淺談我國預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)面臨的問題

1,前言

我國推廣預(yù)應(yīng)力混凝土已有四十多年的歷史，但普及程度不高，熟悉業(yè)務(wù)的專業(yè)人才不多，即使是一些甲級大設(shè)計院，迄今仍只有少數(shù)幾個專業(yè)工程人員，與60 年代相比，進展不大。為什么難普及？原因很多，但最主要的是預(yù)應(yīng)力混凝土學(xué)科比較復(fù)雜，涉及領(lǐng)域有高強材料、生產(chǎn)工藝、機械設(shè)備、設(shè)計與施工等專業(yè)，而且這些技術(shù)交織在一起很難分開，要掌握完整的學(xué)科知識，難度的確較大。在實際生產(chǎn)實踐中，國外多采用專業(yè)分工與合作的方式進行。例如預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土房屋的設(shè)計應(yīng)與預(yù)制工廠合作；現(xiàn)澆后張預(yù)應(yīng)力混凝土房屋的設(shè)計應(yīng)與后張技術(shù)專業(yè)公司合作進行設(shè)計。因此預(yù)應(yīng)力混凝土的大學(xué)教材，都比較簡單，著重于學(xué)習(xí)預(yù)應(yīng)力混凝土的原理、基本概念與簡單的設(shè)計計算方法及結(jié)構(gòu)應(yīng)用，使讀者能獲得一個對專業(yè)的完整的基本知識。因之對設(shè)計理論與計算方法力求簡單、通俗易懂，而不過分追求精確，等效荷載平衡法，名義拉應(yīng)力法的廣泛應(yīng)用亦就是這個道理。為了專業(yè)知識的普及與推廣，也有必要進行知識的更新?lián)Q代。

我國預(yù)應(yīng)力混凝土的起步比西歐大約晚1 0 年，但由大規(guī)模建設(shè)的需要，不僅發(fā)展快，而且應(yīng)用數(shù)量極為龐大。近十幾年來，在應(yīng)用高效預(yù)應(yīng)力混凝土方面取得了較大的進展。各種橋梁結(jié)構(gòu)的型式、跨徑和施工方法都有了很大進步。預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土簡支架的經(jīng)濟跨度：鐵道橋架已擴大到40m；公路與城市橋梁擴大到50m；預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)鋼構(gòu)橋最大達270m；大跨度斜拉橋的跨徑：預(yù)應(yīng)力混凝土橋面的達432m，鋼與混凝土結(jié)合橋面的最大達602m。橋梁結(jié)構(gòu)當前面臨的問題主要是如何提高質(zhì)量，特別是耐久性問題，而不再經(jīng)濟不經(jīng)濟、用與不用的問題了。高效預(yù)應(yīng)力混凝土在房屋建筑中的應(yīng)用由于房屋建筑本身的特殊性，目前仍處于由低強鋼材向高強鋼材、向高效預(yù)應(yīng)力混凝土過渡的階段，出現(xiàn)現(xiàn)澆后張熱、預(yù)制先張冷的現(xiàn)象，發(fā)展很不平衡，前景也不太明朗。

2,預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土的發(fā)展

2.1,預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土標準構(gòu)件

國際上的預(yù)制標準構(gòu)件，種類很多，但經(jīng)多年實踐和淘汰，認為用途廣、經(jīng)濟性好的構(gòu)件最主要的有多孔空心板和雙T 扳兩種，用于各類房屋的樓蓋與屋蓋。多孔空心板與實心板相比，可節(jié)約混凝土大約50％和鋼材30%。過去150～200㎜厚的板主要用于6 － 12m 跨的預(yù)制或有現(xiàn)澆面層的疊合樓蓋。

用折線配筋先張法生產(chǎn)的雙T 與單T 板是50 年代初期從美國開發(fā)出來長跨樓蓋構(gòu)件，雙T 板常用跨度為10～25m，單T 板近年已少用。雙T 板最初的截面寬僅1.22m，肋高0.46m?！币院箅S著生產(chǎn)技術(shù)和混凝土強度的提高，截面逐步加寬加高，以提高經(jīng)濟效率。到90 年代，最大截面加寬到3.66m，肋高加大到0.8m。當采用3.05m寬板代替2.44m 寬板時，由于工、料、搬運、安裝等費用的節(jié)約，每辦板造價可大約節(jié)約17%。這兩種構(gòu)件既能代替?zhèn)鹘y(tǒng)結(jié)構(gòu)材料的大跨度樓蓋構(gòu)件，又能充分發(fā)揮預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土的潛在優(yōu)勢，因此具有強大的生命力，在美、加、西歐、北歐各國久盛不衰。

2.2,預(yù)制裝配式房屋結(jié)構(gòu)有獨特的設(shè)計建造原則

預(yù)制裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土房屋結(jié)構(gòu)有它自身的規(guī)律性和特點，要求采用與現(xiàn)澆混凝土房屋結(jié)構(gòu)不同的設(shè)計建造的原則。人們往往把預(yù)制裝配式混凝土房屋誤認為只是現(xiàn)澆房屋結(jié)構(gòu)的另一種施工方法的替代產(chǎn)品，亦即預(yù)制意味著只是結(jié)構(gòu)的一部分改在預(yù)制工廠生產(chǎn)，然后再運到施工現(xiàn)場進行安裝，使得盡可能滿足原來按現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求。這種觀點實際上是錯誤的，和一開始就考慮預(yù)制特點要求的預(yù)制方案相比，不僅設(shè)計質(zhì)量差，還會給施工帶來麻煩和困難，由于預(yù)制與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)體系各有自身的特點，會或多或少地影響結(jié)構(gòu)的平面布置、層高、穩(wěn)定性和靜力體系等等。為此，對預(yù)制房屋結(jié)構(gòu)的設(shè)計，從一開始就應(yīng)該根據(jù)結(jié)構(gòu)的要求與特點，選用相應(yīng)的預(yù)制結(jié)構(gòu)體系方案。

預(yù)制預(yù)應(yīng)力房屋不一定全用預(yù)制，也可以用現(xiàn)澆混凝土作為梁、板、柱連續(xù)的接頭或作為現(xiàn)澆面以減輕預(yù)制構(gòu)件運輸安裝時的自重，這種預(yù)制與現(xiàn)澆相結(jié)合的所謂“半裝配式”結(jié)構(gòu)兼有預(yù)制與現(xiàn)澆兩者的優(yōu)點，基本上排除了兩者的弱點，避免了預(yù)制構(gòu)件聯(lián)結(jié)的困難，又不需要現(xiàn)饒的模板與支撐。過去許多個別設(shè)計的預(yù)制混凝土房屋或預(yù)制混凝土體系建筑之所以失敗和被淘汰，其原因就在這里。

2.3,我國預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土的發(fā)展

我國建工部門過去采用的以低強鋼材為主筋的預(yù)制預(yù)應(yīng)力構(gòu)件，主要有三方面的用途。首先是用于單層工業(yè)廠房屋蓋的屋架、屋面梁和大型屋面板，第二是用于城鎮(zhèn)的多層住宅和農(nóng)村房屋樓蓋的短跨多孔空心板，第三是用于城市多層和高層住宅的小開間大板體系建筑的墻板和樓板。上述構(gòu)件基本上都是從代用的角度發(fā)展起來的，例如以預(yù)制混凝土屋架代替鋼屋架，以多孔空心板代替木樓蓋，以解決鋼材、木材供應(yīng)的困難，并不能發(fā)揮預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土的潛力。

3,后張無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土造價偏高

3.l,預(yù)制與現(xiàn)澆、先張與后張各有合理應(yīng)用范圍

近十幾年來，現(xiàn)澆后張結(jié)構(gòu)與單根鋼絞線無粘結(jié)筋的應(yīng)用已成為房建部門的熱點。作為填補技術(shù)空白、追趕國際水平，無疑這是正確的、必要的，但現(xiàn)澆與預(yù)制、后張與先張結(jié)構(gòu)、有粘結(jié)與無粘結(jié)筋的應(yīng)用，各有利弊，各有合理應(yīng)用范圍。此外，用預(yù)制先張構(gòu)件建造半裝配式結(jié)構(gòu)時，就兼有預(yù)制與現(xiàn)澆、先張與后張的優(yōu)點?；旧吓懦爽F(xiàn)澆需要模板、預(yù)制構(gòu)件連接困難的問題。

3.2,現(xiàn)澆無粘結(jié)雙向平板是國際公認的最經(jīng)濟的大柱網(wǎng)樓板

現(xiàn)澆無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力雙向平板是美國針對多層、高層建筑中要求采用大柱網(wǎng)樓蓋發(fā)展起來的。這種用單根張錨的無粘結(jié)鋼絞線筋的主要優(yōu)點在于噸位小，有利于在板類結(jié)構(gòu)中分散布筋，也有利于增大預(yù)應(yīng)力筋的偏心距與抗彎力臂；張拉設(shè)備輕，施工方便。

3.3,我國現(xiàn)澆無粘結(jié)平板價格高的原因和解決辦法

我國現(xiàn)澆后張無粘結(jié)雙向平板造價偏貴的原因在于普通鋼筋用量太多，而無粘結(jié)筋用量與國外相比差別不太大。普鋼用量大大是由于對無粘結(jié)筋耐久性的擔心，作為強度的第二道防線，因為現(xiàn)有工藝還不能完全滿足全封閉防水的要求。當然，設(shè)計、施工缺乏經(jīng)驗、技術(shù)規(guī)章制度不全、缺少有效的監(jiān)督管理體制等等也都是原因。

要降低普通鋼筋用量，一方面要投入力量認真解決單根鋼絞線無粘結(jié)束成套裝置的全封閉防水問題，包括張拉端和固定端錨具與束的全封閉連接做法和提高塑料套管的韌性與強度，并取用ф12.7㎜鋼絞線代替十ф15.4㎜的鋼絞線以減少在工程應(yīng)用中來與束的間距；另一方面，要努力學(xué)習(xí)和掌握國外設(shè)計、施工技術(shù)和有關(guān)規(guī)章制度，

這些都是通過多次重復(fù)實驗驗證并經(jīng)過長期實踐的經(jīng)驗總結(jié)，可以直接套用，作到迎頭趕上，從而避免“從零開始”、“前無古人”的大量重復(fù)勞動。這些困擾無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋的問題，應(yīng)該都會很快得到解決，無粘結(jié)筋不僅會價廉物美地大量用于平板結(jié)構(gòu)，也會較多應(yīng)用于其他結(jié)構(gòu)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的灌漿有料結(jié)后張預(yù)應(yīng)力筋。

預(yù)加應(yīng)力的目的主要在于提高使用荷載下構(gòu)件的性狀?，F(xiàn)代預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的截面設(shè)計，國際上一般都是按使用荷載下混凝土與鋼材應(yīng)力不超過容許應(yīng)力限值確定的。這些應(yīng)力限值是材料實際強度的某一百分率。由于在使用荷載了混凝土和鋼材的應(yīng)力都相對較低，可以假定兩者都具有彈性性能，因此應(yīng)力的計算采用材料力學(xué)彈性計算公式是合乎邏輯的。盡管截面是以容許應(yīng)力為基礎(chǔ)確定的，但也要枚核有足夠的極限強度，以及校核使用荷載下的構(gòu)件撓度與抗裂性。如極限強度不足，可以增加普通鋼筋彌補。預(yù)應(yīng)力筋的初始張拉應(yīng)力可按使用荷載下要求的總預(yù)加力，通過永存預(yù)應(yīng)力反算來確定，張拉應(yīng)力值可造當調(diào)整以滿足對摩擦損失和永存預(yù)應(yīng)力的要求。上述分析，足以說明過去我國行之有效的材料。理論與技術(shù)已時過境遷，落后陳舊。為此，對過去圍繞低強預(yù)應(yīng)力鋼材發(fā)展起來的預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的設(shè)計理論、計算方法、計算公式、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、生產(chǎn)工藝與施工技術(shù)都有必要知識更新、轉(zhuǎn)變到后來用高強鋼材的現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力混凝土的軌道上來。為此建設(shè)從知識更新、技術(shù)改造出發(fā)，吸收國際最新理論與技術(shù)成就，編寫新的教科書，闡述現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力混凝土系統(tǒng)理論和世界公認的設(shè)計方法與計算方法；設(shè)計規(guī)范也要同步進行修改，解決公式多、符號多、規(guī)定多、概念少、理論少，以及計算煩瑣，邏輯混亂，難以學(xué)習(xí)和掌握的問題，揭開預(yù)應(yīng)力混凝土的神秘面紗，為普及學(xué)科知識、培養(yǎng)大批預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)專業(yè)人才創(chuàng)造條件。