預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土在建筑中的應(yīng)用研究

陳嘉輝

摘 要:本文對預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土在建筑工程中的應(yīng)用進(jìn)行探討,指出我國應(yīng)加大預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土工程的研究,以適應(yīng)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。

關(guān)鍵詞:預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土;桁架;大跨度結(jié)構(gòu)

預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土是近幾十年發(fā)展起來的一門新技術(shù),它是構(gòu)件承受外荷載前,預(yù)先在構(gòu)件的受拉區(qū)對混凝土施加預(yù)壓力,這種壓力通常稱為預(yù)應(yīng)力。構(gòu)件在使用階段的外荷載作用下產(chǎn)生的拉應(yīng)力,首先要抵消預(yù)壓應(yīng)力 ,這就推遲了混凝土裂縫的出現(xiàn),同時(shí)也限制了裂縫的開展,從而提高了構(gòu)件的抗裂度和剛度。

1 預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土在建筑中的應(yīng)用

在現(xiàn)代建筑中,預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土適用于一層和多層各種用途的工業(yè)與民用建筑設(shè)施的承重構(gòu)件之中( 如橋梁 ,跨線橋 ,蓄水庫 ,倉庫等等 ) 。預(yù)應(yīng)力構(gòu)件同樣也被應(yīng)用于一些個(gè)別的構(gòu)件中:用于水利 工程中的樁,水槽,板殼體構(gòu)件等等。在一層工業(yè)建筑的承重構(gòu)件中利用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土的達(dá)70%～80%。

在當(dāng)代,對一層的工業(yè)建筑來說,預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的制造已經(jīng)被開發(fā)和掌握:板面尺寸滿足15*6m,3*6,1.5*12m和3*12m。側(cè)面板尺寸0.8*12m。單跨和多跨梁的跨度滿足12～14m,桁架跨度滿足18～30m,人字形人字形珩架梁和吊車梁的長度為 6～12m,墻面長 6～12m,寬0.8～2.4m。預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土被應(yīng)用到一些空間結(jié)構(gòu)中去(如殼體,拱圈,板殼結(jié)構(gòu)),這些結(jié)構(gòu)整體處于應(yīng)力狀態(tài)下或其包含一些預(yù)應(yīng)力單元(如肋梁,桁架板)。大部分在一系列方案中已經(jīng)開始施工的結(jié)構(gòu),都利用了對剛腱來說專門預(yù)先指定的銅絲,剛絞線。

降低預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土工程造價(jià)及減少施工過程中工作量的要求,推動了新的結(jié)構(gòu)方案的產(chǎn)生及完善,推動了施工技術(shù)的進(jìn)步,結(jié)構(gòu)質(zhì)量的減輕,各種結(jié)構(gòu)的綜合運(yùn)用,材料用量的減少以及工廠準(zhǔn)備程度的提高。

標(biāo)準(zhǔn)的無斜腹桿式屋架荷架具有拱形的上工過程中工作量的要求,推動了新的結(jié)構(gòu)方案的弦桿,承受節(jié)點(diǎn)和節(jié)間荷載。在當(dāng)代,一些更經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生及完善,推動了施工技術(shù)的進(jìn)步,結(jié)構(gòu)質(zhì)量的的元斜腹桿式和架被應(yīng)用到工程中,這種荷架的減輕,各種結(jié)構(gòu)的綜合運(yùn)用 ,材料用量的減少以及上弦桿式不規(guī)則的,結(jié)點(diǎn)間是直線段,這節(jié)省了鋼工廠準(zhǔn)備程度的提高。

隨著應(yīng)力鋼筋品種增多及中等級混凝土強(qiáng)度的提高,出現(xiàn)了裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)這個(gè)名稱。這種結(jié)構(gòu)實(shí)際上包含有極大多數(shù)成品構(gòu)件,這對于各種工業(yè)部門的一層及多層統(tǒng)一的大規(guī)模生產(chǎn)建筑來說是必須的。這種結(jié)構(gòu)多利用長度為6～12m,12～18m的屋架梁上,18、24及36m的人字形梁及桁架,不同結(jié)構(gòu)的長度為6～12m的墻板及柱子。

對于各種不同跨度的一層生產(chǎn)建筑,尤其是跨度在24-30m的建筑,預(yù)應(yīng)力裝配式鋼筋混凝土桁架結(jié)構(gòu)是一種基本的屋架結(jié)構(gòu)形式。在靜力學(xué)研究中知道,最合理的上弦簡圖是扇形和拱形弦的桁架,因此,那些桁架的桿件單元的內(nèi)力不大,而弦中的內(nèi)力按跨度改變不明顯。

對于平屋頂要利用平行弦桁架,鋼筋混凝土桁架的高度,通常取平均跨度的1/7～1/9。最理想的上弦節(jié)間大小 為3m,此時(shí),桁架節(jié)點(diǎn)板荷載的傳遞寬度為3m,因此,出現(xiàn)上弦桿的局部彎曲。鋼筋混凝土桁架下弦及桿件單元作用有顯著的集中力。

鋼筋混凝土桁架可以整體進(jìn)行施工,也可以半桁架施工。通過對下弦桿的預(yù)應(yīng)力鋼筋,鋼絲或桿件施加應(yīng)力,再傳遞給混凝土的方式制造裝配式桁架。半桁架的組合是根據(jù)下弦桿焊接預(yù)埋件來實(shí)現(xiàn)的。施工和管理經(jīng)驗(yàn)顯示,整體式桁架更易施工。半桁架從最后裝配到施工現(xiàn)場桁架成本提高 了5%～20%,而施工的工作量提高了15～25%.利用整體式桁架可以保障結(jié)構(gòu)生產(chǎn)的安全性。在當(dāng)代,跨度小于24m的桁架一般采用整體式,而對于大跨度結(jié)構(gòu)在中間對接。

在工程運(yùn)用了由縱向元件構(gòu)成的桁架,在裝配那些桁架時(shí),要把弦桿和腹桿的外伸鋼筋焊接好,而在節(jié)點(diǎn)澆筑混凝土。預(yù)應(yīng)力鋼筋被放置在預(yù)留的下弦孔道后,澆注混凝土,待混凝土有了足夠強(qiáng)度之后,施加預(yù)應(yīng)力。

在最近十年間,在工程中開始運(yùn)用跨度為18、24及30m的無斜腹桿式標(biāo)準(zhǔn)桁架。豎桿間距為3m.下弦桿配有預(yù)應(yīng)力鋼筋,鋼絲,鋼絞線的整體式桁架已經(jīng)被設(shè)計(jì)出來并已被運(yùn)用。

由高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土制成的無斜腹桿式鋼筋混凝土桁架與斜腹桿式桁架相比 具有很多優(yōu)點(diǎn)。無斜腹桿式桁架使任何形式的斜屋面的應(yīng)用成為可能。這種桁架在施工中可以使鋼筋的綁扎,混凝土的澆灌和振搗的工作量都得到簡化。由于沒有了斜腹桿,使桁架空間的利用率得到了有效的提高,其面積約占建筑物公共面積的15～30%,且減少了鋼材消耗的費(fèi)用。

標(biāo)準(zhǔn)的無斜腹桿式屋架桁架具有拱形的上弦桿,承受節(jié)點(diǎn)和節(jié)間荷載。在當(dāng)代一些更經(jīng)濟(jì)的無斜腹桿式桁架被應(yīng)用到工程中,這種桁架的上弦桿式不規(guī)則的,結(jié)點(diǎn)間是直線段,這節(jié)省了鋼筋的消耗,也更有效的利用了高強(qiáng)混凝土。

鋼筋混凝土箱形構(gòu)件跨度為 18m,24m,它起支撐和聯(lián)系的作用。它被應(yīng)用在工業(yè)建筑中 ,首先是紡織工業(yè)企業(yè)的建筑中。根據(jù)工業(yè)建筑中央科學(xué)研究所的資料顯示,利用跨度為18m的鋼筋混凝土箱形構(gòu)件與普通混凝土構(gòu)件相比,可以節(jié)省混凝土消耗28%,而可以節(jié)約鋼材消耗達(dá)30%。

板件的建筑安裝工作量可以減少16%,而工程費(fèi)用平均可以節(jié)省10%,裝配元件的數(shù)量可以減少4倍,鋼筋混凝土箱形構(gòu)件主要利用輕質(zhì)混凝土,使構(gòu)件質(zhì)量減少25%.而結(jié)構(gòu)的施工工程量與普通混凝土相比也減少了20%。

在我國,把主要精力放在新型混凝土空間結(jié)構(gòu)和高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)扔研究和應(yīng)用上,因此要利用輕質(zhì)混凝土和多孔混凝土,尺寸為3*12m,3*15m及3*18m的預(yù)應(yīng)力拱形構(gòu)件是空間結(jié)構(gòu)中最經(jīng)濟(jì)的,這種類型的構(gòu)件同普通的鋼筋混凝土板件相比可以保證節(jié)約混凝土消耗15%～20%,節(jié)約鋼材消耗20～35%,減少工程裝配勞動量5%～12%,使工程造價(jià)降低15%.在生產(chǎn)建筑屋頂?shù)脑O(shè)計(jì)中最大限度地運(yùn)用了全跨預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及尺寸為3*18m及3*24m的板件。

2 預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土在大跨度設(shè)施中的應(yīng)用。

預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土在大跨度結(jié)構(gòu)及多高層結(jié)構(gòu)中得到了更有效的利用。國外都建設(shè)了一系列極好的大跨度工程設(shè)施。大跨度結(jié)構(gòu)包括各種形式的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土橋梁:帶實(shí)心墻和結(jié)構(gòu)墻的分段梁式及連續(xù)式跨空結(jié)構(gòu),帶實(shí)心墻的懸臂式,框架懸臂式及拱形懸臂式跨空結(jié)構(gòu)。

橋梁建筑在更廣闊的領(lǐng)域中應(yīng)用了預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土,在國外,每年橋梁建筑的數(shù)量都有顯著的增多。這說明預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)上的可能性,施工性,以及經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)越性,在橋梁上已經(jīng)成功地運(yùn)用了跨度達(dá)230m的金屬結(jié)構(gòu)。

隨著橋梁結(jié)構(gòu)簡圖的日趨完善,高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土的應(yīng)用,在未來可以建成跨度在400m以內(nèi)的公路橋。

城市內(nèi)的橋多屬于裝配式懸索橋。橫跨莫斯科河的大橋,平均通航跨度為128m及148m,而橫跨頓河和伏爾加河的大橋跨度為120m、148m。裝配式結(jié)構(gòu)由質(zhì)量在45噸～180噸的箱形梁拼接而成。伏爾加河橋,涅瓦河橋及橫跨其他河流的大橋都是一些大跨度橋梁。

在近些年,在蘇聯(lián)建設(shè)了一系列跨度大于100m的各種形式的鋼筋混凝土大型橋梁。隨著施工和構(gòu)件裝配方面一些專業(yè)的新技術(shù)和方法被研究出來,預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土大跨度結(jié)構(gòu)得到了蓬勃發(fā)展和運(yùn)用。在機(jī)械化工廠預(yù)制構(gòu)件在我國得到了更快的發(fā)展。首先在蘇聯(lián)建成了跨度大于50m的裝配式橋梁,在國外把它稱為“俄羅斯的方法”。在意大利,瑞典和其他國家,習(xí)慣使用連續(xù)式鋼筋混凝土構(gòu)件和裝配式混凝土構(gòu)件結(jié)合構(gòu)成 設(shè)施的承重部分。在英國和芬蘭主要應(yīng)用裝配整體式結(jié)構(gòu)。

具有代表性的是俄國的伏爾加河的全2800m的鋼筋混凝土公路橋。船只通航的部分是全長710m的五跨連續(xù)段:106+3*166+106m貫穿結(jié)構(gòu)的大梁由8個(gè)長120m左右,質(zhì)量2600噸的梁組成,在岸上設(shè)置了專門的模板,為了澆注橋梁承重構(gòu)件。對于大跨度建筑要采用C40混凝土。預(yù)應(yīng)力鋼筋采用直徑450mm的鋼絲。大跨度建筑的運(yùn)輸和安裝要借助起吊的方法,這種方法可以應(yīng)用到所有形式的橋梁建筑中。

3 結(jié)語

和發(fā)達(dá)國家相比,我們預(yù)應(yīng)力混凝土工程的研究相對落后。為適應(yīng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,緩解交通壓力問題,我們應(yīng)加強(qiáng)提高預(yù)應(yīng)力技術(shù)水平的科研工作,相信預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用前景將更加廣闊。