预应力技术在工民建框架结构设计中的应用

预应力技术在工民建框架结构设计中的应用

胡俊华

武汉华中科大建筑设计研究院

摘要：本文立足于预应力技术基础，简要阐述和分析了预应力技术在工民建框架结构设计中的应用，希望该技术能在工程中合理应用，从而提高工程质量,提升工程安全性及耐久性,最终实现工程效益最大化。

关键词：预应力技术；工民建；结构设计；应用

1.前言

在城市发展中工民建结构显得尤为重要，而在施工中，预应力技术将对工程质量起到关键性的作用，这就需要我们在施工过程中合理应用并加强对预应力技术的管控。

2.预应力技术概述

预应力技术一般是指对结构构件中的钢筋预先施加应力的技术，用以改进结构构件的受力作用。比如在接受外荷载之前，对受拉模块中的钢筋，施加预压应力，可以提升构件的刚度，延迟裂缝的出现，增加构件的耐久性。中国人在很早以前就懂得应用这种技术。大家见过在木桶周围套上铁皮或竹箍，以紧密木条，提升刚度。这种铁皮或竹箍的作用就是对木桶壁产生一个环向的压应力，只要桶里的水压不大于这个预加的压应力，水桶就不会开裂不容易漏水。

对预应力技术通常按照不同的原则分类。按施加应力的方法，可以分为先张法预应力技术和后张法预应力技术；按纵向预应力度大小不同，可以分为全预应力和部分预应力；按预应力钢筋与混凝土的联系情况，可以分为有粘结预应力和无粘结预应力；按施工方式，可以分为预制、现浇及叠和预应力。别看分类这么复杂，原理就和那木桶外围的铁箍一样，只不过是施工工艺不一样。就比如先把铁箍做好预拉伸后套在木桶上，这即是先张法；也可以把铁箍套上木桶后再拉伸拧紧，这即是后张法。

3.预应力结构面临的问题及对策

3.1预应力混凝土对材料的要求

（1）混凝土:强度高、收缩、徐变小、快硬、早强。（2）钢筋或钢绞线：强度高，具有足够的塑性，良好的加工性能，与混凝土有较好的粘结强度。（3）锚具：预应力筋锚具、夹具和衔接器应具有可靠的锚固性能、足够的承载力和良好的适用性，能保证充分发挥预应力筋的强度。预应力筋的品种：预应力筋一般由单根或成束的钢丝、钢绞线或钢筋组成。按性质区分，预应力筋包含金属预应力筋和非金属预应力筋两类。常用的金属预应力筋可分为钢丝、钢绞线和热处理钢筋。非金属预应力筋主要指纤维增强塑料预应力筋。常用的预应力筋有冷拔低碳钢丝，直径：3～5mm；碳素钢丝，直径：3～8mm；钢绞线：由7根碳素钢丝缠绕而成；热处理钢筋：直径：6～10mm；热轧螺纹钢筋，直径：25～32mm。预应力筋的检验。一是钢丝的检验：外观检查；力学性能试验。二是钢绞线的检验：成批验收；屈服强度和松弛试验；外观检查和力学性能检验。三是热处理钢筋的检验：外观检查；拉伸试验。

3.2预应力结构存在的问题及处理方法

近十几年来，在应用高效预应力混凝土方面取得了较大的发展。各种桥梁结构的型式、跨径和施工工艺都有了很大提升。预制预应力混凝土简支架的经济跨度铁道桥架已扩大到40m；公路与城市桥梁扩大到50m；预应力混凝土连续钢构桥达270m；大跨度斜拉桥的跨径：预应力混凝土桥面的达432m(铜陵长江大桥)，钢与混凝土结合桥面的达602m(杨浦大桥)。桥梁结构当前面临的问题主要是如何提升质量，特别是耐久性问题，而不再是经不经济、用不用的问题了。高效预应力混凝土在房屋建筑中的应用由于房屋建筑自身的特殊性，现在仍处于由低强钢材向高强钢材、向高效预应力混凝土过渡的时期，呈现现浇后张热、预制先张冷的现象，发展很不平衡，前景也不太明朗。下面对预应力结构一些问题和对策进行剖析。

中国现浇后张无粘结双向平板造价偏贵的原因在于普通钢筋用量太多，而无粘结筋用量与国外相比差别不大。普钢用量大是由于对无粘结筋耐久性的担心，作为强度的第二道防线，由于现有技术还不能完全满足整体封闭防水的要求。当然，设计、施工缺乏经验、技术规章制度不健全、缺少有效的监督管理体制等等也都是原因。要降低普通钢筋用量，一方面，要投入人力物力财力仔细处理单根钢绞线无粘结束成套装置的整体封闭防水问题，包含张拉端和固定端锚具与束的整体封闭连接做法和提升塑料套管的韧性与强度，并选用直径12.7mm钢绞线替代直径15.4mm的钢绞线以减少在工程应用中钢束的间距；另一方面，要努力学习和把握国外设计、施工技术和有关规章制度，这些都是经过屡次重复试验验证并经过长期实践的经验总结，可以直接套用，做到迎头赶上，然后避免“从零开始”的很多重复劳动。这些困扰无粘结预应力筋的问题都会很快得到处理，无粘结筋不仅会价廉物美地大量应用于平板结构，也会较多应用于其它结构，替代传统的灌浆有粘结后张预应力筋。

4.预应力在工民建结构设计中的应用

4.1预应力技术在转换层结构中的应用

由于城市规模的扩大和土地资源的缺乏，高层建筑在建筑施工中已经占有了较高的份额。建筑下部楼层与外部联系紧密，特别是城市临街建筑，设置商业、大厅、娱乐等公共用房，希望有尽可能大的灵活布置空间，需要柱网大，剪力墙少；而建筑物上部楼层私密性较强，设计为住宅、旅馆、公寓等小开间用房，这就需要在上下楼层柱网、剪力墙等构件不连续处设置转换结构构件完成上下楼层结构布置的改变，包括转换梁、转换桁架、转换板等，转换结构构件所在的楼层就称为转换层。

将预应力技术应用于梁式转换层结构，可以节约材料，减轻自重，降低造价和施工难度，有效加快施工速度，能产生较好的经济效益和社会效益。预应力技术应用于桁架转换层可以限制截面裂缝宽度、减小构件挠度，改善混凝土结构的受力性能，能取得良好的经济效益。预应力技术应用于板式转换层中使转换厚板在满足强度和刚度的同时，能进一步减小转换板厚，减小板的挠度和裂缝，从而较好地达到结构受力与变形的要求。

4.2预应力技术在加固施工过程中的应用

为了提高现有建筑物的承载力以及增加其使用寿命,可以采用合理的结构加固技术来实现，目前混凝土结构（砌体结构）的主要加固方法有：加大截面加固法、置换混凝土加固法、外包钢加固法、外加预应力加固法、改变结构传力途径加固法、外粘钢板加固法、外粘碳纤维片材加固法、植筋和锚栓、裂缝修补等。

外加预应力加固法是用体外预应力筋(拉杆)或撑杆对结构进行加固的方法,通过施加预应力，强迫后加的拉杆(筋)或撑杆受力，改变原结构内力分布，降低原结构应力水平,使一般加固结构中所特有的应力应变滞后现象得以完全消除，后加部分与原结构能较好地共同工作，使结构总承载力可显著提高,可减少结构的变形、裂缝宽度缩小,甚至完全闭合。外加预应力加固法适合高应力状态下的结构，尤其是大型结构的加固。

4.3有粘结预应力混凝土与无粘结预应力混凝土

有粘结预应力混凝土是先浇混凝土,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，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连结为整体,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。

4.4全预应力混凝土结构与部分预应力混凝土结构

全预应力混凝土结构是指在使用荷载最不利组合时，构件正截面不出现拉应力。它的特点是抗裂性能好、抗疲劳性能好、设计计算简单、反拱值往往过大、张拉端的局部承压应力较高、延性较差对抗震不利。

部分预应力混凝土结构按使用荷载作用下构件正截面混凝土的应力状态，可将其分为两类：A类：正截面的拉应力不超过规定限值；B类：正截面的拉应力超过限值，但当出现裂缝时，其裂缝宽度不超过允许限值。部分预应力混凝土结构的特点是可合理控制裂缝与变形、节约钢材、可控制反拱值不致过大、延性较好、在部分预应力混凝土构件中通常配置非预应

力钢筋，因而其正截面受弯的延性较好，有利于结构抗震，并可改善裂缝分布，减小裂缝宽度；与全预应力混凝土相比，可简化张拉、锚固等工艺，获得较好的综合经济效果，但设计计算相对较复杂。

5.结束语

工民建筑工程一旦出现质量问题会严重威胁着人们的生命财产安全，这就需要加强对施工过程中人和物的有效科学管理。预应力技术作为施工的一部分也不能忽视，当前预应力技术在工民建框架结构设计中的应用仍然需要进一步提升，仍需继续探索。

参考文献

[1]张济宁.预应力技术在现代建筑结构设计中的应用[J].中国科技财富，2012（4）:38.

[2]王方兰.大面积预应力技术在建筑框架结构设计中的应用[J].中小企业管理与科技（下旬刊）,2011（1）:122.