體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)的優(yōu)勢及應(yīng)用前景

徐 迪 （上海建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200041）

1 體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)的定義及優(yōu)勢

預(yù)應(yīng)力技術(shù)，顧名思義，即結(jié)構(gòu)在承受外部荷載之前，預(yù)先對其在外荷載作用下的受拉區(qū)施加預(yù)壓應(yīng)力，能夠減弱或抵消拉應(yīng)力，提高結(jié)構(gòu)可靠度，通常用于改善正常使用極限狀態(tài)。根據(jù)施加預(yù)應(yīng)力的部位不同，可分為體內(nèi)預(yù)應(yīng)力和體外預(yù)應(yīng)力；根據(jù)實(shí)施張拉的先后可分為先張法和后張法。體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)屬于后張法預(yù)應(yīng)力體系，有別于體內(nèi)無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)，體外預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的預(yù)應(yīng)力筋位于構(gòu)件截面之外。體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)具有以下優(yōu)勢。

①自重輕：由于體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力筋布置在結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面之外，構(gòu)件截面內(nèi)不需要布置預(yù)應(yīng)力筋管道，構(gòu)件截面面積小，從而減輕了結(jié)構(gòu)的自重，節(jié)省材料，增大跨越能力。

②預(yù)應(yīng)力效率高：由于體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)實(shí)質(zhì)上是無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)，體外預(yù)應(yīng)力筋僅在轉(zhuǎn)向處和錨固處與結(jié)構(gòu)連接，減小了摩阻損失，有效預(yù)應(yīng)力值增加，預(yù)應(yīng)力效率提高。

③防腐性能好：由于預(yù)應(yīng)力筋在使用過程中難免會出現(xiàn)腐蝕，導(dǎo)致構(gòu)件承載力降低，而體外預(yù)應(yīng)力筋布置在結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面之外對防腐具有重要意義。一方面，孔道防腐材料更易施工，灌注質(zhì)量更易檢查，防腐施工質(zhì)量可以得到更好保證；另外一方面，當(dāng)體外預(yù)應(yīng)力筋被腐蝕而導(dǎo)致構(gòu)件承載力不足時(shí)，更換預(yù)應(yīng)力筋更為方便。

④質(zhì)量容易控制：由于體外預(yù)應(yīng)力筋布置在結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面之外，因而可在不影響主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件工作狀態(tài)的情況下檢查體外預(yù)應(yīng)力筋的受力狀態(tài)，體外預(yù)應(yīng)力筋隨時(shí)可調(diào)可換。

⑤布置靈活，受力性能好：體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)可以根據(jù)實(shí)際需要布置線型，優(yōu)化布筋，可以進(jìn)行全跨或全高范圍內(nèi)的全截面加固，也可以進(jìn)行局部范圍內(nèi)的加固。體外預(yù)應(yīng)力傳力路徑明確，能顯著提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力和抗裂性能，改善結(jié)構(gòu)整體性能。

⑥施工方便、經(jīng)濟(jì)性好：體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)是后張法預(yù)應(yīng)力體系中的一種。因而，它具有后張法預(yù)應(yīng)力技術(shù)施工方便的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)應(yīng)用于橋梁加固時(shí)，施工過程中可不封閉交通，在縮短大跨度裝配式預(yù)制橋梁的施工工期的同時(shí)，減少對周邊環(huán)境的影響。

總之，體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)比普通預(yù)應(yīng)力技術(shù)效率更高、經(jīng)濟(jì)性更好、施工更方便且質(zhì)量更易控制。

2 體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)的發(fā)展

體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)是在工程實(shí)踐過程中出現(xiàn)，并在不斷解決各類問題的過程中逐步發(fā)展起來的，比如，預(yù)應(yīng)力筋防腐問題、預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力損失問題、混凝土徐變和溫度影響等。在國外，預(yù)應(yīng)力技術(shù)首先出現(xiàn)在美國，而體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)起源于歐洲，其理論及實(shí)踐發(fā)展主要集中在歐美發(fā)達(dá)國家和日本，且主要應(yīng)用于橋梁工程。國內(nèi)，體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)起步較晚，主要是由于工程加固的需要而出現(xiàn)并發(fā)展。

2.1 國外

體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)最早出現(xiàn)在法國，主要得益于弗萊西奈（E.Freyssinet）在預(yù)應(yīng)力混凝土理論上的突破，隨后在歐洲其他國家被廣泛應(yīng)用。德國于1928年設(shè)計(jì)并建造了其國內(nèi)第一座體外預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土橋，大橋主跨達(dá)到了68m，是當(dāng)時(shí)大跨度橋梁工程技術(shù)的代表。在20世紀(jì)30年代到20世紀(jì)50年代初的這段時(shí)間里，歐洲各國興建了多座體外預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土橋，不過當(dāng)時(shí)體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)不管是設(shè)計(jì)還是施工還屬于前沿技術(shù)。一方面體外預(yù)應(yīng)力理論還不夠完善，設(shè)計(jì)手段及計(jì)算方法只能套用體內(nèi)預(yù)應(yīng)力技術(shù)，沒有獨(dú)立的成體系的理論支持，另一方面也沒有很好的施工技術(shù)支持，如體外預(yù)應(yīng)力筋的防腐問題，導(dǎo)致維護(hù)成本極高，從而阻礙了當(dāng)時(shí)體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)的發(fā)展。20世紀(jì)50年代后期，體內(nèi)預(yù)應(yīng)力技術(shù)在歐洲各國橋梁工程領(lǐng)域逐漸興起，期間建造了大量采用體內(nèi)預(yù)應(yīng)力技術(shù)的鋼筋混凝土橋梁。但是在竣工大約20年后，在對上述橋梁進(jìn)行檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于當(dāng)初設(shè)計(jì)、建造時(shí)對預(yù)應(yīng)力筋摩阻損失、混凝土收縮徐變、施工溫度及使用環(huán)境影響考慮不足，橋梁理論計(jì)算承載力與實(shí)際相差較大，導(dǎo)致橋梁在正常荷載工況下破損嚴(yán)重，致使多數(shù)采用體內(nèi)預(yù)應(yīng)力布筋技術(shù)的橋梁需要重新設(shè)計(jì)并加固，在各種加固措施中又多采用了體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)，加之預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)及相關(guān)材料也有了突破性進(jìn)展，因此，體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)在80年代后期迅速發(fā)展。相關(guān)資料顯示，法國建設(shè)部高速道路局近期規(guī)劃新建橋梁中，使用體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)的鋼筋混凝土橋數(shù)量約占總量的一半。體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)在亞洲的應(yīng)用主要在日本，其中以新干線中的目川橋和四萬十川橋?yàn)榇怼?/p>

2.2 國內(nèi)

國內(nèi)，體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)發(fā)展較晚，體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)主要是由于工程加固改造需要而出現(xiàn)和發(fā)展。1980年左右，隨著我國公路橋梁需求載荷噸位的不斷增加，工程領(lǐng)域開始將體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)應(yīng)用于公路橋梁的加固工程。福建南平電機(jī)廠專用橋、廣東肇慶大沙橋、吉林青山橋、陜西省周至渭河橋、浙江奉化橋、上海市曹安路橋、河北省潴龍河橋、黑龍江省二撫線洪河2號橋等工程均采用了體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)進(jìn)行加固。這八座橋?yàn)槲覈?0世紀(jì)80年代末90年代初完成的體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)加固的典型工程，在當(dāng)時(shí)獲得了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。近年來，大量的按當(dāng)年標(biāo)準(zhǔn)建造的混凝土橋梁存在不同程度的運(yùn)行狀態(tài)不良、承載力偏低或不足等情況，鐵路線路中橋梁的加固改造已成當(dāng)務(wù)之急。津浦線6號橋?yàn)閲鴥?nèi)首次在預(yù)應(yīng)力混凝土鐵路橋上采用體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)加固，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。此外，體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)近年來已經(jīng)逐步應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑領(lǐng)域中梁、板的加固改造以及一些重點(diǎn)工程的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)之中。

3 體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)目前的主要應(yīng)用

當(dāng)前，體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域較為廣泛，有用于既有建筑結(jié)構(gòu)的加固改造，也有用于新建結(jié)構(gòu)和臨時(shí)性結(jié)構(gòu)的建造。

3.1 既有建筑結(jié)構(gòu)的加固改造

在民用建筑領(lǐng)域，體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)是既有建筑結(jié)構(gòu)加固改造的重要技術(shù)之一，不僅用于多、高層建筑結(jié)構(gòu)的加固改造，也用于大跨屋蓋的加固改造。由于其結(jié)構(gòu)受力明確，并能在不大幅增加結(jié)構(gòu)自重的前提下有效提高結(jié)構(gòu)承載力或結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，因此經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。如上海建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司設(shè)計(jì)并參與建造的?？跁怪行母慕‥PC項(xiàng)目，原鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架由于采用Q235b材質(zhì)且桿件截面較小，無法滿足新的建筑使用功能，在考慮到無法拆除重建的前提下，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性，鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架加固采用體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)，并設(shè)計(jì)了專門的連接接頭，通過對稱布置的預(yù)拉鋼絞線，不僅減小了桿件計(jì)算長度，還提高了桿件承載力，確保鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架在不替換桿件的前提下滿足新規(guī)范計(jì)算要求。

在橋梁工程領(lǐng)域，體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)也是修復(fù)和加固的常用方法，受力明確，且能顯著提高結(jié)構(gòu)承載力，有效改善結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)，而且在對橋梁進(jìn)行加固和維修時(shí)，交通可以照常運(yùn)行，這對于城市、社會的正常運(yùn)轉(zhuǎn)具有十分重大的社會效益。

3.2 新建結(jié)構(gòu)和臨時(shí)性結(jié)構(gòu)的建造

體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)用于新建結(jié)構(gòu)實(shí)例較多，在橋梁領(lǐng)域，有20世紀(jì)90年代建成的丹陽云陽大橋，1995年建成的汕頭海灣大橋等。在公建領(lǐng)域，體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)也有較多應(yīng)用。如廣州西塔，結(jié)構(gòu)總高440m，上部結(jié)構(gòu)采用筒中筒結(jié)構(gòu)體系，外筒為鋼管混凝土柱+斜交網(wǎng)格，內(nèi)筒為現(xiàn)澆鋼筋混凝土核心筒。由于斜交網(wǎng)格外筒的豎向剛度較差，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)豎向壓縮變形和水平外鼓變形較大，于是采用了外框筒環(huán)梁+拉梁+核心筒內(nèi)閉合環(huán)梁構(gòu)成的獨(dú)立平面內(nèi)抗拉體系，同時(shí)為了進(jìn)一步提高節(jié)點(diǎn)在樓層抗拉體系中的安全儲備，在斜桿交點(diǎn)的樓層施加了體外預(yù)應(yīng)力，采用1860級高強(qiáng)低松弛鋼絞線。預(yù)應(yīng)力的施加大幅減少了環(huán)梁、拉梁及核心筒連梁的拉力，確保了結(jié)構(gòu)的安全性、適用性及耐久性。另外，各種臨時(shí)性結(jié)構(gòu)的建造也有用體外預(yù)應(yīng)力的情況。

4 應(yīng)用前景展望

體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)，能有效減輕結(jié)構(gòu)自重，節(jié)省材料，預(yù)應(yīng)力損失少，防腐性能好，質(zhì)量易控制，預(yù)應(yīng)力筋布置靈活，施工方便，經(jīng)濟(jì)性好?；谶@些優(yōu)勢，體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)必將在未來結(jié)構(gòu)工程中占據(jù)十分重要的地位。結(jié)合閱讀的文獻(xiàn)和掌握的資料，作者認(rèn)為體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)未來的應(yīng)用前景將會在以下方面體現(xiàn)。

①體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域和范圍將愈加廣泛：不僅將會在橋梁工程及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固改造中廣泛應(yīng)用，而且將在鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)以及新型結(jié)構(gòu)中得到更廣泛的應(yīng)用。

②體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)在工程中應(yīng)用的數(shù)量將有更大、更快地增加：比如，由于體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)能減輕結(jié)構(gòu)重量，節(jié)約材料的用量?？赡芄?jié)約材料的用量的經(jīng)濟(jì)效益并不十分顯著，但同時(shí)因此所帶來的施工工序的簡化，施工速度的加快，工期的縮短，管理費(fèi)用的降低以及使用階段維護(hù)費(fèi)用的降低，這一切將會使其經(jīng)濟(jì)性得到更大的發(fā)揮。當(dāng)然，還有體外預(yù)應(yīng)力的其他優(yōu)勢也勢必會將其社會效益發(fā)揮到極致。良好的經(jīng)濟(jì)性和社會性，無疑將使得體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)得到更多的應(yīng)用。

③體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)的計(jì)算理論、計(jì)算模型將更加合理，更加簡化，設(shè)計(jì)理論、設(shè)計(jì)軟件將更加高效。

④另外，隨著材料科學(xué)的發(fā)展，體外預(yù)應(yīng)力筋的性能也將更加完美，體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的受力性能也將更好。

總之，體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)是大有前途的，但是體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)與其他一樣也存在著一些技術(shù)上的問題。由于手頭資料有限，限于作者現(xiàn)有水平，未能在此詳述。但體外預(yù)應(yīng)力發(fā)展過程中所遇到的各種問題必將在科學(xué)技術(shù)人員的共同努力下得到解決。