預應力混凝土結(jié)構(gòu)的研究與應用

段惠全

（山西路橋建設(shè)集團有限公司陽泉分公司，山西 陽泉 045000）

在構(gòu)件受荷載前，預先對混凝土受拉區(qū)施加預應力的結(jié)構(gòu)被稱為預應力混凝土結(jié)構(gòu)。預應力混凝土能充分利用高強鋼筋和高強混凝土，減少鋼筋用量和構(gòu)建截面尺寸，減輕構(gòu)件自重，增大跨度尺寸；一般不產(chǎn)生裂縫，耐久性好，擴大了構(gòu)件的使用范圍，并提高了構(gòu)件抵御外部不良環(huán)境影響的能力。在同樣的荷載條件下，預應力構(gòu)件的截面尺寸可設(shè)計的比較小，節(jié)約材料，減小自重。預應力技術(shù)的發(fā)展為裝配式結(jié)構(gòu)提供了良好的裝配、拼裝手段等。下面就通過分析預應力混凝土在實際工程中的應用來闡述其優(yōu)點。

1 預應力混凝土結(jié)構(gòu)在房屋建筑中的研究與應用

1.1 在樓蓋和房屋結(jié)構(gòu)中的應用

在樓蓋和房屋結(jié)構(gòu)中，用預應力技術(shù)可以增大房屋結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟跨度，這就有可能將本來需要布置一排或兩排內(nèi)柱的“柱林”式，改變?yōu)闃牵ㄎ荩┟嬷苯又С杏诳v向外墻的無內(nèi)柱大空間單跨建筑。由于消滅了內(nèi)柱及其基礎(chǔ)所獲得的節(jié)約，以及無內(nèi)柱障礙而使有效面積利用率增加（一般為5%～8%），這就都使有效面積的單位造價比小跨度建筑往往更為便宜。

1.2 在框架結(jié)構(gòu)中的應用

在框架結(jié)構(gòu)中常采用開間方向小、跨度方向大的不等跨柱網(wǎng)，“大跨用主梁，小跨用次梁”，這是結(jié)構(gòu)布置的傳統(tǒng)做法。采用預應力方案時則恰恰相反，小跨做主梁、大跨做次梁更為經(jīng)濟合理。這種布置的樓面機構(gòu)高度決定于次梁，次梁跨度雖大，但可采用減小間距（如2～3 m）的方法以減小負荷，這樣梁高就可以降低（如為跨度的1/20，甚至是1/25）。樓面機構(gòu)高度小了，能起到壓縮層高的效果。例如，重慶沙坪壩建設(shè)的工商銀行大樓，該樓為滿足現(xiàn)代化銀行的業(yè)務和辦公要求，大樓各層平面均設(shè)有兩個開間為16.5 m、進深為20.4～33.6 m的大開間。左邊為建設(shè)銀行，高10層（含地下層），右邊為工商銀行，高8層，建筑總面積為12 000 m2。結(jié)構(gòu)采用縱向（33.6 m方向）設(shè)置非預應力承重框架、橫向（54 m方向）設(shè)置多跨有黏結(jié)預應力連續(xù)次梁方案，預應力次梁間距為1.2～1.6 m。此方案結(jié)構(gòu)層厚度僅650 mm，在建筑物總高30.9 m的限制下，較其他方案可多建一層。

1.3 在伸縮縫設(shè)置中的應用

在建筑設(shè)計中伸縮縫的設(shè)置是一件較頭痛的事，給設(shè)備、電氣等也帶來許多的麻煩?？刹捎妙A應力樓面（梁板式或無梁平板）結(jié)構(gòu)，由于其自身具有抵抗溫度、收縮應力的能力，因此可以大大擴展伸縮區(qū)的范圍。例如，20世紀70年代加拿大曾建造一座采用無黏結(jié)平板的19層辦公大樓，每層面積5 110 m2，平面呈曲線型，外弧長140 m，內(nèi)弧長86 m，平均寬47 m，無黏結(jié)平板厚230mm。每層樓板分三次施工，先澆中間一塊，于張拉完縱橫向預應力后，再澆筑兩側(cè)的板。縱向預應力筋用140 m的長束（也可用連結(jié)器接長），以形成一塊整板，不設(shè)伸縮縫，實際使用性能良好。

采用預制預應力薄板做成疊合樓板，對降低層高也很有效。這種板在北京的高層賓館中用得較多，西苑飯店就采用了最大跨度達8 m的這種疊合板。

預應力混凝土適合制作拉桿（吊桿）和大跨度梁板的特點，為建筑師提供了新的手段和措施讓其來創(chuàng)造新的形式，以滿足現(xiàn)代化建筑的需要。這些新的形式包括懸臂式建筑、懸掛式建筑、外傾式建筑、采用傳力梁（拖住大梁）的高層建筑、采用斜拉索的大跨度建筑等。

用懸臂梁或板來支承上部結(jié)構(gòu)的懸臂式建筑，下部所占地面空間小，建筑顯得輕巧，往往為了滿足建筑造型的需要。當有裙房部分時，可與主體結(jié)構(gòu)分開，更加靈活。

在高層建筑中，采用預應力吊桿代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼筋混凝土柱，是一項降低自重和節(jié)約鋼材的有效措施。例如，南非一座高137 m、地面以上31層的銀行大樓，就采用了預應力吊桿的方案。平面尺寸為33.7 m的正方形，全部重量支承在14.2 m見方的剛性豎筒上。整個結(jié)構(gòu)從高度上可分為3節(jié)，每節(jié)各有10層樓面，通過8根吊桿懸掛在由剛性筒體墻伸出的8根井式懸臂梁的端點上。梁采用12根Φ12.2鋼筋束（極限強度2 156 kN），每根梁用20束，隨吊桿荷載的增加而分批張拉。吊桿由10塊長3.5 m、寬53 cm的變厚度空心混凝土塊拼成，每層增加一束預應力筋，底層另增加兩根通長束，即每根吊桿最終為11束。

采用預應力拉桿可建造與常規(guī)金字塔式（內(nèi)傾式）建筑相反的外傾式建筑。外傾式建筑上大下小、占天不占地，在造型上更富有刺激性，同時也顯示出結(jié)構(gòu)技術(shù)的成熟性。如，美國加州大學中心圖書館采用向外傾斜的8層框架結(jié)構(gòu)，4～6層向外傾的8對斜柱的傾覆力，通過設(shè)置于4，5，6三層樓面大梁內(nèi)的24根后張束來平衡。每束由44根高強鋼絲組成，平均長61 m。再如，美國達拉斯市政中心是很有名的建筑，建筑總面積71 500 m2，建筑師的意圖是使整個建筑向廣場傾斜，形成城市的內(nèi)向空間，處在這個廣場中間就有一種被圍合起來的感覺。該建筑的傾斜度達到2∶3，即34°的大角度，它的斜墻是通過豎向和水平向的后張預應力束予以穩(wěn)定的。美國人對它的評價：是達拉斯市蓬勃發(fā)展和旺盛生命力的象征；評價結(jié)構(gòu)設(shè)計是：大膽、勇敢、簡單和穩(wěn)固可靠。

高層建筑半徑常遇到標準層可按建筑使用需要布置小柱網(wǎng)的體系，但底層往往需要較大的空間，甚至完全無柱的空間，因而就出現(xiàn)了由小跨度向大跨度轉(zhuǎn)化的傳力大梁（托住梁或轉(zhuǎn)移層大梁）的結(jié)構(gòu)體系。由于承受上部若干層周邊柱的荷載，彎矩很大，如用非預應力梁則不僅會顯得極為笨重，而且撓度變形也難以控制。例如，澳大利亞墨爾本的40層辦公大樓，平面尺寸42 m×42 m，中間為筒體，四根角柱尺寸均為4 m×2 m，底層要求有一個無周邊柱的空曠大空間。采用三道預應力重型傳力梁沿豎向?qū)⒔ㄖ殖扇?jié)，每道傳力梁負擔上面13層的荷載，梁跨4 m、高約6.0 m、寬1 m，整個建筑的水平荷載（風力）由角柱和傳力梁組成的大框架和中心筒體承受。大框架內(nèi)的小梁和小柱對框架起腹桿加強作用。梁混凝土用C40，每束預應力筋由109根Φ7鋼絲組成，用鐓頭錨，每梁用14束，每束張力4 900 kN，總預加力（初始）68 600 kN。預加力分四次施加，以抵消各個階段樓層的施工荷載。

通過以上預應力的研究與應用實例，說明預應力混凝土有如下優(yōu)點：能充分利用高強鋼筋和高強混凝土，減少鋼筋用量和構(gòu)建截面尺寸，減輕構(gòu)件自重，增大跨度尺寸；一般不產(chǎn)生裂縫，耐久性好，擴大了構(gòu)件的使用范圍，并提高了構(gòu)件抵御外部不良環(huán)境影響的能力；在同樣的荷載條件下，預應力構(gòu)件的截面尺寸可設(shè)計的比較小，節(jié)約材料，減小自重；預應力技術(shù)的發(fā)展，為裝配式結(jié)構(gòu)提供的良好裝配、拼裝手段等已被廣泛應用于實際工程中。因此，我們應更加重視對預應力混凝土的研究，充分發(fā)揮預應力混凝土的優(yōu)點，使其被用于實際工程中，進而造福人類。

[1]張麗華.混凝土結(jié)構(gòu)[M].北京：科學出版社，2001：77-179.

[2]羅向榮.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)[M].北京：高等教育出版社，2003：138-145.