預(yù)應(yīng)力技術(shù)在結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)

宣越　任恬　王波

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展、科技的不斷進(jìn)步和人民生活水平的不斷提高，人們對(duì)建筑的造型、結(jié)構(gòu)性能以及使用功能提出了更高的要求，建筑物正朝著自重小、層數(shù)高、跨度大、壽命長(zhǎng)、材料省、造價(jià)低的方向發(fā)展，為了順應(yīng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)，采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)建造的結(jié)構(gòu)憑借其優(yōu)越的性能和顯著的經(jīng)濟(jì)效益得到了工程師們的喜愛，在工程中得到廣泛使用。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)工程 預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu) 預(yù)應(yīng)力技術(shù) 發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類號(hào)：O21 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）01（c）-0025-03

自1928年應(yīng)用于實(shí)際工程以后，預(yù)應(yīng)力技術(shù)就憑借其提高剛度、控制變形、減小裂縫、節(jié)省材料、減輕自重等優(yōu)點(diǎn)在結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域得到大力推廣，不僅提高了結(jié)構(gòu)的抗?jié)B性、抗裂性、抗震性、耐腐蝕性，而且顯著提高了結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)效益。

在短短的幾十年內(nèi)，我國(guó)的預(yù)應(yīng)力技術(shù)也得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，在預(yù)應(yīng)力材料、構(gòu)件、生產(chǎn)工藝等方面都取得了顯著的成績(jī)，尤其在北京奧運(yùn)會(huì)、上海世博會(huì)、廣州亞運(yùn)會(huì)等重大活動(dòng)中運(yùn)用了新技術(shù)、新工藝，制造了很多國(guó)際先進(jìn)水平的預(yù)應(yīng)力建筑，顯示出了其強(qiáng)大的生命力以及廣闊的發(fā)展前景，從而進(jìn)一步推動(dòng)了我國(guó)預(yù)應(yīng)力技術(shù)的發(fā)展。

當(dāng)節(jié)能、環(huán)保、低碳理念逐漸深入人心，越來越多的人將目光放到了建筑行業(yè)，建筑結(jié)構(gòu)正朝著住宅產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)、空間跨度更大、使用壽命延長(zhǎng)的方向發(fā)展，高效預(yù)應(yīng)力混凝土疊合結(jié)構(gòu)、索穹頂結(jié)構(gòu)、體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)等新型結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生，成為建筑行業(yè)今后一段時(shí)期內(nèi)發(fā)展的新趨勢(shì)。

1 預(yù)應(yīng)力在混凝土民用建筑中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)

為了迎合人們對(duì)建筑使用功能的更高要求，水平向預(yù)應(yīng)力樓蓋體系日趨多樣化，有無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力平板樓蓋體系、無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力扁梁——平板結(jié)構(gòu)體系、預(yù)應(yīng)力混凝土單向密肋樓蓋、雙向密肋樓蓋、井字樓蓋結(jié)構(gòu)體系、大跨度現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土空心樓蓋體系等，這些樓蓋體系在提高結(jié)構(gòu)的安全性能、使用性能等方面都有著非常明顯的優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)結(jié)構(gòu)的跨度較大時(shí)，為了保證結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度以及剛度要求，勢(shì)必會(huì)增加板厚以及梁高，采用以上結(jié)構(gòu)體系代替普通混凝土梁板結(jié)構(gòu)體系可以大大降低建筑物的層高，減小結(jié)構(gòu)自重，充分利用空間，實(shí)現(xiàn)大跨度、大開間，增加使用面積，顯著提高經(jīng)濟(jì)效益[1]。同時(shí)，由于無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力平板結(jié)構(gòu)、現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土空心樓蓋結(jié)構(gòu)等不設(shè)縱橫明梁，僅在必要的地方設(shè)暗梁以保證結(jié)構(gòu)的受力性能，不僅增加了室內(nèi)的凈空高度，而且使隔墻的布置不受限制，可以對(duì)房間進(jìn)行任意分割，也易于對(duì)房間功能進(jìn)行調(diào)整，滿足了業(yè)主對(duì)房間空間大小以及使用功能的個(gè)性化需求[3，4]。

國(guó)內(nèi)采用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力平板技術(shù)的高層建筑中最著名的有青島國(guó)際金融中心和廣東國(guó)際大廈（現(xiàn)更名為廣州中心皇冠假日酒店），兩結(jié)構(gòu)體系都是在筒中筒體系的兩個(gè)筒體間采用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力平板連接，既可以簡(jiǎn)化模板，提高施工速度，也可以減小板厚，節(jié)省材料，減輕結(jié)構(gòu)的自重，降低施工成本。

在高層建筑中，通常由于建筑使用功能的需要，使結(jié)構(gòu)下部和上部的結(jié)構(gòu)布置以及剛度有較大的差異，為了將上部較大的荷載進(jìn)行合理的傳遞，需要在結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的部位設(shè)置轉(zhuǎn)換層，采用預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)不僅可以提高結(jié)構(gòu)的抗剪承載能力，控制裂縫和撓度，而且由于減小了構(gòu)件尺寸，減輕了結(jié)構(gòu)的自重，也可以提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。

目前常用的預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)有梁式、板式、桁架式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)，其中梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)在工程中的應(yīng)用最為普遍。梁式轉(zhuǎn)換層是在混凝土樓板上布置托梁，用于承擔(dān)上面各層的柱和剪力墻傳遞下來的荷載，具有受力明確、簡(jiǎn)化施工的特點(diǎn)，適用于上部結(jié)構(gòu)層數(shù)多、跨度大、荷載大的結(jié)構(gòu)。當(dāng)下部結(jié)構(gòu)的柱距較大或上部荷載很大時(shí)，可以用桁架轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)，由于桁架的空隙大，自重輕且便于靈活布置通道、門窗等，從而能夠充分利用建筑空間，提高經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)上下結(jié)構(gòu)的柱網(wǎng)軸線或結(jié)構(gòu)形式發(fā)生改變以至于難以布置轉(zhuǎn)換梁或桁架時(shí)，可以考慮厚板轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)。但是，由于厚板轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的質(zhì)量較大、剛度較大且質(zhì)量集中在結(jié)構(gòu)的中部，導(dǎo)致其振動(dòng)性能比較復(fù)雜，對(duì)抗震不利，所以，需要謹(jǐn)慎使用[5，6]。

建筑物的基礎(chǔ)無論是在工期還是造價(jià)上都在建筑工程中占有很大的比重，尤其在高層建筑或地基條件不好的結(jié)構(gòu)中，基礎(chǔ)工程起著更加至關(guān)重要的作用。對(duì)于有不設(shè)縫要求的大面積基礎(chǔ)，施加預(yù)應(yīng)力也是一種十分簡(jiǎn)便而有效的方法。常見的預(yù)應(yīng)力基礎(chǔ)形式有預(yù)應(yīng)力筏板基礎(chǔ)、箱形基礎(chǔ)、預(yù)應(yīng)力管樁等。將預(yù)應(yīng)力技術(shù)應(yīng)用于高層建筑的筏板基礎(chǔ)、箱形基礎(chǔ)，可以減小底板的厚度，提高材料利用率，降低工程造價(jià)，也可以提高基礎(chǔ)底板的剛度，提高基礎(chǔ)混凝土的抗沖切能力，減小撓度變形，延緩裂縫的產(chǎn)生，降低基礎(chǔ)的不均勻沉降[7]。北京首都機(jī)場(chǎng)新航站樓以及停車樓均采用了無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力平板筏基。

2 預(yù)應(yīng)力在鋼結(jié)構(gòu)建筑中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)

預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)是把現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力技術(shù)應(yīng)用于空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)或由索、桿組成的張力結(jié)構(gòu)中的一類新型雜交預(yù)應(yīng)力空間鋼結(jié)構(gòu)體系。通過施加與荷載效應(yīng)相反的預(yù)應(yīng)力，改變了內(nèi)力峰值，從而改善了結(jié)構(gòu)的受力性能，提高了結(jié)構(gòu)的承載能力，增大了結(jié)構(gòu)的整體剛度，既節(jié)省了鋼材，降低了工程造價(jià)，又提高了結(jié)構(gòu)的抗震性能。另外，預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)施工操作簡(jiǎn)單，施工速度快，且張拉不占工期，非常符合現(xiàn)代工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)的趨勢(shì)[8]。

目前，國(guó)內(nèi)已使用的預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)形式有張弦梁結(jié)構(gòu)、弦支穹頂結(jié)構(gòu)、斜拉網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力桁架結(jié)構(gòu)、索拱、索桁架、索穹頂結(jié)構(gòu)以及多次雜交結(jié)構(gòu)等。其中張弦梁結(jié)構(gòu)、弦支穹頂結(jié)構(gòu)、斜拉網(wǎng)格結(jié)構(gòu)作為新型結(jié)構(gòu)體系，兼有剛性和柔性構(gòu)件的優(yōu)勢(shì)，既能保證結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度又改善了結(jié)構(gòu)的受力性能，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，得到了工程師們的青睞，應(yīng)用于越來越多的大跨度、大空間工程中，具有十分廣闊的發(fā)展前景。索穹頂結(jié)構(gòu)是將預(yù)應(yīng)力技術(shù)應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)以后所產(chǎn)生的新型結(jié)構(gòu)體系，作為全張力結(jié)構(gòu)，它具有很強(qiáng)的非線性，無論是在結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計(jì)還是施工方面都有很高的要求，因此，成為目前大跨度預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用和理論研究的最高峰。

斜拉網(wǎng)格結(jié)構(gòu)是目前在工程中廣泛應(yīng)用的一種結(jié)構(gòu)形式，由剛性構(gòu)件、斜拉索、桅桿或塔柱組成，該結(jié)構(gòu)用拉索代替立柱，充分利用拉索材料良好的抗拉性能，通過拉索的拉力為剛性結(jié)構(gòu)提供彈性支撐，改變結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布，使構(gòu)件受力趨于均勻，從而達(dá)到減小構(gòu)件撓度以及支座彎矩的效果。

大跨度張弦梁結(jié)構(gòu)是一種剛?cè)嵝韵嘟Y(jié)合的一種新型大跨空間結(jié)構(gòu)，由上弦剛性構(gòu)件（通常為梁、拱或者桁架）、下弦柔性構(gòu)件（通常為索）以及中間撐桿組成，通過對(duì)下弦構(gòu)件施加預(yù)應(yīng)力，允許上弦構(gòu)件的一端或兩端自由滑動(dòng)，從而平衡了上弦壓彎構(gòu)件的水平推力，形成自平衡體系。采用這種結(jié)構(gòu)體系可以減輕結(jié)構(gòu)的自重，提高結(jié)構(gòu)的承載能力、整體剛度和穩(wěn)定性，從而實(shí)現(xiàn)更大的跨度。近年來，隨著研究的不斷深入，張弦梁結(jié)構(gòu)也從原來的平面結(jié)構(gòu)，即單向張弦梁，逐步發(fā)展為雙向、多向、輻射式張弦梁結(jié)構(gòu)。

弦支穹頂結(jié)構(gòu)由上弦單層網(wǎng)殼、撐桿、徑向索以及下弦環(huán)向索組成，最早由日本的川口衛(wèi)教授于1993年提出，是一種新型雜交空間結(jié)構(gòu)，結(jié)合了單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)和張拉整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的結(jié)構(gòu)性能。其撐桿的上端與上部單層網(wǎng)殼所對(duì)應(yīng)的各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行鉸接，下端由徑向拉桿或拉索與單層網(wǎng)殼的下一圈節(jié)點(diǎn)相連，同一環(huán)撐桿的下端由環(huán)向索依次相連，通過預(yù)應(yīng)力張拉，使結(jié)構(gòu)形成一個(gè)完整的結(jié)構(gòu)體系。弦支穹頂結(jié)構(gòu)的索結(jié)構(gòu)有Levy型、Geiger型等，網(wǎng)殼形式有凱威特型、聯(lián)方型、環(huán)肋型等，撐桿有平行豎桿、“V”字形桿等，多樣化的結(jié)構(gòu)形式更加增強(qiáng)了建筑物的多變?cè)煨秃兔烙^效果。

隨著預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)在大跨度、超大跨度工程中的應(yīng)用越來越多，其結(jié)構(gòu)性能以及經(jīng)濟(jì)效益方面的優(yōu)勢(shì)充分顯現(xiàn)，具有強(qiáng)大的生命力和競(jìng)爭(zhēng)力。

3 預(yù)應(yīng)力在橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)

隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，我國(guó)的交通運(yùn)輸業(yè)得到蓬勃發(fā)展，新修建了很多跨江、跨海大橋，對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)的跨度、承載力、安全性提出了更高的要求。預(yù)應(yīng)力技術(shù)的出現(xiàn)，突破了傳統(tǒng)橋梁結(jié)構(gòu)的局限性，可以減輕結(jié)構(gòu)自重，提高混凝土梁的承載力，增大橋梁的跨度，延緩混凝土裂縫的發(fā)生，節(jié)省建筑材料，在提高結(jié)構(gòu)美觀性的同時(shí)也增加了結(jié)構(gòu)的使用壽命，因此，在目前的橋梁工程中得到廣泛應(yīng)用。預(yù)應(yīng)力橋梁中常用的結(jié)構(gòu)形式有預(yù)應(yīng)力混凝土T形剛構(gòu)橋、預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋、預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋等。隨著預(yù)應(yīng)力橋梁技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了更多符合現(xiàn)代結(jié)構(gòu)的造型美觀、輕質(zhì)高強(qiáng)、安全可靠的要求的結(jié)構(gòu)形式，如體外預(yù)應(yīng)力加固橋梁結(jié)構(gòu)，空間預(yù)應(yīng)力索橋結(jié)構(gòu)，懸索橋采用鋼箱加勁梁，橋梁面板采用預(yù)應(yīng)力混凝土空心板等，展現(xiàn)出了預(yù)應(yīng)力技術(shù)極大的生命力，使橋梁技術(shù)得到空前發(fā)展。

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋具有剛度大、變形小、伸縮縫少、行車舒適、養(yǎng)護(hù)簡(jiǎn)單、抗震能力好等優(yōu)點(diǎn)，備受工程師們的青睞，目前在40～150 m的跨度范圍內(nèi)成為橋梁選型時(shí)優(yōu)先選擇的類型之一。結(jié)構(gòu)中所采用的箱形截面具有較大的抗彎剛度以及抗扭剛度，可以通過截面的高度調(diào)節(jié)應(yīng)力值，減小跨中的撓度變形，從而提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。隨著混凝土箱梁技術(shù)的發(fā)展，箱梁的截面形式更加多樣化，有單箱單室、單箱多室、多箱多室、寬翼緣倒梯形等，預(yù)應(yīng)力體系也從原來的單向預(yù)應(yīng)力發(fā)展到縱橫向均施加預(yù)應(yīng)力的雙向預(yù)應(yīng)力體系，增加了其適用范圍，在結(jié)構(gòu)外形上也更加豐富多彩，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)和美觀的統(tǒng)一[9]。

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋是將T形剛構(gòu)和連續(xù)梁相結(jié)合的結(jié)構(gòu)體系，既具有連續(xù)梁的特點(diǎn)，同時(shí)又具有T型剛構(gòu)不設(shè)支座、無需體系轉(zhuǎn)換的特點(diǎn)，不同的是它將T形剛構(gòu)的橋墩減薄，形成柔性橋墩，并和梁體固結(jié)，利用橋墩的柔度以減小由于預(yù)應(yīng)力鋼筋上所施加的預(yù)應(yīng)力、混凝土的收縮徐變和溫度變化等因素引起的位移，同時(shí)也減小了橋墩處的不利彎矩，使內(nèi)力分布更加合理，提高了結(jié)構(gòu)的抗震性能。另外，由于具有較大的順橋向的抗彎剛度和橫橋向的抗扭剛度，使預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)更大的跨度。因此，在目前越來越多的大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁工程中成為橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)首選，無論是在結(jié)構(gòu)性能還是在經(jīng)濟(jì)效益上都優(yōu)于連續(xù)梁以及T形剛構(gòu)橋。

4 預(yù)應(yīng)力在特種結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)

特種結(jié)構(gòu)，顧名思義就是指具有特殊用途的工程結(jié)構(gòu)，包括高聳結(jié)構(gòu)、壓力容器、海洋工程結(jié)構(gòu)、地下管道、錨索類結(jié)構(gòu)等。由于這些結(jié)構(gòu)內(nèi)往往存在很大的多向拉應(yīng)力，在使用功能上也有某些特殊要求，如，抗裂、抗震、抗風(fēng)、抗?jié)B要求等，就給結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和建造造成了較大的難度。預(yù)應(yīng)力技術(shù)的出現(xiàn)為這些結(jié)構(gòu)性能的實(shí)現(xiàn)提供了極大的保障，采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)比同等強(qiáng)度條件下僅采用普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)能夠大幅度減小截面尺寸、減少鋼材和混凝土材料的用量，帶來十分可觀的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也能解決加大鋼筋用量仍然無法滿足對(duì)裂縫寬度要求的問題。

對(duì)于水池、消化池、污水處理池、安全殼、筒倉(cāng)、儲(chǔ)罐這些環(huán)向力較大的結(jié)構(gòu)來說，預(yù)應(yīng)力筋主要呈環(huán)向布置，通過混凝土的預(yù)壓應(yīng)力來抵消由于沿徑向向外的外力所產(chǎn)生的拉應(yīng)力，使混凝土構(gòu)件始終處于受壓狀態(tài)，防止裂縫的產(chǎn)生，提高結(jié)構(gòu)的抗?jié)B防水性能。這種優(yōu)良的結(jié)構(gòu)性能在圓柱形的筒倉(cāng)、儲(chǔ)罐等結(jié)構(gòu)中體現(xiàn)得尤為突出。對(duì)于裂縫有著嚴(yán)格限制的核電站預(yù)應(yīng)力混凝土安全殼結(jié)構(gòu)，不僅要布置環(huán)向束，也要布置豎向束、穹頂束，以保證結(jié)構(gòu)的安全可靠性。我國(guó)已建成的4座核電站都采用了預(yù)應(yīng)力安全殼技術(shù)，推動(dòng)了安全殼技術(shù)的不斷發(fā)展。

隨著無線電廣播、電視、郵電通信事業(yè)的不斷發(fā)展，預(yù)應(yīng)力技術(shù)在電視塔、通信塔結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用已經(jīng)非常普遍，再加上無線電信號(hào)的覆蓋面積與天線的高度有關(guān)，所以：現(xiàn)在很多電視塔都朝著更高的方向發(fā)展，一般高度都超過200 m，有的甚至達(dá)到400多米，這些電視塔的塔身一般為筒體，采用后張法施工，在筒體壁內(nèi)配置豎向預(yù)應(yīng)力筋，顯著減小筒體壁的厚度，提高筒體的剛度和穩(wěn)定性[10]。

此外，預(yù)應(yīng)力技術(shù)還應(yīng)用在大型體育場(chǎng)館的大跨度懸挑結(jié)構(gòu)中，不僅大大提高了挑出結(jié)構(gòu)的剛度，顯著增大可懸挑長(zhǎng)度，減小了挑出部分端部的豎向位移，而且調(diào)整了結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布，改善了結(jié)構(gòu)的整體受力性能[4，11]。預(yù)應(yīng)力錨索類結(jié)構(gòu)作為一種高效、經(jīng)濟(jì)的加固手段，廣泛應(yīng)用于巖土的加固、煤礦巷道的支護(hù)等，其原理是通過錨索對(duì)被加固的巖體施加預(yù)拉應(yīng)力，從而限制了巖體的變形，提高了巖體的穩(wěn)定性[12]。

5 結(jié)語

自成功運(yùn)用到工程中以來，預(yù)應(yīng)力技術(shù)就以其在提高構(gòu)件剛度、減小撓度變形、延緩裂縫發(fā)生、減輕結(jié)構(gòu)自重、增加空間跨度、節(jié)省工程材料、降低工程造價(jià)等方面顯著的優(yōu)勢(shì)得到工程師們的青睞，并不斷擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，不僅廣泛用于民用建筑、工業(yè)廠房、橋梁結(jié)構(gòu)、特種結(jié)構(gòu)等，而且也擴(kuò)展應(yīng)用到高層建筑、大跨空間鋼結(jié)構(gòu)、地下結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)工程等許多新的領(lǐng)域。目前，預(yù)應(yīng)力技術(shù)正以其強(qiáng)大的生命力活躍在建筑工程的各個(gè)領(lǐng)域，并通過持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新，不斷滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的使用需求，擁有十分廣闊的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)

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