋、锚固在预制的边梁上，使得连续浇混凝土得以进行。预制边梁可作为滑模，预应力筋可代替(甚至全部代替)普通钢筋。预应力混凝土路面有广阔发展前景。
4.3预应力混凝土技术在深基坑开挖、边坡稳定、大面积重荷载基础底板、高层建筑转换梁和转换板、加固工程、大型结构吊装就位等领域得到广泛应用。
5结语
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具有强大的发展力。