淺議預(yù)應(yīng)力技術(shù)及其在房屋建筑中的應(yīng)用

摘要：預(yù)應(yīng)力技術(shù)作為工程實(shí)踐中常用的一種施工技術(shù)，在房屋建設(shè)中也以其自身獨(dú)特的優(yōu)勢逐漸發(fā)揮著不可替代的作用。本文從預(yù)應(yīng)力的分類、特點(diǎn)和力學(xué)性能方面分析了預(yù)應(yīng)力技術(shù)在房屋建設(shè)中的應(yīng)用，闡述了預(yù)應(yīng)力技術(shù)在工民建工程應(yīng)用中的優(yōu)點(diǎn)，也指出了其不足之處和可以改進(jìn)的地方，并提出了預(yù)應(yīng)力技術(shù)可以應(yīng)用于改善房屋空間功能、提高基礎(chǔ)施工質(zhì)量、提高混凝土框架整體穩(wěn)定性、房屋加固處理等方面。本文的研究，對于預(yù)應(yīng)力技術(shù)的發(fā)展及其在房屋建設(shè)中的應(yīng)用，具有一定的指導(dǎo)與借鑒作用。

關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力技術(shù)，房屋建設(shè)，應(yīng)用與推廣

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1.前言

隨著經(jīng)濟(jì)與社會的發(fā)展，近年來，我國房建工程得到了快速的發(fā)展，房建工程也朝著多功能、裝配式、大開間、大柱網(wǎng)的方向不斷發(fā)展，不論是設(shè)計(jì)者、建設(shè)者，還是使用者，都期望在原本有限的建筑空間內(nèi)獲得最佳、最全面的使用功能[1]-[4]。與以往的快速建設(shè)、高層修筑相比，設(shè)計(jì)人員和業(yè)主越來越關(guān)注房屋的使用安全與使用壽命方面的問題，也開始在原有的技術(shù)水平和施工方法的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采用新興技術(shù)手段不斷提高施工水平和結(jié)構(gòu)的承載能力，以期大幅提高結(jié)構(gòu)物的安全性、耐久性、美觀性以及經(jīng)濟(jì)性。因此，預(yù)應(yīng)力技術(shù)逐漸在房建工程中推廣開來。所謂預(yù)應(yīng)力技術(shù)，即事先在混凝土或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)人為的引入一定程度的內(nèi)部應(yīng)力，使之對應(yīng)的數(shù)值和分布恰好能與結(jié)構(gòu)使用荷載所產(chǎn)生的應(yīng)力相互抵消到較為理想的程度。這種通過先配置預(yù)應(yīng)力鋼筋或鋼束，而后采用諸如張拉等技術(shù)手段在混凝土結(jié)構(gòu)中建立預(yù)應(yīng)力的結(jié)構(gòu)，則被稱為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。

由于預(yù)應(yīng)力筋自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和力學(xué)性能，預(yù)應(yīng)力技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，能有效減小結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面面積與撓度，并能達(dá)到控制結(jié)構(gòu)開裂，增強(qiáng)混凝土耐久性的效果[4][5]。同時(shí)，預(yù)應(yīng)力技術(shù)在施工過程中，還可以起到減輕重力支撐的作用[6]，而且通過對結(jié)構(gòu)自身進(jìn)行適度的調(diào)整，預(yù)應(yīng)力技術(shù)也可以顯著提高建筑結(jié)構(gòu)自身的抗震能力。因此，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)以其自重相對較輕、節(jié)約建筑材料、跨度大、改善功能、節(jié)省房屋層高等優(yōu)點(diǎn)，契合當(dāng)代房建工程發(fā)展的主流趨勢。然而，隨著預(yù)應(yīng)力技術(shù)在房建工程中的不斷推廣和日趨成熟，也不可避免的出現(xiàn)了包括張拉應(yīng)力控制不到位、預(yù)應(yīng)力損失過大、壓漿時(shí)出現(xiàn)漏漿等技術(shù)問題，各類施工問題也競相出現(xiàn)，在一定程度上給預(yù)應(yīng)力技術(shù)在房建工程中的應(yīng)用及發(fā)展形成了阻礙，有必要對其進(jìn)行仔細(xì)地分析。

2.預(yù)應(yīng)力技術(shù)淺議

如上文所述，預(yù)應(yīng)力技術(shù)是通過事先在混凝土或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)人為的引入一定程度的內(nèi)部應(yīng)力實(shí)現(xiàn)其與使用荷載所產(chǎn)生的應(yīng)力在數(shù)值和分布上均相互抵消到較為理想的程度，因此，有必要對其分類與特點(diǎn)進(jìn)行分析。

2.1 預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的分類

1970年，根據(jù)國際預(yù)應(yīng)力混凝土協(xié)會和歐洲混凝土協(xié)會的相關(guān)建議，按照施加預(yù)應(yīng)力的程度及其大小，將配筋混凝土結(jié)構(gòu)分為、Ⅱ級、Ⅲ級和Ⅳ級四個(gè)不同的等級。其中，Ⅰ級為全預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，Ⅱ級為有限預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，Ⅲ級為部分預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，Ⅳ級為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。該種分類方法雖然最早明確了預(yù)應(yīng)力和混凝土結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系及其界限劃分，但是對部分預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性未進(jìn)行太多的描述，忽視了部分預(yù)應(yīng)力混凝土在工程實(shí)踐中發(fā)揮的巨大優(yōu)勢。我國根據(jù)國內(nèi)的工程習(xí)慣，定義了預(yù)應(yīng)力度（λ）的概念，按照預(yù)應(yīng)力度將鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)劃分為全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件、部分預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件以及鋼筋混凝土構(gòu)件。該分類方法用預(yù)應(yīng)力度充分表達(dá)了各種鋼筋混凝土構(gòu)件的優(yōu)缺點(diǎn)，并在公路工程和橋梁工程中按照控制條件的不同，將部分預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件進(jìn)一步劃分為A類和B類。此外，隨著技術(shù)條件的逐漸成熟，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土也逐步應(yīng)用到房建工程中。

工程實(shí)踐中常用的預(yù)加應(yīng)力的方法有先張法和后張法兩種[7]。先張法通過在張拉臺座上預(yù)先張拉預(yù)應(yīng)力筋，而后澆筑混凝土，并通過二者之間的粘結(jié)力傳遞來實(shí)現(xiàn)混凝土構(gòu)件內(nèi)部預(yù)應(yīng)力的建立，這種方法一般多用在工廠預(yù)制。后張法則通過在混凝土內(nèi)部預(yù)留孔道，待混凝土澆筑并具備一定強(qiáng)度之后再張拉預(yù)應(yīng)力筋，最后在孔道內(nèi)壓漿使之建立預(yù)應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中施加的預(yù)應(yīng)力，只是抵消了結(jié)構(gòu)在使用荷載作用下產(chǎn)生的拉應(yīng)力，并沒有提高混凝土與鋼筋或者鋼束自身的強(qiáng)度，也沒有改變原本施加在結(jié)構(gòu)上的力及其性質(zhì)。因此，預(yù)應(yīng)力的作用僅僅是使得混凝土結(jié)構(gòu)在原有的基礎(chǔ)上，推遲了裂縫的出現(xiàn)時(shí)間，以達(dá)到提高其耐久性的效果。

2.2 預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

由于預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)先施加了一部分預(yù)應(yīng)力，因此與普通鋼筋混凝土相比，具有一些無可替代的優(yōu)勢。首先，結(jié)構(gòu)中預(yù)先施加的應(yīng)力抵消了其在使用荷載作用下產(chǎn)生的部分或全部的拉應(yīng)力，有效推遲了裂縫出現(xiàn)的時(shí)間，而且可以起到減小裂縫寬度的效果，因此預(yù)應(yīng)力改善了結(jié)構(gòu)的使用性能，提高了對應(yīng)構(gòu)件的剛度，有效增加了構(gòu)件的抗裂性能和剛度，使得結(jié)構(gòu)的耐久性得以改善;其次，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)通過對混凝土預(yù)加應(yīng)力，有效的利用了混凝土和鋼材兩種材料的強(qiáng)度，而且一般的預(yù)應(yīng)力混凝土標(biāo)號都比較高，可以合理地利用高強(qiáng)材料，因此，構(gòu)件截面尺寸較普通的鋼筋混凝土有所減小，從而實(shí)現(xiàn)減輕自重，節(jié)約材料的目的;再次，預(yù)應(yīng)力混凝土梁中配置的曲線鋼束，可以有效地減小梁中支座附近原本的豎向剪力，加之混凝土截面在施工完成之后就具有的預(yù)壓應(yīng)力，使得混凝土在荷載作用下產(chǎn)生的主拉應(yīng)力大幅減小;最后，預(yù)應(yīng)力技術(shù)作為一種常見的技術(shù)手段，可以發(fā)展成為一種主要或者輔助的結(jié)構(gòu)連接手段，從而使混凝土結(jié)構(gòu)的連接、修補(bǔ)、加固等技術(shù)有了長足的發(fā)展。

預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)也不可避免的存在一些缺點(diǎn)。例如，預(yù)應(yīng)力混凝土施工時(shí)技術(shù)復(fù)雜，精度要求高，如果沒有足夠的施工經(jīng)驗(yàn)與精密的計(jì)算，可能會導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力鋼筋的穿束位置、張拉應(yīng)力的控制等出現(xiàn)偏差，進(jìn)一步增加預(yù)應(yīng)力損失甚至導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力失效;預(yù)制的預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件如果存放時(shí)間過長，可能因預(yù)應(yīng)力使其自身出現(xiàn)較大的上拱度;此外，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)在施工之初的成本較高，部分小型項(xiàng)目可能因?yàn)轭A(yù)應(yīng)力的施加而導(dǎo)致施工成本有明顯的升高。

3.預(yù)應(yīng)力技術(shù)在房屋建設(shè)中的應(yīng)用

預(yù)應(yīng)力混凝土的抗裂性能、剛度、耐久性、抗震性能都比普通鋼筋混凝土優(yōu)越，因此在房建工程中的應(yīng)用也越來越廣。

3.1 改善房屋空間功能，提高基礎(chǔ)施工質(zhì)量

在房建工程中，樓板具有非常好的適應(yīng)性，可以按照設(shè)計(jì)要求與使用要求，在屋內(nèi)空間的任何部位設(shè)置隔墻或隔板[8][9]，實(shí)現(xiàn)對設(shè)計(jì)方案的調(diào)整與屋內(nèi)空間的改善，提高建筑物使用時(shí)的檔次和規(guī)格。因此，將預(yù)應(yīng)力應(yīng)用到樓板中，可以在更大程度上實(shí)現(xiàn)上述功能，加之預(yù)應(yīng)力混凝土的優(yōu)良性能，取消了室內(nèi)的明梁，也避免了各種管線、通風(fēng)設(shè)施、上下水管道等結(jié)構(gòu)物對房屋建筑視覺效果的削弱，有效地改善了房屋空間功能與視覺效果。此外，混凝土本身的抗壓能力極強(qiáng)，但是抗拉性能在很多時(shí)候并不能滿足設(shè)計(jì)要求，因此，在某些承受較大拉力的部位設(shè)置預(yù)應(yīng)力筋，可以有效的抵消使用荷載產(chǎn)生的拉應(yīng)力，減少構(gòu)件的開裂，提高構(gòu)件使用能力。

現(xiàn)當(dāng)代的建筑，由于土地資源的稀缺，大部分都是高層或者超高層建筑[10]，這就對房屋基礎(chǔ)提出了較高的要求。預(yù)應(yīng)力在房屋基礎(chǔ)施工中的應(yīng)用，可以有效減小基礎(chǔ)的截面尺寸，進(jìn)而達(dá)到減少材料用量與土方開挖量的目的。而且在基礎(chǔ)施工中，預(yù)應(yīng)力筋合理的線型布設(shè)與鋼束配置，其所產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力能夠在一定程度上平衡掉土壓力與結(jié)構(gòu)荷載，從而提高結(jié)構(gòu)底板的抗彎、抗剪切能力。進(jìn)一步研究表明，基礎(chǔ)工程中應(yīng)用預(yù)應(yīng)力技術(shù)，在平衡外荷載的基礎(chǔ)上，還可以使結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間發(fā)生內(nèi)力重分布，這將在一定程度上改善基礎(chǔ)的局部變形和整體沉降，對于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有利。

3.2 提高混凝土框架的整體穩(wěn)定性

混凝土框架結(jié)構(gòu)的自重大、跨度大、高度大等一系列特點(diǎn)決定了其在結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定方面的局限性[11]。而混凝土框架的整體穩(wěn)定性對整個(gè)房建工程的施工質(zhì)量均具有較大的影響[10]，預(yù)應(yīng)力技術(shù)的引入則可以較好的解決該方面的問題。對混凝土框架施加預(yù)應(yīng)力，可以將受拉區(qū)的拉應(yīng)力進(jìn)行抵消，受壓區(qū)則有普通鋼筋協(xié)助混凝土受壓，二者的協(xié)同工作極大地提高了混凝土框架的整體穩(wěn)定性，加之預(yù)應(yīng)力混凝土優(yōu)異的抗震性能，為房建工程的穩(wěn)定性和安全性進(jìn)一步提供了保障。為了更好的發(fā)揮預(yù)應(yīng)力技術(shù)的作用，在施工過程中須注意施工細(xì)節(jié)，嚴(yán)格把控施工質(zhì)量，保證預(yù)應(yīng)力可以有效的施加在框架的對用部位。例如，在框架的施工、預(yù)應(yīng)力筋的穿束、以及混凝土振搗過程中，應(yīng)對預(yù)留的孔道及其波紋管采取一定的保護(hù)措施;預(yù)應(yīng)力孔道壓漿時(shí)，要保證壓漿質(zhì)量，待孔道另一端流出的水泥漿稠度與壓漿一端相同時(shí)，方可停止壓漿;嚴(yán)格控制預(yù)應(yīng)力筋的張拉應(yīng)力;為了減小預(yù)應(yīng)力損失，張拉預(yù)應(yīng)力筋時(shí)應(yīng)該采用兩端對稱張拉，必要時(shí)可以采用超張拉。

3.3 房屋加固處理

房建工程的加固處理是施工過程中非常重要的一項(xiàng)流程與工藝，將直接影響到結(jié)構(gòu)的耐久性與使用年限[12]，而隨著工藝的不斷革新與進(jìn)步，預(yù)應(yīng)力技術(shù)也逐漸應(yīng)用到房建工程的加固處理之中。目前常用的加固方式包括改變受力體系、體外預(yù)應(yīng)力加固、補(bǔ)強(qiáng)建筑面等，不論哪種加固方式，其基本原理都是通過改善或者修復(fù)建筑物對應(yīng)位置的承載力來達(dá)到加固結(jié)構(gòu)的效果，具體的加固方式要根據(jù)實(shí)際工程中的截面情況、結(jié)構(gòu)形式、施工條件、施工成本等綜合考慮，預(yù)應(yīng)力技術(shù)在房建工程中的加固施工主要通過體外預(yù)應(yīng)力加固的方式來實(shí)現(xiàn)。體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)相對于其他的加固方式來說，具有自重輕、截面尺寸小、預(yù)應(yīng)力筋的維護(hù)、替換與管理便捷、施工速度快、預(yù)應(yīng)力損失小、耐久性高等優(yōu)點(diǎn)，是后張預(yù)應(yīng)力體系中即為重要的分支之一。在具體的施工過程中，體外預(yù)應(yīng)力法通過在加固部位的外側(cè)設(shè)置外加預(yù)應(yīng)力的鋼撐桿或者拉桿，使之與混凝土組成復(fù)合結(jié)構(gòu)共同工作，達(dá)到加固構(gòu)件的目的，以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)自身的抗裂性與承載力。

4.小結(jié)

本文通過對預(yù)應(yīng)力技術(shù)在房建工程中的應(yīng)用特點(diǎn)進(jìn)行分析，指出預(yù)應(yīng)力技術(shù)是通過事先在混凝土或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)人為的引入一定程度的內(nèi)部應(yīng)力實(shí)現(xiàn)其與使用荷載所產(chǎn)生的應(yīng)力在數(shù)值和分布上均相互抵消到較為理想的程度這一方式來實(shí)現(xiàn)，并闡述了國內(nèi)外對于預(yù)應(yīng)力混凝土的分類，指出了預(yù)應(yīng)力混凝土的優(yōu)點(diǎn)與不足。最后，本文提出了預(yù)應(yīng)力技術(shù)在房建工程中三個(gè)方面的應(yīng)用，即：改善房屋空間功能，提高基礎(chǔ)施工質(zhì)量;提高混凝土框架的整體穩(wěn)定性;對房屋進(jìn)行加固處理。本文的研究，對于預(yù)應(yīng)力技術(shù)在房建工程中的應(yīng)用，具有一定的借鑒與指導(dǎo)作用。

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作者簡介：焦天磊，男，1978年生，漢族，山東濟(jì)寧人，大學(xué)本科學(xué)歷，工程師。