芻議預應力混凝土結構設計若干問題

朱義歡 郭曉煒

摘 要：預應力混凝土技術的優點很多。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構的力學性能，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力，從而提高建筑物的耐久性。

關鍵詞：預應力混凝土；結構設計；緩粘結技術

1 引言

目前，預應力技術常出現在多層大跨度、大空間建筑、高層建筑以及儲罐、消化池等特殊結構中。近十年來，預應力材料和設備的生產水平和工業化水平大大提高，工程經驗積累，相關的預應力混凝土結構也越來越大，越來越復雜。這種變化促進了預應力混凝土結構的多樣化和發展，同時又出現了纖維預應力混凝土結構、預應力鋼筋混凝土結構、后張力預應力復合材料結構等一系列新的預應力結構。

2 預應力混凝土在結構設計中應該注意的問題

由于預應力混凝土結構的不同，在實際工程施工設計中應注意的問題很多，包括彎曲構件的反向變形極限、拉伸預應力桿的反向傾斜裂紋等，下面我們就對其中的幾個重點的問題進行研究。

2.1 預應力混凝土結構設計理論

（1）抗震性能設計。為了最大限度地提高預應力混凝土的抗震性能，有必要對預應力混凝土的加固指標進行綜合測量和配置，控制預應力混凝土的強度。保持節點在構造中的良好擴展。在實際配置中，如果預應力混凝土結構裝有縱向非預應力鋼筋，就可以達到降低地震位移的效果，將鋼筋組合起來，達到抗震性能，刺激其固有延性。因此，地震能力進一步增強。

（2）耐久性設計。預應力混凝土的耐久性設計一直是結構設計中的關鍵問題之一。為了保證混凝土在使用過程中的安全性和穩定性，有必要對混凝土的耐久性材料進行設計。破壞混凝土結構的機理主要有：鋼筋腐蝕、堿性骨料反應等。這些條件的出現將嚴重影響混凝土結構的穩定性和使用壽命。因此，在預應力混凝土結構的設計中，應增加對耐久性的研究，以保證整體結構的安全性和穩定性。

2.2 預應力的設計方法

在預應力混凝土結構設計中，盡可能多地使用該模型。在這一部分中，應注意模型與實際工程比的準確性，計算施工中各環節的加固比。以確保在實際施工中，項目能夠按照設計合理有序地進行，這樣，施工進度就能盡量提高。同時，建筑材料必須與精確計算的質量和體積相結合，以保證結構施工的完整性和準確性。然后對模型進行測試，對其施加壓力，以檢測其結構的穩定性和實際效果，從而使預應力的應力能夠盡可能提前被理解，并找出影響質量的原因，加以解決，避免在實際工程工作中出現類似情況。

2.3 預應力施工工藝

在預應力施工技術中，隨著技術的進步，出現了許多實用技術，并在許多施工問題上有針對性的應用。如高強度預應力肌腱、主要發揮橋梁橫向預應力作用的張拉茅體系、張發道灌漿技術等，大大提高了灌漿能力，簡化了灌漿工藝。采用非粘結預應力筋工藝降低成本，體外預應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。隨著這些過程的發展和實現，預應力混凝土結構的發展越來越引人注目。

3 新結構

3.1 預應力型鋼混凝土結構

預應力鋼混凝土具有承載能力高、剛度高、截面小、易開裂等優點。適用于大跨度、重載結構。課題組進行了10榀接近足尺的大比例預應力型鋼混凝土框架的豎向靜力及豎向低周反復荷載試驗，對破壞模式、斷裂發育和分布、剛度變化、力矩調制和地震性能等方面進行了一系列相關研究。提出了考慮次內力包括次彎矩和次軸力的預應力鋼筋混凝土結構極限承載力、抗裂能力、剛度和最大裂縫寬度的計算方法。此外，文獻[3]基于平截面假定推導了不同狀態下預應力型鋼混凝土結構的抗彎承載力計算公式。結合上述研究成果及已有JGJ 138—2001《型鋼混凝土組合結構技術規程》，在國家標準和上海法規中給出了預應力鋼筋混凝土結構的相關設計方法，并考慮了次內力的影響。需要注意的是，國家規范中計算彎曲承載力的默認公式是鋼上的法蘭承受壓力，可能不適用于拉壓情況。在需要精確計算結果的情況下建議參考文獻[3]，但計算過程相對復雜。

3.2 體外預應力混凝土結構

體外預應力結構與體內預應力結構相比具有截面小、重量輕、易更換的特點，因此廣泛應用于新結構和現有結構的加固。在體外預應力結構中，應特別注意外筋的防腐措施，以避免外筋的腐蝕。體外預應力梁和非粘結預應力梁在受力原理上基本相同，因此可以用非粘結預應力梁的方法計算其彎曲承載力。然而，與非粘結預應力結構相比，體外預應力結構仍有二次效應，因此預應力筋的極限應力增量明顯小于非粘結預應力結構。根據國內外117根外預應力混凝土梁的試驗結果及相關工程經驗，將單支梁和連續彎曲梁的應力增量控制在100MPa，懸臂彎曲構件的應力增量控制在50MPa。常數值的使用方法簡單可靠。利用相的計算是指一般預應力混凝土結構的計算方法。在計算縱向拉伸比時，考慮了外預應力筋的影響，并通過擬合外預應力筋的實驗結果得到了降低系數為0.2。

3.3 纖維增強復合材料預應力筋混凝土結構

在傳統鋼筋混凝土結構中，鋼筋、預應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題。其抗拉強度高，耐蝕性強，耐蝕性低，非常適合作為預應力肋使用。

4 新工藝、新材料

4.1 緩粘結預應力筋

緩粘結筋作為一種新技術，避免了無粘結筋與有粘結筋各自的缺點。它能在拉伸階段和混凝土之間自由滑動，接近非粘結預應力混凝土結構，能有效降低預應力損失。在使用階段，隨著緩粘結劑的凝固，預應力鋼與混凝土之間的鍵結得到有效實現，此時可視為有粘結預應力結構。

4.2 有粘結與無粘結混合配置筋

預應力混凝土結構具有粘結和非粘結混合構型，結合了兩種結構的優點：預應力混凝土使用效率高，便于預應力混凝土的線性優化，預應力混凝土損失較小，局部壓力大，結構變形恢復能力好，節點性能好，施工方便快捷，便于分批張拉，工期短。這種結構特別適用于由極限狀態的正常使用控制的大跨度重載結構，也可用于轉換結構。目前，這種工藝在國內外一些重大工程中已得到應用，如位于美國西雅圖的OnePacificTower，該建筑結構中轉換梁采用了有粘結與無粘結混合配筋的方式；位于中國上海的中國博覽會會展綜合體在一級次梁中也采用了這種工藝。彎曲極限承載力的計算方法與普通預應力混凝土結構的計算方法相同，但給出了適用于預應力筋和梁中非粘結筋混合的極限應力增量計算公式。裂縫和剛度的計算是指混凝土規范，其中非粘結加固作用降低0.3。

4.3 基于物聯網的數控張拉技術

預應力張拉是預應力施工中的一項基本技術。目前存在著拉伸精度低、不能同步施工等缺陷。該組研制的數字智能張緊設備將信息技術與預應力張緊結構相結合。通過計算機和互聯網，智能張緊裝置可以準確控制預應力施工過程，提高施工精度，實現施工過程的動態監控，并提取施工的關鍵參數上傳并保存到遠程服務器上，方便重新檢查。在數字智能拉伸系統的發展過程中，通過四代機的反復改進，其功能部件完善、性能穩定。

5 結論

預應力混凝土結構設計應充分考慮建筑的經濟性和穩定性，提高建筑整體質量。根據工程實際情況，選擇預應力施工技術，根據具體問題設計混凝土施工方案。在保證施工質量的同時，充分發揮預應力混凝土結構的優點，使建筑的抗震和防滲性能得到較大提高，保證建筑的穩定性和安全性。

參考文獻：

[1] 易煒爭.大跨度預應力混凝土結構設計方法研究[J].建筑建材裝飾，2017（16）：182.

[2] 宋立.論大跨度預應力混凝土結構設計要點[J].建筑建材裝飾，2017（7）：95～96.

[3] 徐杰，傅傳國，戴航等.預應力型鋼混凝土梁正截面承載力計算[J].工業建筑，2007（S1）：571～574.