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        預應力技術在建筑結構設計中的應用
        發布日期:2018/2/6 10:26:58

        預應力技術一般是指對結構構件中的鋼筋預先施加應力的技術,用以改善結構構件的受力性能。比如在承受外荷載之前,對受拉模塊中的鋼筋,施加預壓應力,可以提高構件的剛度,推遲裂縫出現的時間,增加構件的耐久性。中國人在很早以前就懂得運用這種技術。人們通過在木桶周圍套上鐵皮或竹箍,以緊密木條,提高木桶的剛度。這里的鐵皮或竹箍的作用就是對木桶壁產生一個環向的壓應力,只要桶里的水壓不大于這個預加的壓應力,水桶就不會開裂不容易漏水。

        人們對預應力技術按照不同的原則分類。按施加應力的方法,可以分為先張法預應力技術和后張法預應力技術;按縱向預應力度大小不同,可以為全預應力和部分預應力;按預應力鋼筋與混凝土的結合情況,可以分為有粘結預應力和無粘結預應力;按施工方式,可以分為預制、現澆及疊和預應力。別看分類這么復雜,原理就和那木桶外圍的鐵箍一樣,只不過制作工序不同。就好比先把鐵箍做好預拉伸后套上木桶,這就是先張法;也可以把鐵箍套上木桶后再拉伸擰緊,這就是后張法。

        我們對預應力技術了解的早,掌握的早,但是要說系統的研究利用,還是在共和國成立以后。上世界五十年代的國情是,新中國剛成立,百廢待興,可是生產力低下,鋼筋產量嚴重不足,再加上同時期國家借助蘇聯經濟和技術的支援,新建和擴建了156個建設項目,留給民用的鋼筋少之又少。也就是在那個時期,民間涌現了許多“竹筋房”,采用經過石灰水處理過的竹子代替鋼材使用。筆者所在單位的辦公樓,就是典型的一座“竹筋房”,目前仍在使用中。

        到了五十年代中期,國內開始研究預應力技術。1955年,鐵路部門研制成功我國第一片跨度12米的預應力混凝土鐵路橋梁,1956年建成28孔24米跨的新沂河大橋, 1958年建成我國第一個預應力鋼結構——25米跨的山西大同煤礦輸煤棧橋,從而開始了國內預應力混凝土技術應用的篇章。

        而在鋼鐵等資源充足的今天,仍然要在建筑結構設計中推廣預應力技術。因為現代建筑追求的不僅僅是基本的功能設計要求,更多的是強調建筑空間的利用率及其帶來的人文美感,而預應力技術獨特的特點正是符合建筑結構的發展要求。以混凝土梁為例,普通的鋼筋混凝土梁的設計跨度一般不會超過18米,而預應力鋼筋混凝土梁在條件允許的話可以做到40米以上,運用預應力技術所帶來的空間利用率的提升以及土建造價的節省,都是房產開發商所喜聞樂見的。如今的建筑結構設計工作已變得日益復雜而繁重,它不僅需要考慮建筑結構的安全耐久性,還要兼顧建筑的適用性和經濟性,這些在客觀上也刺激了預應力技術的發展。

        2 預應力技術在建筑結構設計中的應用

        建筑結構設計中用到預應力技術的地方主要是預應力平板結構、明梁大板框架(剪力墻)結構和轉換層結構等。

        2.1 預應力平板結構

        近年來,建筑樓蓋的抗裂性能、板厚、結構自重等均是設計難點,而預應力平板結構則可以有效處理這些問題。預應力無梁平板結構取消了室內明梁,僅僅在樓板周邊、尺寸較大洞口周邊和少數荷載較重的隔墻下部保留,整個頂板則為一個整體的平面,沒有梁體的分割和梁高帶來的高差。預應力平板結構的主要優勢在于:(1)對于有地下室的建筑,這樣的結構能減少基坑開挖深度和地下室埋深,從而減少了建筑耗材,更加經濟實用;(2)減少層高,增加了樓層的有效凈高;(3)預應力樓板給用戶的空間自由度更大,空間可任意組合分隔;(4)避免了由于管線及通風管道的鋪設降低層高的問題,同時方便了管道的安裝;(5)預應力平板結構的預應力鋼筋可以在樓板中產生一個軸向壓力,使得平板的剛度提高,撓度減小,抗裂性能也大為提高,同時還減少了鋼筋用量,降低了造價;(6)采用后張拉預應力技術的的構件在混凝土強度達到設計強度的75%后即可進行預應力張拉,張拉完成后即可拆除模板,施工速度要快于一般的梁板體系,而且提高了模板的利用率,大大縮短了施工周期。

        預應力平板結構的設計也自成體系,以無粘結預應力混凝土平板結構為例,其設計步驟如下:(1)選擇截面尺寸。在初步設計時,按跨高比求出板的最小厚度并且驗算所選板厚的抗沖切能力;(2)預應力筋估算,包括預應力筋的線型選擇和預應力筋的初步估算;(3)次內力與荷載效應組合計算,可以按照等代框架法或有限元法進行此步;(4)正截面承載力驗算;(5)抗沖切驗算。

        雖然在目前的預應力平板設計過程中,仍然存在許多爭議與問題,主要體現在結構的建模、預應力鋼筋的估算與布置、極限狀態和承載能力極限狀態的驗算等等,仍然需要設計人員大量的經驗和不斷的總結,但是預應力平板結構的優勢是顯而易見的,相信以后會被越來越多的工程所采用。

        2.2 明梁大板框架(或剪力墻)結構

        明梁大板框架結構是指在柱子(或剪力墻)間布置框架梁,在大板上布置隔墻的結構體系。這種結構與平板結構有很多相似之處,柱距大可以有效利用空間,省去了室內錯綜復雜的次梁,增加凈高,抗裂性能好,節省材料、節省模板和人工,施工迅速。所不同的是,這種結構體系還帶有明梁,仍然屬于框架或剪力墻結構,可以用于平板結構所不太適宜的高層或抗震設防烈度比較大的地方。明梁大板框架結構體系配合預應力寬扁梁的使用,效果更明顯,比如凈跨8米左右的預應力寬扁梁可以做到400~450mm高,而普通混凝土梁的高度一般要做到650~700mm,采用預應力寬扁梁的設計大大節省了樓層凈高。這種優點使得它不僅在住宅和辦公樓得到了廣泛的應用,而且在大型商場以及地下停車場的設計中也大受開發商的歡迎。

        2.3 轉換層結構

        建筑轉換層是指建筑物某層上下部分因平面使用功能的相異而采用了不同的結構類型,通過該層進行結構轉換。多用于剪力墻結構和框架-剪力墻結構,它將上部剪力墻轉換為下部的框架,以創造一個較大的內部自由空間。一般來說在大型商住樓的設計中采用的比較多,比如上部住宅剪力墻布置較密,而下部的商場或公共設施卻希望有靈活的空間,柱網要大,剪力墻要少,解決這種矛盾最常用的途徑就是設置轉換層,用以傳遞剪力,約束變形。然而傳統意義上,設置轉換層從經濟上必然帶來造價的提升,許多開發商迫于經濟預算都望而止步。于是采用預應力技術的轉換層結構就應時而生。通過利用預應力技術的優勢,可以有效減少結構構件的截面尺寸,減輕轉換層的自重,減少轉換層的剛度,以利結構的抗震,更可以有效控制梁板等構件的裂縫和撓度。而隨著預應力技術的逐漸成熟,預應力材料及施工費隨之降低,目前我國高層建筑轉換層結構中采用預應力技術的情況也屢見不鮮了。預應力技術的日趨成熟,不僅能滿足實際的基本要求,還能帶來明顯的經濟效益,這些也說明了轉換層結構中應用預應力技術的實例越來越多的原因。

        其它的在一些大跨度懸挑結構、倉儲筒、塔樓等特種結構設計中,也屢見預應力技術的身影,甚至在地下基礎設計中,也有采用預應力技術的嘗試。特別是繞絲后張拉預應力混凝土水池,在國內設計使用了幾十年,利用預壓應力來有效抵消水壓,這同古人在木桶周圍套上鐵箍施加預應力何其類似,這是古代勞動人民的智慧在新時代的再次成功應用。

        3 結語

        經過不斷的工程實踐和探索,預應力技術已日趨成熟。建筑行業的發展趨勢,也給預應力技術的應用帶來了廣闊的市場空間。憑借其在這一領域的強大生命力和競爭力,預應力技術在以后的時間里將得到更多的應用,也將更加完善。

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