預應力技術在建筑工程中的應用

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隨著人們消費觀念的改變，對住房和工作環(huán)境及消費水平的要求也越來越高，住宅要求有較好的內景，辦公室要求有開闊舒暢的空間，建筑要追求較大的凈高……預應力結構的出現，輕松的實現了這些要求。
    預應力結構的形式也是多樣豐富的，常用的形式有：無梁平板結構、有梁大板框架（或剪力墻）結構、轉換層結構、門架結構和吊車梁以及特殊結構如水池、筒倉、大懸挑結構等。
    （一）預應力平板結構
    傳統(tǒng)的普通鋼筋混凝土梁板結構體系，需在柱間及隔墻下設置框架梁和次梁，這必然導致室內明梁縱橫交錯，降低了樓層的有效高度，影響了室內美觀和使用功能，裝修也較難處理；由于室內明梁的存在，隔墻布置的任意性受到限制，室內功能的重新調整比較困難，而一棟建筑物在其50年甚至70年使用期內都不需對空間重新分隔和變換使用功能是很難想象的，特別是一般的商場建筑及辦公樓建筑。若設計中樓蓋體系采用普通鋼筋混凝土平板結構或預應力平板結構，以上問題則迎刃而解；工程若采用普通鋼筋混凝土無梁平板結構，由于內隔墻較多，附加荷載較大，要使普通鋼筋混凝土平板的裂縫控制等級及撓度滿足規(guī)范要求，計算所需板厚較厚，同時普通鋼筋用量也較大，不經濟。因此，為了提高整個樓蓋的抗裂性能，減薄板厚，減輕結構自重，提高其使用功能，采用近年來在大量工程中得以廣泛應用的現代高效預應力混凝土結構技術，將整個樓蓋設計為后張部分預應力混凝土無梁平板結構是一個良好的選擇。這種預應力無梁平板，除在樓板周邊保留必要的邊梁和在局部少數有隔墻的地方及洞口邊緣保留梁之外，室內明梁全部取消，僅在必要的地方設暗梁以改善樓板的受力性能，每單元整個室內頂板為一整塊的平面。
    這種結構具有各種預應力結構的許多共性，其優(yōu)點主要有：
    （1） 有利于減少地下室埋深及基坑開挖深度
    對于有地下室的大型建筑或高層建筑，常常把地下室作為車庫或商場。底板、頂板均可做成預應力平板；局部配電房，發(fā)電機房等需層高較高者，可局部下挖，使之達到設備高度要求；這樣，在地下室中，則降低了層高，減少了水壓力，減少了底板支模工序及基坑開挖深度，減少了外墻砼用量，從而降低造價。若是把上部結構也做成預應力結構，或選平板結構或選有梁大板結構，均能擴大柱距，使柱子和基礎數量減少，也增加了室內的凈面積。車庫可以比上部結構做普通結構多出許多個車位出來，商場則可以擺放更多的貨品欄。
    （2）利于增加建筑物樓層的凈空高度或者減少層高
    對于6~9m跨度的樓蓋體系若采用普通鋼筋混凝土梁—板結構，梁板需要占去700~1000mm的凈空，若采用預應力樓板后，室內明梁取消，板厚為180~200mm（托板部分總高度300~350mm），這樣在凈空部變的情況下，每層可以減小500mm以上的層高。
    （3）利于改善結構的使用功能
    現在業(yè)主根據自已的愛好，經營商品的組成變化，需要對商場及辦公樓進行重新分隔的現象比較普遍，甚至在不同時期因業(yè)主的變化，都會有不同的間隔要求。預應力樓板對用途的改變極容易適應，在任意位置均可以設置隔墻，方案可以是多種多樣，可給用戶最大的自由度，使房屋使用功能及檔次得到很大的提高，是房屋銷售的一大賣點。另外預應力樓板取消了室內明梁，避免了由于管線及通風管道的鋪設使層高大大降低的問題，同時也為管道的安裝提供較大的方便，預應力平板的分隔墻可以任意間隔，更是解決了各層各戶布置均不同帶來的普通梁—板結構設計及使用之間的矛盾，這點也對回遷房的分割帶來極大方便。 
    （4）具有優(yōu)越的抗裂性，減少鋼筋用量 ，降低結構的造價。 
    在預應力混凝土結構種預應力筋可產生一個向上等效荷載，同時在板中產生一個軸向壓力，使平板剛度提高，撓度大大減少，抗裂性能也大為提高。采用預應力混凝土無梁平板結構可以降低結構的造價是因為，第一普通鋼筋用量減少，因為1）預應力筋強度高（是普通鋼筋強度的3-4倍），且一條預應力筋在跨中作底筋而在支座又彎上做面筋，使預應力筋的使用效率大大提高；2）有梁板往往以極值代替平均值進行抗彎設計，無梁板直接以平均值進行抗彎設計；3）無梁板充分利用了混凝土的抗剪能力，較有梁結構箍筋用量省很多；4）預應力結構不需要為控制裂縫或提高剛度增加普通配筋，裂縫控制要求越高，預應力結構優(yōu)勢越大（如地下室底板、有填土的頂板等）；5）規(guī)范規(guī)定的預應力板的構造配筋率比普通板低；6）有消防車這種特殊可變荷載活動的區(qū)域（如有些地下室頂板）無梁結構的縱筋箍筋都比有梁結構省。第二對于車庫、商場、倉庫、有吊頂的辦公樓，可以在柱頭處加托板，使結構的斷面與彎矩圖較充分地協(xié)調，大大減少預應力筋用量。第三模板較普通梁板結構少25-35%，而且預算定額直接費較低。第四無梁板混凝土可用較大粒徑碎石，定額價一般較低。大量的工程實踐及對比分析表明，結構選型及設計合理的預應力無梁樓板結構已經不斷地改寫和滌蕩者無梁板結構比有梁板結構造價高的傳統(tǒng)觀念（這種觀念在一般的教科書中都有表述，因此根深蒂固）。
    （5）施加預應力后樓板的模板就可以拆除，施工方便，速度快
    采用預應力混凝土平板結構，施工進度可以加快，這主要是因為：
    a. 預應力混凝土平板結構取消了許多梁，模板用量明顯減少；而且模板安裝簡單方便，節(jié)省時間。
    b. 采用預應力混凝土平板結構后，樓面結構的普通鋼筋用量將減少，而且減少的大多是綁扎費時費力的梁鋼筋，平板鋼筋綁扎快捷方便，預應力筋與普通鋼筋的綁扎可以交叉進行，節(jié)省時間。
    c. 當混凝土強度達到設計強度的75%時即可進行預應力筋的張拉，張拉過程中可以照常進行上一層樓面的施工。張拉完成后，即可拆除模板，而預應力張拉不占施工工期，節(jié)省了時間。大量工程實例表明，并不會因為采用了預應力而增加工期，相反，預應力平板的施工速度要快于一般的梁板體系，這與常規(guī)想象有很大的不同。
    由于以上預應力無梁結構施工省人力、省模板及鋪材、模板周轉加快、施工周期縮短（從而人工費用減少）的特點，有過體驗的土建施工單位，更樂于這種結構的施工。
    （二）有梁大板框架（或剪力墻）結構
    有梁大板結構是柱子于柱子之間布明梁，大板上布置隔墻的結構體系。這種結構于平板結構有很多相似之處，柱距比較大，由于省去了次梁，避免了室內錯綜復雜的次梁，內景好，增加凈空，抗裂好，省材料省模板和拆模人工，施工快速等優(yōu)點。若這種大板配合預應力寬扁梁使用，則也能很大限度的減低層高或提升層凈高，如9米跨的預應力寬扁梁可以做到450mm高，比做普通預應力梁650mm少200mm高，比普通混凝土梁800mm少350mm。
    由于結構種還帶有明梁，結構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。
    有梁大板結構適合用于住宅和辦公樓，尤其是住宅，不設次梁，既避免了室內難看的次梁景觀，也利于住戶自行隔斷房間以實現不同的功能，即使更換了新住戶，改造房子時仍然可以再次自行布置房間。長沙市高12~16層的亞華住宅小區(qū)和16層的湘名園住宅小區(qū)都是采用這種結構形式的，住宅的使用功能得到了住戶的一致好評。當然這種結構體系仍然適合用于商場等公共建筑。
    （三）轉換層結構
    最近我國高層建筑發(fā)展迅速，且多為多功能綜合性建筑，需要大柱網、大空間的公共設施在下部，從受力的角度講這是不合理的，解決這種矛盾的最常用方式就是設置結構轉換層。隨著預應力技術的逐漸成熟，預應力材料及施工費不斷下降，即使用材料等強代換的概念從經濟上來比較預應力混凝土結構與鋼筋混凝土結構，在許多情況下后者并不比前者經濟。因此我國高層建筑轉換層結構中采用預應力技術的情況越來越多，大多數轉換層結構形式有成功地采用預應力技術的例子：如位于8度抗震設防區(qū)高64.2m的北京市公安局刑科樓就是做了跨越2~4層高達4800mm的預應力轉換大梁；寧波浙海大廈，地上52層，地下2層，在6層處設置了2000mm的預應力厚板和3500x3200mm的暗梁作為該超高層建筑的轉換層；上海乾鴻苑大廈由九座塔樓組成，塔樓在60米左右不等，塔樓扭轉48度，上下層錯位，采用厚970mm長約140m寬為40m~70m不等的不規(guī)則梯形預應力厚板作為該多塔高層的轉換層。
    采用預應力技術帶來許多結構和施工上的優(yōu)點，如減少截面尺寸、控制裂縫和撓度，控制施工階段的裂縫及減輕支撐負擔等。只要采用預應力度適當，構造處理得當，預應力結構的抗震是可以得到保證的。且由于減小了轉換構件的尺寸，對抗震也是有利的。
    （四）特種結構及其他
    隨著公共事業(yè)的發(fā)展，各種特殊功能的構筑物不斷出現，有些特殊構筑物的使用功能及受力性能常常需要預應力技術才能實現，預應力技術在這些特殊功能構筑物中發(fā)揮了重要的作用。
    （1）大懸挑結構
    體育建筑在各大中城市興起，體育建筑的形式多樣，風格各異，使預應力技術的應用豐富多彩。如南京為承辦第三屆城運會興建的四座體育館，關鍵結構部位都是采用預應力技術；江蘇省的儀征化纖體育場、無錫市體育場、南京師范學院體育場的觀眾席都采用了大懸挑的預應力混凝土雨蓬。隨著鋼結構的發(fā)展，許多雨蓬采用鋼結構，可以獲得更大跨度，但是造價和維修費用都比較高，所以在適當跨度內預應力混凝土結構還是有很大的優(yōu)勢。
    （2）儲罐與筒倉
    一般地，儲罐與筒倉對抗裂要求比較高，預應力技術廣泛用于這種結構主要利用預應力主動軸力來抵抗混凝土拉應力來提高抗裂性能；尤其是圓筒結構，環(huán)壁的混凝土只受環(huán)向軸力作用，正是預應力最適合的結構形式。繞絲后張預應力混凝土水池在國內應用了幾十年，主要采用預壓應力來抵消由于水對筒壁產生環(huán)向拉應力。這樣用高強鋼材提高了抗裂性能就可以在同等抗裂條件下減小截面尺寸，帶來可觀的經濟效益。
    （3）其他
    各種用途的塔式結構如電視塔、通信塔、燈塔及各種水塔中，預應力技術同樣得到了廣泛應用。還有預應力技術基礎也不少見，主要形式是預應力條基、箱基和筏基。此外，預應力鋼結構，疊合結構采用預應力的技術也在不斷成熟中，工程實例也越來越多。
    （五）結語
    預應力技術經過了幾十年的工程實踐和不斷研究，已經是比較成熟的一項工程技術，在今后的發(fā)展中，還將日臻完善。工程實踐告訴我們，預應力技術以種種優(yōu)勢，在某些建設領域有著強大的生命力和競爭力，甚至在其還未完全占領的領域仍然具有強大的發(fā)展力。