浅析预应力混凝土在我国房屋建筑中的应用和发展

浅析预应力混凝土在我国房屋建筑中的应用和发展摘要：预应力混凝土是在第二次世界大战后从西欧迅速发展起来的，目前在我国土木工程投资方面，混凝土工程技术，预应力技术应用方面取得了巨大进步。近年来，我国预应力混凝土在房屋建筑中发展很快，无论在屋型，跨度以及施工方法与技术方面都有突破性发展，不少预应力混凝土房屋的修建技术已达到国际先进水平。本文着重分析预应力混凝土在我国房屋建筑中的应用和发展及前景。关键词：预应力混凝土；房屋建筑；发展一、我国预应力混凝土技术发展现状预应力混凝土经过近半个世纪的发展，现在已成为全世界土建工程中一种十分重要的结构材料，应用范围日益扩大，由以往的单层、多层房屋、公路、铁路桥梁、轨枕、电杆、压力水管、储罐、水塔等，已扩大到高层建筑、地下建筑、高耸结构、水工建筑、海洋结构、机场跑道、核电站压力容器、大吨位船舶等方面。（一）我国预应力混凝土的发展成果(1)摆脱了过去30年来预应力钢材强度低、品种杂乱、供不应求的局面从意大利等国引进了12条高强度低松弛钢绞线生产设备，强度级别提高到1860MPa级的国际先进水平，产量在15万吨以上，加上原有的1570MPa级钢绞线，总产量超过20万吨。可以满足国内推广高效预应力混凝土的需要，并可出口。(2)较好地解决了预应力施工工艺中的关键技术例如200~8000kN张拉力的系列千斤顶、各类锚夹具、无粘结涂包工艺等等。锚具年产量在300万孔以上，已属世界上的生产大国。(3)规范规程已基本配套已有《混凝土结构设计规范》、《无粘结预应力混凝土结构技术规程》和《预应力筋用锚具、夹具和连接器》等国家产品标准和应用技术规程。另外，《无粘结预应力筋专用防腐润滑脂》、《预应力用液压千斤顶》、《预应力用电动油泵》、《预应力钢筋、钢丝镦头器》、《预应力混凝土用金属螺旋管》等技术规程和产品标准基本上已配套，满足了工程需要。(4)建造了一大批具有国际先进水平的预应力混凝土结构如杨浦、南浦大桥；北京、天津、上海电视塔；秦山核电站预应力混凝土安全壳；广东国际大厦、珠海机场候机楼等高层和大柱网无粘结楼盖；为阿尔及利亚设计施工的预应力混凝土球形水塔等一批高难度、高水平的建筑及构筑物等等。这也反映我国已培养和成长了一批高水准的预应力混凝土设计施工队伍。近年来，无粘结预应力混凝土在国内发展很快。据不完全统计，我国无粘结涂包生产线已有30余条，年涂包量超过12000吨。我国每年用无粘结筋建造的房屋建筑估计在300万m2以上。已完成的首都国际机场新航站楼(27万m2)、北京航华科贸中心(30万m2)均采用了无粘结预应力混凝土楼盖。（二）我国预应力混凝土技术与国外比存在的差距(1)总体设计水平较差多数设计人员尚未掌握预应力混凝土结构设计特点，现有的预应力混凝土房屋建筑标准化、产业化程度不高，每平方米建筑面积折合用钢指标明显高于国外水准，设计理论和规范、标准尚待完善。(2)预应力房屋建筑结构形式单一，造价偏高我国现有的预应力房屋建筑结构形式大都沿用了传统的普通钢筋混凝土结构形式，尚未充分考虑预应力混凝土的特点，在柱网及结构布局上作相应的变化。还没有充分利用先张法工业化生产的优越性，开发重量轻、跨度大、节材、耐久的预制构件及相应的装配整体式结构体系。预应力房屋建筑结构形式比较单一，用钢量大，造价偏高。今后的发展和降低成本的潜力还很大。(3)预应力技术工艺水平有待提高预应力混凝土施工中涉及到大量专用设备和专门工艺，如各类张拉千斤顶、镦头器、制管机、灌浆机、穿束机、无粘结筋涂包、端部密封装置等等，我国目前虽都能生产，但整体工艺技术水平低，适用性、耐久性、配套性较差，与国际水平尚有一定差距。预应力构件生产工艺还比较落后。(4)预应力混凝土的产业化程度低预应力混凝土构件工厂化、产业化生产规模远远落后于国外技术先进国家。预应力锚夹具生产，除少数2~3个专业厂能规模生产外，大多数为分散经营的小厂，锚具质量控制无可靠保证。预应力施工专业化程度低。二、预应力混凝土在我国房屋建筑中的重要性（一）改善使用阶段的性能受拉和受弯构件中采用预应力，可延缓裂缝出现并降低较高荷载水平时的裂缝开展宽度；采用预应力，也能降低甚至消除使用荷载下的挠度，因此，可跨越大的空间，建造大跨结构。提高受剪承载力。纵向预应力的施加可延缓混凝土构件中斜裂缝的形成，提高其受剪承载力。改善卸载后的恢复能力。混凝土构件上的荷载一旦卸去，预应力就会使裂缝完全闭合，大大改善结构构件的弹性恢复能力。提高耐疲劳强度。预应力作用可降低钢筋中应力循环幅度，而混凝土结构的疲劳破坏一般是由钢筋的疲劳所控制的。（二）能充分利用高强度钢材，减轻结构自重在普通钢筋混凝土结构中，由于裂缝和挠度问题，如使用高强度钢材，不可能充分发挥其强度。例如，1860Mpa级的高强钢绞线，如用于普通钢筋混凝土结构中，钢材强度发挥不到20％，其结构性能早己满足不了使用要求，裂缝宽，挠度大；而采用预应力技术，不仅可控制结构使用阶段性能，而且能充分利用高强度钢材的潜能。这样，采用预应力，可大大节约钢材用量，并减小截面尺寸和混凝土用量，具有显著的经济效益。（三）可调整结构内力将预应力筋对混凝土结构的作用作为平衡全部和部分外荷载的反向荷载，成为调整结构内力和变形的手段。因此，现代预应力混凝土是解决建造大（大跨度、大空间建筑一工艺上和使用上要求的）、高(高层建筑、高耸结构)、重（重荷载、重型结构、转换层结构）、特（特种结构一水池、电视塔、安全壳）等类建筑结构和工程结构物的不可缺少的、重要的结构材料和技术。（四）预应力混凝土结构具有良好的抗震功能当前国际混凝土结构工程界对预应力混凝土结构的抗震问题给予了重视。日本在1995年神户大阪地震之后，结合混凝土结构（包括预应力混凝土结构）在地震中的实际表现进行了调查并作了大量研究工作，其它国家也作了不少研究工作。研究表明预应力结构在地震区是能够应用的，和普通钢筋混凝土结构一样，需要的是合理的设计和施工。采用竖向预应力加固普通钢筋混凝土结构可提高结构抗震性能。采用竖向预应力的混凝土结构，可以提高结构抵抗水平荷载的能力，并在地震之后又能很快的复原。在地震作用下，预制的预应力混凝土结构会发生屈服，产生塑性铰，提高整个结构的延性和耗能能力而避免损坏，因而具有良好抗震性能。三、预应力混凝土在我国房屋建筑中应用与发展展望（一）高层建筑结构中预应力混凝土发展趋向近年来，预应力混凝土在高层建筑结构中的应用有很大发展，尤其是无粘结预应力混凝土平板和预应力扁梁用于高层建筑的楼盖，具有降低层高、节约钢材、简化模板、加快施工等明显效果，受到建设、设计和施工单位的普遍欢迎。简化了模板及钢筋工程，预应力混凝土用于高层建筑的突出优点正被广大土建工程师认识和接受。预应力混凝土除用于楼盖外，有时还用来解决大跨度、大空间部位柱网转换时的转换梁、转换桁架，以及复杂柱网情况下的转换板。此外8~18m跨度的预应力混凝土空心板，外墙用的装饰保温复合预应力混凝土墙板在高层建筑中的应用前景也很广阔。为适应我国经济的发展，缓解交通问题给人们生产生活带来的不便，预应力混凝土结构的应用范围将更加广阔，因此我们应加强提高预应力技术水平的科研工作。和发达国家相比，我们预应力混凝土工程的研究相对落后。凭借我们已有的强大队伍，和一些单位在预应力技术推广应用中的创收实力完全可以承担和完成这项重要的科研任务。同时，设计和施工的分离也是影响我国预应力混凝土结构迅速发展的因素之一。因此有必要成立大型强而有力的预应力混凝土工程公司，承担重大预应力混凝土工程，并担负新技术开发研究，并做好与设计和施工之间的联系，以提高我国的预应力技术水平。（二）预应力工艺将进一步完善，专用产品质量提高尽管我国已能大批量生产高强钢材、锚具和各类预应力混凝土用专用机具，但就其质量的稳定性、耐用性及配套性以及预应力工艺水平而言，与国际先进水平相比尚有不少差距。预应力混凝土由于其钢材长期处于高应力状态和材料对机械损伤或腐蚀的高度敏感，更值得引起我们对产品质量和施工工艺问题的关注。国际上对后张灌浆和无粘结预应力混凝土的耐久性以及与保证质量相关的工艺技术均给予高度重视，我国应加强与国际学术界、工程界的交往，广泛吸取他人的有益经验。英国新标准要求预留管道采用不导电、抗腐蚀且耐久的高密度聚乙稀或聚丙稀塑料波纹管替代金属波纹管，以便提供预应力束的多道空气和水的绝缘屏障。并对灌浆工艺提出了更高要求。国外对无粘结筋的防腐蚀要求，全封闭要求和构造细节、质量标准也都很严格，这方面我国还有许多工作要做，质量有待提高。锚具的生产许可证制度也势在必行。今后10年，应该是国内预应力产品与施工技术与国际预应力混凝土先进技术逐步接轨的10年。随着我国改革开放的深入、法制与技术立法和管理制度的完善与提高、市场竞争机制的发育以及建筑市场的逐步规范化，预期我国预应力混凝土工艺技术在今后十余年内也必将会取得较大进展。（三）预应力混凝土结构的可靠性、耐久性和经济性更为协调预应力混凝土具有节材、节能、节地、改善建筑与结构功能等优点，但应该看到，我国当前的预应力混凝土房屋建筑设计水平普遍还比较低，设计理论也急待完善与提高，主要表现在：结合预应力混凝土特点对结构的整体布局，概念设计，方案对比，综合技术经济效益的分析研究薄弱；设计理论上过分强调了裂缝对耐久性的危害，对某些预应力结构的抗裂要求过严，造成用钢量的显著增加。而对影响耐久性的其它更重要因素如混凝土质量和保护层厚度，以及灌浆质量控制，无粘结束的全长密封，尤其是锚具封端的严格要求则重视不够。结构分析方面，则常常把普通钢筋混凝土结构的设计准则不适当地套用到预应力混凝土高层建筑结构，例如剪力墙框架结构中，由预应力平板与柱构成的等代框架，以及由预应力扁梁、柱构成的框架，由于预应力配筋的方向性以及耗能特点，通常不宜考虑承受过大的地震内力，对这类结构的设计准则应有所区别，目前有关的规范还都未涉及，而有待补充与完善。设计工作是建筑功能与效益方面最重要的一环，以抗裂控制标准为例，国外不少先进工业国基于对裂缝危害性的多年研究成果，对绝大多数处于一类腐蚀环境的建筑物(如办公楼、住宅等一般室内建筑)，容许预应力构件出现小于0.2mm的裂缝。随着我国预应力混凝土设计队伍的壮大和设计水平的提高，相信在不久的将来，我们将会在一些重大设计理论问题上取得共识，实现可靠性、耐久性和经济性的协调一致，预应力混凝土在我国房屋建筑中也会得到进一步的应用和发展。参考文献：[1]刘永颐.《我国房屋建筑中预应力混凝土技术发展展望》[J].建筑科学,1997(3).[2]翟爱良,郑晓燕．钢筋混凝土结构计算与设计[M]．北京:中国水利水电出版社，1999.[3]戴国莹,李德虎.建筑结构抗震鉴定及加固的若干[J].建筑结构,1999(4).[4]程远兵,杨超.抗震结构静力弹塑性分析的方法及步骤[J].山西建筑,2009,35(6).[5]张维斌.多层及高层钢筋混凝土结构设计释疑及工程实例[M].北京:中国建筑工业出版社,2006.作者简介：于航（1982.9-），女，河北沧州人，河北省沧州市建筑设计研究院从事监理工作