體外預應力技術的優勢及應用前景

徐 迪 （上海建筑設計研究院有限公司，上海 200041）

1 體外預應力技術的定義及優勢

預應力技術，顧名思義，即結構在承受外部荷載之前，預先對其在外荷載作用下的受拉區施加預壓應力，能夠減弱或抵消拉應力，提高結構可靠度，通常用于改善正常使用極限狀態。根據施加預應力的部位不同，可分為體內預應力和體外預應力；根據實施張拉的先后可分為先張法和后張法。體外預應力技術屬于后張法預應力體系，有別于體內無粘結預應力技術，體外預應力構件的預應力筋位于構件截面之外。體外預應力技術具有以下優勢。

①自重輕：由于體外預應力結構的預應力筋布置在結構構件截面之外，構件截面內不需要布置預應力筋管道，構件截面面積小，從而減輕了結構的自重，節省材料，增大跨越能力。

②預應力效率高：由于體外預應力技術實質上是無粘結預應力技術，體外預應力筋僅在轉向處和錨固處與結構連接，減小了摩阻損失，有效預應力值增加，預應力效率提高。

③防腐性能好：由于預應力筋在使用過程中難免會出現腐蝕，導致構件承載力降低，而體外預應力筋布置在結構構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，灌注質量更易檢查，防腐施工質量可以得到更好保證；另外一方面，當體外預應力筋被腐蝕而導致構件承載力不足時，更換預應力筋更為方便。

④質量容易控制：由于體外預應力筋布置在結構構件截面之外，因而可在不影響主要結構構件工作狀態的情況下檢查體外預應力筋的受力狀態，體外預應力筋隨時可調可換。

⑤布置靈活，受力性能好：體外預應力技術可以根據實際需要布置線型，優化布筋，可以進行全跨或全高范圍內的全截面加固，也可以進行局部范圍內的加固。體外預應力傳力路徑明確，能顯著提高結構構件承載力和抗裂性能，改善結構整體性能。

⑥施工方便、經濟性好：體外預應力技術是后張法預應力體系中的一種。因而，它具有后張法預應力技術施工方便的優點。當體外預應力技術應用于橋梁加固時，施工過程中可不封閉交通，在縮短大跨度裝配式預制橋梁的施工工期的同時，減少對周邊環境的影響。

總之，體外預應力技術比普通預應力技術效率更高、經濟性更好、施工更方便且質量更易控制。

2 體外預應力技術的發展

體外預應力技術是在工程實踐過程中出現，并在不斷解決各類問題的過程中逐步發展起來的，比如，預應力筋防腐問題、預應力筋應力損失問題、混凝土徐變和溫度影響等。在國外，預應力技術首先出現在美國，而體外預應力技術起源于歐洲，其理論及實踐發展主要集中在歐美發達國家和日本，且主要應用于橋梁工程。國內，體外預應力技術起步較晚，主要是由于工程加固的需要而出現并發展。

2.1 國外

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

2.2 國內

國內，體外預應力技術發展較晚，體外預應力技術主要是由于工程加固改造需要而出現和發展。1980年左右，隨著我國公路橋梁需求載荷噸位的不斷增加，工程領域開始將體外預應力技術應用于公路橋梁的加固工程。福建南平電機廠專用橋、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應力技術進行加固。這八座橋為我國在20世紀80年代末90年代初完成的體外預應力技術加固的典型工程，在當時獲得了很好的經濟效益和社會效益。近年來，大量的按當年標準建造的混凝土橋梁存在不同程度的運行狀態不良、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務之急。津浦線6號橋為國內首次在預應力混凝土鐵路橋上采用體外預應力技術加固，取得了較好的經濟效益。此外，體外預應力技術近年來已經逐步應用于工業與民用建筑領域中梁、板的加固改造以及一些重點工程的預應力結構之中。

3 體外預應力技術目前的主要應用

當前，體外預應力技術應用領域較為廣泛，有用于既有建筑結構的加固改造，也有用于新建結構和臨時性結構的建造。

3.1 既有建筑結構的加固改造

在民用建筑領域，體外預應力技術是既有建筑結構加固改造的重要技術之一，不僅用于多、高層建筑結構的加固改造，也用于大跨屋蓋的加固改造。由于其結構受力明確，并能在不大幅增加結構自重的前提下有效提高結構承載力或結構穩定性，因此經濟效益十分顯著。如上海建筑設計研究院有限公司設計并參與建造的海口會展中心改建EPC項目，原鋼結構網架由于采用Q235b材質且桿件截面較小，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，結合經濟性，鋼結構網架加固采用體外預應力技術，并設計了專門的連接接頭，通過對稱布置的預拉鋼絞線，不僅減小了桿件計算長度，還提高了桿件承載力，確保鋼結構網架在不替換桿件的前提下滿足新規范計算要求。

在橋梁工程領域，體外預應力技術也是修復和加固的常用方法，受力明確，且能顯著提高結構承載力，有效改善結構的應力狀態，而且在對橋梁進行加固和維修時，交通可以照常運行，這對于城市、社會的正常運轉具有十分重大的社會效益。

3.2 新建結構和臨時性結構的建造

體外預應力技術用于新建結構實例較多，在橋梁領域，有20世紀90年代建成的丹陽云陽大橋，1995年建成的汕頭海灣大橋等。在公建領域，體外預應力技術也有較多應用。如廣州西塔，結構總高440m，上部結構采用筒中筒結構體系，外筒為鋼管混凝土柱+斜交網格，內筒為現澆鋼筋混凝土核心筒。由于斜交網格外筒的豎向剛度較差，導致結構豎向壓縮變形和水平外鼓變形較大，于是采用了外框筒環梁+拉梁+核心筒內閉合環梁構成的獨立平面內抗拉體系，同時為了進一步提高節點在樓層抗拉體系中的安全儲備，在斜桿交點的樓層施加了體外預應力，采用1860級高強低松弛鋼絞線。預應力的施加大幅減少了環梁、拉梁及核心筒連梁的拉力，確保了結構的安全性、適用性及耐久性。另外，各種臨時性結構的建造也有用體外預應力的情況。

4 應用前景展望

體外預應力技術，能有效減輕結構自重，節省材料，預應力損失少，防腐性能好，質量易控制，預應力筋布置靈活，施工方便，經濟性好。基于這些優勢，體外預應力技術必將在未來結構工程中占據十分重要的地位。結合閱讀的文獻和掌握的資料，作者認為體外預應力技術未來的應用前景將會在以下方面體現。

①體外預應力技術應用領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構加固改造中廣泛應用，而且將在鋼結構、木結構、砌體結構以及新型結構中得到更廣泛的應用。

②體外預應力技術在工程中應用的數量將有更大、更快地增加：比如，由于體外預應力技術能減輕結構重量，節約材料的用量。可能節約材料的用量的經濟效益并不十分顯著，但同時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，管理費用的降低以及使用階段維護費用的降低，這一切將會使其經濟性得到更大的發揮。當然，還有體外預應力的其他優勢也勢必會將其社會效益發揮到極致。良好的經濟性和社會性，無疑將使得體外預應力技術得到更多的應用。

③體外預應力技術的計算理論、計算模型將更加合理，更加簡化，設計理論、設計軟件將更加高效。

④另外，隨著材料科學的發展，體外預應力筋的性能也將更加完美，體外預應力結構的受力性能也將更好。

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