预应力技术在建筑上的应用论文

预应力技术在建筑上的应用摘要：预应力就好比我们生活中看到的伸缩弹簧中缩性弹簧，利用弹簧本身的变形来产生一个力，而在建筑行业这个力也被广泛的利用，这就是预应力。由于预应力技术的应用不仅能够节省结构物的施工材料，并减轻其自重、增强其结构的抗渗能力和抗裂水平、降低其结构主拉应力和竖向剪力、提高其结构刚度，而且同时还具有施工工艺便捷、结构形式简单、设计安全可靠等特点，因此预应在建筑工程中被广泛利用。关键词：预应力发展；预应力技术；预应力应用前言自上个世纪50年代开始，建筑工程中开始应用预应力技术，到了上世纪80年代，该技术在路桥工程中开始被推广并得到了较为广泛的应用。具体的施工技术是在混凝土工程中应用预应力技术，构建预应力混凝土构件，对结构构件受拉区的钢筋在弹性范围内进行拉伸，利用钢筋的弹性回缩，对受压区的混凝土预先施加预压应力，以提高结构构件的抗裂性、刚度和耐久性等性能的技术，进一步推迟受拉区混凝土开裂。与普通钢筋混凝土比较，预应力混凝土具有构件截面小、自重轻、刚度大、抗裂度高、耐久性好、材料省等优点，但预应立力混凝土施工时，需要专门的材料与设备、特殊的工艺，单价较高。在大开间、大跨度与重荷载的结构中，采用预应力混凝土结构，可以减少材料用量，扩大使用功能，综合经济效益好。近年来我国大力开发和提升交通基础设施的建设浪潮中，对于增强道路桥梁的承载能力和使用年限等方面，都有着非比寻常的重要意义和广阔的发展前景。1预应力混凝土的发展、概念及原理1.1预应力混凝土的发展预应力混凝土是针对普通钢筋混凝土容易受拉开裂的缺陷而发展起来的新材料。西欧和北美的学者，几乎花了半个世纪的努力，但都由于采用了低强钢材，施加了预压应力太低、损失率太高而未获得成功。直到1928年方由法国著名工程师弗来西奈认识到必须采用高强钢材和高强混凝土以提高张拉应力、和减少损失率之后，方获成果，因之公认他为预应力混凝土的发明人。当时，正值二战前夕，研究进展迟缓。1945年二战结束，西欧急需恢复战争创伤，但钢材奇缺。尽管预应力混凝土(简称PC)理论并不成熟，但是迫于情势在桥梁、工厂等大跨结构中，马上大规模投入使用。预应力混凝土是采用强度比普通钢材高五、六倍的新材料，它在设计、生产和施工上，确有其特殊性和复杂性，非一般建筑设计施工单位所能胜任。北美的PC是从学习西欧起步的，时间大约晚5-10年。1950年WalnutLane桥的建成、是美国起步的突破口，它引起了美、加两国工程界极大重视和兴趣1949年美国Pottstown市的Baskin预制厂首先开发成功7股钢绞线，并用于长线台座生产，1952年Colorado预制厂研制成功先张混凝土双T板并取得专利。于是北美各大城市，新创立的预制厂，如雨后春笋，十年之内就设厂200多家，使北美成为1950年代全球PC发展最快的地区。自上个世纪50年代开始，建筑工程中开始应用预应力技术，到了上世纪80年代，该技术在路桥工程中开始被推广并得到了较为广泛的应用。近年来，在巨大工程建设任务，特别是重点建设项目和大型工程的带动下，我国的混凝土及预应力混凝土工程技术水平有了很大的提高。目前，我国混凝土的年用量约为24-30亿方米，用于房屋建筑和土木工程的水利、交通、市政等所有行业，从结构材料类型方面来讲，混凝土及预应力混凝土结构约占全部工程结构的90％以上。混凝土及预应力混凝土将是现阶段乃至未来二十年内我国主导的工程结构材料。1.2预应力混凝土的概念预应力混凝土是在结构构件承受荷载之前，预先对其在外荷载作用下的受拉区施加预压力，促使其产生预压应力，这样当结构在使用荷载作用下产生拉应力时，必须先抵消事先施加的这一预压力，然后才能随着荷载的增加，使受拉区的混凝土受拉开裂。这种施加预压应力的钢筋混凝土就叫做预应力混凝土。预应力混凝土的概念在麦的指导下，由林主持做了四根双跨连续梁的实验。结果表明，实测值与理论计算值附和良好。这就肯定了牛顿的静力学与材料力学完全适用于预应力混凝土的分析与设计；在麦尼尔实验所，林看到数以百计的各种截面形状、尺寸和跨度构件的实验报告。在此基础上，认为可用三个不同的概念来理解、分析和计算预应力混凝土。这三个概念是：预加应力是为了改变混凝土材性，由脆性变为弹性；预加应力是为了使高强钢材与混凝土能共同工作；等效荷载平衡。1.3预应力混凝土的原理预应力混凝土的原理是为了避免钢筋混凝土结构的裂缝过早出现，充分利用高强度钢筋及高强度混凝土，设法在混凝土结构或构件承受使用荷载前，通过施加外力，使得构件受到的拉应力减小，甚至处于压应力状态下的混凝土构件。工作原理如图所示简支梁为例:1．由于预先给混凝土梁施加了预压力Ｎp，使混凝土梁在均布荷载ｑ作用下，下缘的拉应力完全被预压应力所抵消，可以避免裂缝出现，混凝土梁始终全截面参加工作。必须针对荷载作用下可能产生的应力状态来施加预应力。施加的预压应力Ｎp不仅与荷载(或者说弯矩)的大小有关，且与Ｎy的作用位置(即偏心距ｅ的大小)有关。2预应力混凝土的施工技术2.1预应力混凝土的分类《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002、GBJ2002-89）的分类根据抗裂等级将预应力混凝土分为三类：抗裂等级一级：严格要求不出现裂缝的构件，按荷载短期效应组合进行计算时，构件混凝土受拉边缘不产生拉应力；抗裂等级二级：一般不允许出现裂缝的构件，按荷载短期效应组合计算值，允许产生拉应力，但拉应力不应超过允许值；抗裂等级三级：允许出现裂缝，按荷载短期效应组合计算，并考虑荷载长期效应组合影响，计算的最大裂缝宽度不超过允许值。中国土木工程学会预应力混凝土学会的分类方法根据按弯矩比（或应力比）表达的预应力度，将预应力混凝土分为：全预应力；部分预应力。（限值预应力，部分预应力）。国际预应力协会的分类按任意荷载组合下的主应力状态，将预应力混凝土分为三类：全预应力：沿预应力筋方向没有达到消压极限状态；有限（限值）预应力：主拉应力没有达到混凝土的抗拉强度设计值；部分预应力：混凝土的拉应力没有限制（允许开裂，但必须控制裂缝宽度）。从上所说预应力混凝土的分类大体可分为：按施工方式的不同，被分为预制预应力混凝土、现浇预应力混凝土和叠合预应力混凝土。按预应力筋粘结状态，又可分为有粘结预应力混凝土和无粘结预应力混凝土。按预应力度的大小可分为全预应力混凝土和部分预应力混凝土。按少力荷载的不同分为全预应力混凝土和部分预应力混凝土。按预加应力的方法不同，可分为先张法预应力混凝土和后张法预应力混凝土。2.2预应力混凝土的施工工艺先张法与后张法的施工工艺：①先张法②先张拉钢筋，后浇灌混凝土构件。③先张法施工的3个阶段：a、张拉钢筋；b、浇灌混凝土和养护；c、放松钢筋建立预应力。后张法①先浇灌混凝土构件，②后张拉钢筋，③后张法施工的3个阶段：a、构件制作和养护；b、张拉钢筋建立预应力；c、灌浆和锚头处理。④有粘结、无粘结。⑤直线预应力筋、曲线预应力筋⑥纵向张拉、横向张拉。2.3预应力混凝土的材料预应力对钢筋的要求：强度要高；有较好的塑性；要具有良好的与混凝土粘结性能；应力松弛损失要低。预应力钢筋的种类：高强度钢丝；精轧螺纹钢筋；钢绞线。3预应力混凝土在建设房屋建筑行业中应用3.1预应力混凝土施工技术的特点及优点中、小型预应力构件一般采用先张法，大型预应力构件一般采用后张法。唯一区别是先张法是将张拉后的预应力钢筋直接浇筑在混凝土内，依靠预应力钢筋与周围混凝土之间的粘结力来传递预应力。而后张无粘结预应力混凝土的预应力钢筋完全依靠端头锚具来传递预压力。如果忽略摩擦的影响，后张无粘结预应力混凝土中预应力钢筋的应力沿全长是相等的，在单一截面上与混凝土不存在应变协调关系，当截面混凝土开裂时对混凝土没有约束作用，裂缝疏而宽，挠度较大，需设置一定数量的非预应力钢筋以改善构件的受力性能。是否容易产生裂缝只与预应力度有关即与预应力施加的大小有关，而与制作方法无关，但要明白一点，一般来说，施加同样的张拉应力时，先张法要比后张法预应力损失大，因为先张法中混凝土有弹性回缩。预应力混凝土施工技术的优点是有利于减少地下室埋深及基坑开挖深度。对于有地下室的大型建筑或高层建筑，常常把地下室作为车库或商场。底板、顶板均可做成预应力平板；局部配电房、发电机房等需层高较高者，可局部下挖，使之达到设备高度要求；这样，在地下室中，则降低了层高，减少了水压力，减少了底板支模工序及基坑开挖深度，减少了外墙砼用量，从而降低造价，具有很高的社会和经济效益。利于增加建筑物楼层的净空高度或者减少层高。同时能达到使用空间感好、甚至可以避免了没必要的吊顶装修、节省装修费用等优点。利于改善结构的使用功能。现在业主根据自已的爱好，经营商品的组成变化，需要对商场及办公楼进行重新分隔的现象比较普遍，甚至在不同时期因业主的变化，都会有不同的间隔要求。预应力楼板对用途的改变极容易适应，在任意位置均可以设置隔墙，方案可以是多种多样，可给用户最大的自由度，使房屋使用功能及档次得到很大的提高，是房屋销售的一大卖点。由于预应力结构预加了应力，在同样荷载条件下结构具有优越的抗裂性能。在预应力混凝土结构中预应力筋可产生一个向上等效荷载，同时在板中产生一个轴向压力，使平板刚度提高，挠度大大减少，抗裂性能也大为提高。采用预应力混凝土无梁平板结构可以大量减少钢筋用量，降低工程造价的作用。3.2预应力混凝土施工技术的区别先张法即先张拉钢筋后浇注混凝土。其主要张拉程序为：在台座上按设计要求将钢筋张拉到控制应力→用锚具临时固定→浇注混凝土→待混凝土达到设计强度75%以上切断放松钢筋。其传力途径是依靠钢筋与混凝土的粘结力阻止钢筋的弹性回弹，使截面混凝土获得预压应力。预加应力的方法先张法施工简单靠粘结力自锚不必耗费特制锚具临时锚具可以重复使用(一般称工具式锚具或夹具)，大批量生产时经济，质量稳定。适用于中小型构件工厂化生产。后张法有粘结预应力混凝土先浇混凝土，待混凝土达到设计强度75%以上，再张拉钢筋(钢筋束)。其主要张拉程序为：埋管制孔→浇混凝土→抽管→养护穿筋张拉→锚固→灌浆(防止钢筋生锈)。其传力途径是依靠锚具阻止钢筋的弹性回弹，使截面混凝土获得预压应力，这种做法使钢筋与混凝土结为整体，称为有粘结预应力混凝土。有粘结预应力混凝土由于粘结力(阻力)的作用使得预应力钢筋拉应力降低，导致混凝土压应力降低，所以应设法减少这种粘结。这种方法设备简单，不需要张拉台座，生产灵活，适用于大型构件的现场施工。无粘结预应力混凝土，其主要张拉程序为预应力钢筋沿全长外表涂刷沥青等润滑防腐材料→包上塑料纸或套管(预应力钢筋与混凝土不建立粘结力)→浇混凝土养护→张拉钢筋→锚固施工时跟普通混凝土一样，将钢筋放入设计位置可以直接浇混凝土，不必预留孔洞，穿筋，灌浆，简化施工程序，由于无粘结预应力混凝土有效预压应力增大，降低造价，适用于跨度大的曲线配筋的梁体。3.3预应力混凝土在平板结构的应用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结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。由于预应力结构预加了应力，在同样荷载条件下结构具有优越的抗裂性能。在预应力混凝土结构中预应力筋可产生一个向上等效荷载，同时在板中产生一个轴向压力，使平板刚度提高，挠度大大减少，抗裂性能也大为提高。采用预应力混凝土无梁平板结构可以大量减少钢筋用量，降低工程造价的作用。3.4预应力混凝土在框架结构的应用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。这种结构于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，施工快速等优点。若这种大板配合预应力宽扁梁使用，则也能很大程度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，比做普通预应力粱650mm少200mm高，比普通混凝土梁800mm少350mm，在节省钢筋和混凝土方面可以说是达到很好的效果。有梁大板结构适合用于住宅和办公楼，尤其是住宅，不设次梁，既避免了室内难看的次梁景观，也利于住户自行隔断房间以实现不同的功能，即使更换了新住户，改造房子时仍然可以再次自行布置房间。近十多年广州市很多大型的商场和公共建筑都采用了这种结构形式，甚至有下部，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。4预应力混凝土的经济性预应力混凝土与普通钢筋混凝土相比较时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。另外，由预应力产生的间接的节约常常是显著的，也应充分予以考虑。这些间接的节约包括减少维修工作或者完全避免维修，而且由于结构有更好的耐久性（由于没有永久性开裂而增加耐久性），以致延长了使用寿命；减少支承结构和基础承担的静重；可以达到较大的跨径和减少支承；减低结构的高度（或者有相同高度的较大跨径）。5对预应力技术的展望预应力技术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。实践证明,预应力技术以种种优势，在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。我们有理由相信，随着我国建筑业的飞速发展，施工技术及施工队伍素质的不断提高，预应力混凝土必将迎来更加美好的应用前景。参考文献[1]王开文.后张法预应力施工技术常见的两个问题[J]山西建筑.2006.32（9）：141-142[2]吴元乃等.建筑业10项新技术及其应用.北京：中国建筑工业出版社.2005.

[3]王华.建筑业10项新技术应用.

南京：江苏科学技术出版社.2005.

[4]孙作洪.浅谈