芻議預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)若干問(wèn)題

朱義歡 郭曉煒

摘 要：預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)很多。具有較高的耐裂性和滲透性。它能最大限度地提高混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，提高建筑物的剛度，并能在一定程度上降低建筑物的剪力和抗拉應(yīng)力，從而提高建筑物的耐久性。

關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力混凝土；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；緩粘結(jié)技術(shù)

1 引言

目前，預(yù)應(yīng)力技術(shù)常出現(xiàn)在多層大跨度、大空間建筑、高層建筑以及儲(chǔ)罐、消化池等特殊結(jié)構(gòu)中。近十年來(lái)，預(yù)應(yīng)力材料和設(shè)備的生產(chǎn)水平和工業(yè)化水平大大提高，工程經(jīng)驗(yàn)積累，相關(guān)的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)也越來(lái)越大，越來(lái)越復(fù)雜。這種變化促進(jìn)了預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的多樣化和發(fā)展，同時(shí)又出現(xiàn)了纖維預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、后張力預(yù)應(yīng)力復(fù)合材料結(jié)構(gòu)等一系列新的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。

2 預(yù)應(yīng)力混凝土在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意的問(wèn)題

由于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的不同，在實(shí)際工程施工設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題很多，包括彎曲構(gòu)件的反向變形極限、拉伸預(yù)應(yīng)力桿的反向傾斜裂紋等，下面我們就對(duì)其中的幾個(gè)重點(diǎn)的問(wèn)題進(jìn)行研究。

2.1 預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論

（1）抗震性能設(shè)計(jì)。為了最大限度地提高預(yù)應(yīng)力混凝土的抗震性能，有必要對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土的加固指標(biāo)進(jìn)行綜合測(cè)量和配置，控制預(yù)應(yīng)力混凝土的強(qiáng)度。保持節(jié)點(diǎn)在構(gòu)造中的良好擴(kuò)展。在實(shí)際配置中，如果預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)裝有縱向非預(yù)應(yīng)力鋼筋，就可以達(dá)到降低地震位移的效果，將鋼筋組合起來(lái)，達(dá)到抗震性能，刺激其固有延性。因此，地震能力進(jìn)一步增強(qiáng)。

（2）耐久性設(shè)計(jì)。預(yù)應(yīng)力混凝土的耐久性設(shè)計(jì)一直是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題之一。為了保證混凝土在使用過(guò)程中的安全性和穩(wěn)定性，有必要對(duì)混凝土的耐久性材料進(jìn)行設(shè)計(jì)。破壞混凝土結(jié)構(gòu)的機(jī)理主要有：鋼筋腐蝕、堿性骨料反應(yīng)等。這些條件的出現(xiàn)將嚴(yán)重影響混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和使用壽命。因此，在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)增加對(duì)耐久性的研究，以保證整體結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。

2.2 預(yù)應(yīng)力的設(shè)計(jì)方法

在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，盡可能多地使用該模型。在這一部分中，應(yīng)注意模型與實(shí)際工程比的準(zhǔn)確性，計(jì)算施工中各環(huán)節(jié)的加固比。以確保在實(shí)際施工中，項(xiàng)目能夠按照設(shè)計(jì)合理有序地進(jìn)行，這樣，施工進(jìn)度就能盡量提高。同時(shí)，建筑材料必須與精確計(jì)算的質(zhì)量和體積相結(jié)合，以保證結(jié)構(gòu)施工的完整性和準(zhǔn)確性。然后對(duì)模型進(jìn)行測(cè)試，對(duì)其施加壓力，以檢測(cè)其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和實(shí)際效果，從而使預(yù)應(yīng)力的應(yīng)力能夠盡可能提前被理解，并找出影響質(zhì)量的原因，加以解決，避免在實(shí)際工程工作中出現(xiàn)類(lèi)似情況。

2.3 預(yù)應(yīng)力施工工藝

在預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)中，隨著技術(shù)的進(jìn)步，出現(xiàn)了許多實(shí)用技術(shù)，并在許多施工問(wèn)題上有針對(duì)性的應(yīng)用。如高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力肌腱、主要發(fā)揮橋梁橫向預(yù)應(yīng)力作用的張拉茅體系、張發(fā)道灌漿技術(shù)等，大大提高了灌漿能力，簡(jiǎn)化了灌漿工藝。采用非粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋工藝降低成本，體外預(yù)應(yīng)力筋工藝降低摩擦損失，體外電纜工藝降低橋梁施工成本，加快橋梁施工速度等。隨著這些過(guò)程的發(fā)展和實(shí)現(xiàn)，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展越來(lái)越引人注目。

3 新結(jié)構(gòu)

3.1 預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土結(jié)構(gòu)

預(yù)應(yīng)力鋼混凝土具有承載能力高、剛度高、截面小、易開(kāi)裂等優(yōu)點(diǎn)。適用于大跨度、重載結(jié)構(gòu)。課題組進(jìn)行了10榀接近足尺的大比例預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土框架的豎向靜力及豎向低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，對(duì)破壞模式、斷裂發(fā)育和分布、剛度變化、力矩調(diào)制和地震性能等方面進(jìn)行了一系列相關(guān)研究。提出了考慮次內(nèi)力包括次彎矩和次軸力的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)極限承載力、抗裂能力、剛度和最大裂縫寬度的計(jì)算方法。此外，文獻(xiàn)[3]基于平截面假定推導(dǎo)了不同狀態(tài)下預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的抗彎承載力計(jì)算公式。結(jié)合上述研究成果及已有JGJ 138—2001《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和上海法規(guī)中給出了預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的相關(guān)設(shè)計(jì)方法，并考慮了次內(nèi)力的影響。需要注意的是，國(guó)家規(guī)范中計(jì)算彎曲承載力的默認(rèn)公式是鋼上的法蘭承受壓力，可能不適用于拉壓情況。在需要精確計(jì)算結(jié)果的情況下建議參考文獻(xiàn)[3]，但計(jì)算過(guò)程相對(duì)復(fù)雜。

3.2 體外預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)

體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)與體內(nèi)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)相比具有截面小、重量輕、易更換的特點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于新結(jié)構(gòu)和現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的加固。在體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中，應(yīng)特別注意外筋的防腐措施，以避免外筋的腐蝕。體外預(yù)應(yīng)力梁和非粘結(jié)預(yù)應(yīng)力梁在受力原理上基本相同，因此可以用非粘結(jié)預(yù)應(yīng)力梁的方法計(jì)算其彎曲承載力。然而，與非粘結(jié)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)相比，體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)仍有二次效應(yīng)，因此預(yù)應(yīng)力筋的極限應(yīng)力增量明顯小于非粘結(jié)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。根據(jù)國(guó)內(nèi)外117根外預(yù)應(yīng)力混凝土梁的試驗(yàn)結(jié)果及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，將單支梁和連續(xù)彎曲梁的應(yīng)力增量控制在100MPa，懸臂彎曲構(gòu)件的應(yīng)力增量控制在50MPa。常數(shù)值的使用方法簡(jiǎn)單可靠。利用相的計(jì)算是指一般預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法。在計(jì)算縱向拉伸比時(shí)，考慮了外預(yù)應(yīng)力筋的影響，并通過(guò)擬合外預(yù)應(yīng)力筋的實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到了降低系數(shù)為0.2。

3.3 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料預(yù)應(yīng)力筋混凝土結(jié)構(gòu)

在傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，鋼筋、預(yù)應(yīng)力鋼等鋼的腐蝕一直存在。纖維肋材的使用徹底解決了腐蝕問(wèn)題。其抗拉強(qiáng)度高，耐蝕性強(qiáng)，耐蝕性低，非常適合作為預(yù)應(yīng)力肋使用。

4 新工藝、新材料

4.1 緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋

緩粘結(jié)筋作為一種新技術(shù)，避免了無(wú)粘結(jié)筋與有粘結(jié)筋各自的缺點(diǎn)。它能在拉伸階段和混凝土之間自由滑動(dòng)，接近非粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，能有效降低預(yù)應(yīng)力損失。在使用階段，隨著緩粘結(jié)劑的凝固，預(yù)應(yīng)力鋼與混凝土之間的鍵結(jié)得到有效實(shí)現(xiàn)，此時(shí)可視為有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。

4.2 有粘結(jié)與無(wú)粘結(jié)混合配置筋

預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)具有粘結(jié)和非粘結(jié)混合構(gòu)型，結(jié)合了兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：預(yù)應(yīng)力混凝土使用效率高，便于預(yù)應(yīng)力混凝土的線性?xún)?yōu)化，預(yù)應(yīng)力混凝土損失較小，局部壓力大，結(jié)構(gòu)變形恢復(fù)能力好，節(jié)點(diǎn)性能好，施工方便快捷，便于分批張拉，工期短。這種結(jié)構(gòu)特別適用于由極限狀態(tài)的正常使用控制的大跨度重載結(jié)構(gòu)，也可用于轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。目前，這種工藝在國(guó)內(nèi)外一些重大工程中已得到應(yīng)用，如位于美國(guó)西雅圖的OnePacificTower，該建筑結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)換梁采用了有粘結(jié)與無(wú)粘結(jié)混合配筋的方式；位于中國(guó)上海的中國(guó)博覽會(huì)會(huì)展綜合體在一級(jí)次梁中也采用了這種工藝。彎曲極限承載力的計(jì)算方法與普通預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法相同，但給出了適用于預(yù)應(yīng)力筋和梁中非粘結(jié)筋混合的極限應(yīng)力增量計(jì)算公式。裂縫和剛度的計(jì)算是指混凝土規(guī)范，其中非粘結(jié)加固作用降低0.3。

4.3 基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)控張拉技術(shù)

預(yù)應(yīng)力張拉是預(yù)應(yīng)力施工中的一項(xiàng)基本技術(shù)。目前存在著拉伸精度低、不能同步施工等缺陷。該組研制的數(shù)字智能張緊設(shè)備將信息技術(shù)與預(yù)應(yīng)力張緊結(jié)構(gòu)相結(jié)合。通過(guò)計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)，智能張緊裝置可以準(zhǔn)確控制預(yù)應(yīng)力施工過(guò)程，提高施工精度，實(shí)現(xiàn)施工過(guò)程的動(dòng)態(tài)監(jiān)控，并提取施工的關(guān)鍵參數(shù)上傳并保存到遠(yuǎn)程服務(wù)器上，方便重新檢查。在數(shù)字智能拉伸系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程中，通過(guò)四代機(jī)的反復(fù)改進(jìn)，其功能部件完善、性能穩(wěn)定。

5 結(jié)論

預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮建筑的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性，提高建筑整體質(zhì)量。根據(jù)工程實(shí)際情況，選擇預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)，根據(jù)具體問(wèn)題設(shè)計(jì)混凝土施工方案。在保證施工質(zhì)量的同時(shí)，充分發(fā)揮預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，使建筑的抗震和防滲性能得到較大提高，保證建筑的穩(wěn)定性和安全性。

參考文獻(xiàn)：

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