建筑预应力混凝土结构技术设计探究

建筑预应力混凝土结构技术设计探究

冯松峰

广东省建科建筑设计院有限公司

摘要：随着建筑业的发展，预应力技术作为建设部推广的新技术，因其良好的抗裂性能、变形控制能力、经济性能指标，使其在

的应用越来越普遍，目前已成为建筑结构设计的一种重要技术。预应力结构混凝土结构和钢筋混凝土结构相比，具有优良的抗裂性能，承载力强，刚度大的特点，因而在建筑工程领域获得了广泛的应用。

关键词：建筑预应力；混凝土结构；结构技术设计

引 言

随着人们生活质量不断提升，对建筑结构提出了全新要求，人们希望建筑既具有一定实用性，同时也要具备一定美观性，最重要的是其安全性能。为满足人们日益增长的需求，建筑行业积极寻求高质量的混凝土结构。预应力混凝土结构是一种十分复杂的结构，虽然操作复杂且建设成本高，但由于其自身具备较强抗裂性与刚度等优势，现阶段被广泛运用在建筑行业中。

1. 预应力混凝土结构设计概述

2. 对于混凝土结构设计工作，为了能够节省钢材，已经在积极推广预应力结构技术，而这也成为了建筑工程结构设计的一项重要方法。近些年来，我国建筑工程技术发展取得了显著成果，在工程中预应力混凝土结构也实现了推广与应用。从本质上分析，预应力混凝土结构是一种新兴的结构形式，关于预应力混凝土结构的研究与发展仍然处于起步阶段，许多计算技术与方法还需要进一步完善，所以在设计中暴露出了许多问题。建筑工程规模与数量的日益增加，为预应力混凝土结构的应用与推广创造了有利条件，而且成为了建筑工程稳定性、安全性的重要保障。之前，预应力混凝土结构基本在单层、多层房建工程中应用，如今在超高层房建工程中也得以应用。随着预应力混凝土技术的不断进步与发展，使得预应力混凝土结构设计日趋规范。

预应力钢材向高强、大直径、高延性的方向发展，近年广泛使用的Ø15.2及Ø17.8预应力钢绞线，其极限强度标准值达1860MPa及1960MPa，高强钢绞线的发展同时促进了配套锚具的研制与开发，OVM和HVM锚具-的夹片和锚垫板也同步作了优化改进，目前大直径钢绞线在日本主要应用于先张生产的桥面板，也应用于代替桥面板中的扁锚预应力横向束，大直径钢绞线在预应力池壁结构、房屋建筑、预应力空心板桥中得到了推广应用。

预应力技术在实际工程应用中所采用的建筑材料都是高质量高标准的，包括混凝土、钢材等，这样的话，就会大大减少施工材料的应用量，减小了结构截面，可以兼顾经济效益和社会效益。预应力结构技术也可以明显改变了混凝土的受力形态，从而提高混凝土抗裂性能，减少和延缓混凝土裂缝的出现，同时也有效的减少了环境中空气、水和盐碱作用对钢筋混凝土结构的腐蚀，进而提高结构的耐久性。我国从1956年开始使用预应力混凝土，我国的预应力混凝土结构设计已经形成了一套完整的体系，在对其多年的施工管理中，积累了非常宝贵的经验，目前已跻身于世界先进行列。

人们习惯以普通混凝土结构的抗震设计方法应用于预应力混凝土结构抗震设计中，这是值得商榷的，对于大跨度、层数少的预应力结构，在中、低地震区，以竖向荷载为主；结构耗能机制，若使其完全为梁铰侧移机制，比较困难，塑性铰将会向柱上转移，因在竖向荷载、地震作用及预应力共同作用下，梁中的正向塑性铰与普通混凝土结构不同，将向反弯点或腋端转移。

我国的GB10-89标准中明确指出，预应力混凝土结构中不得有裂缝出现，在进行工程设计时必须严格遵守该设计原则，以保证建筑物的安全性。预应力结构的钢材使用量，经常是由抗裂因素决定的，与预应力筋的实际承载力相差甚小，故在设计中往往多用10%的预应力筋。在保证安全施工的前提下，根据建筑工程实际所处的地理环境和气候环境，可对预应力混凝土的结构件进行区别对待，并提出了不同的验收标准，从某种角度上来说，这种规定很大程度上提升了预应力混硬土结构的整体设计水平，出现了纤维预应力混凝土结构、预应力钢筋混凝土结构、后张力预应力复合材料结构等一系列新的预应力结构。同时，预应力混凝土结构的荷载问题也是设计师一直关注的话题，在预应力混凝土结构设计中，需加强对抗裂缝的控制，保证预应力结构设计中对抗弯性的需求，以全面实现建筑物的安全设计。

3. 建筑预应力混凝土结构设计现状

对于混凝土结构设计工作，为了能够节省钢材，已经在积极推广预应力结构技术，而这也成为了建筑工程结构设计的一项重要方法。近些年来，我国建筑工程技术发展取得了显著成果，在工程中预应力混凝土结构也实现了推广与应用。从本质上分析，预应力混凝土结构是一种新兴的结构形式，关于预应力混凝土结构的研究与发展仍然处于起步阶段，许多计算技术与方法还需要进一步完善，所以在设计中暴露出了许多问题。建筑工程规模与数量的日益增加，为预应力混凝土结构的应用与推广创造了有利条件，而且成为了建筑工程稳定性、安全性的重要保障。之前，预应力混凝土结构基本在单层、多层房建工程中应用，如今在超高层房建工程中也得以应用。随着预应力混凝土技术的不断进步与发展，使得预应力混凝土结构设计日趋规范。

4. 建筑预应力结构设计要点

（一）抗震性能设计要点

在社会发展的今天，要想做到科学的防震抗震目的，就必须在实际抗震的经验上下功夫，如果仅仅是依靠理论设计规划是完全不够的。结合实际的经验，还有有关建筑的抗震防震理论，从而在整体建筑中提出有针对性的抗震防震理论，进而在进行这个工程项目的抗震防震设计，重视该建筑的整体防震抗震设计，最终把这种设计有效的付诸行动，才会得到非常好的抗震建筑。根据国内外一系列对建筑物抗震性的理论研究及实践观察，相关专业人士得出结论，科学的预应力混凝土结构设计，可以有效提高建筑物的抗震性，对建筑工程的安全设计具有重要的意义。房屋建筑的自身质量是否良好会直接关系到它的抗震性能，两者之间是正相关关系，在结构设计中就要正确处理两者关系，尽可能的提高房屋质量，从而以此来带动整体抗震性的增强。在对建筑结构形式进行合理的选择后，就需要通过相应的抗震措施的制定来保证建筑结构实际所需要的延性抗震性能，以此保证建筑结构抗震设防目标的实现。通常情况下，钢筋混凝土结构有着较好的柔性和变形能力，可以承受较大的的地震力。预应力混凝土的结构设计中的抗震性设计与钢筋结构设计的抗震性有所区别，在安全性设计中有着特殊的要求。

对于预应力混凝土平板结构，由于其在竖向荷载及水平荷载下的弯矩有一部分是靠不平衡剪力传递的，而这剪力加大了柱四周板的冲切剪力，易产生剪切破坏，在设计中应加以重视，由于我国规范规定的抗震验算，在常遇地震作用下结构处于弹性或准弹性范围，此时，预应力混凝土结构的弹性恢复力好，地震反应比相应的普通混凝土结构大约20%，阻尼只是普通混凝土结构的60%，因而对多遇地震作用下的结构作抗震验算时，为防止结构变形过大，其地震作用取值宜为规范规定的1.2倍。

预应力混凝土的结构设计中对抗震系数的计算比较特殊，其抗震位移是钢筋混凝土结构的1.1倍—1.3倍，这是综合了国内外预应力混凝土结构的阻尼测试结果而计算得到的，具有很强的可靠性。所以，验算预应力混凝土结构中的抗震性能时，为避免对建筑的非结构件造成损坏，对地震值的选取应为实际规定值的1.1倍—1.3倍，这可以有效防止建筑结构的变形过大。如采用有粘性混凝土结构，当非弹性变形较大时，将会导致建筑物中出现较宽的裂痕，情况愈演愈烈，最终导致建筑物的坍塌。无粘性混凝土结构很好的避免了上述情况的发生，减轻了节点刚度退化效应，避免了梁筋稳定性遭到破坏。在施工过程中，要格外精心，严格按照设计要求和相关规定进行施工，加强沟通，及时执行设计文件中的修订内容，保证建筑物的安全可靠性。为了较最大限度地提高预应力混凝土的抗震性能，宜有必要对预应力混凝土的各技术加固指标进行综合测量和配置，控制预应力混凝土的强度。保持节点在构造中的良好扩展。在实际配置中，如果预应力混凝土结构配装有纵向非预应力钢筋，就可以达到降低地震位移的效果，将钢筋组合起来，达到抗震有效地提高了结构的性能，刺激其固有抗震延性，而对于节点的抗震性能，预应力大梁的宽度不宜过小，梁的箍筋加密区应延伸过反弯点或加腋端点之外梁高处；柱中箍筋应严格采用封闭箍，底层柱的纵向钢筋应比设计计算的适当加大。。因此，地震能力进一步增强。

（二）耐久性设计要点

由于建筑结构中的耐久性主要指的是在荷载的作用下，建筑物所表现出的耐久性，也就是它可以承载接受的最大荷载。建筑工程的生命周期较很长，所以其对耐久性提出了很高的要求，以确保建筑工程在规定年限内，能够处于安全状态。为了保证混凝土在使用过程中的安全性和稳定性，有必要对混凝土的耐久性材料进行设计。破坏混凝土结构的机理主要有：钢筋腐蚀、碱性骨料反应等。这些条件的出现将严重影响混凝土结构的稳定性和使用寿命。因此，在预应力混凝土结构的设计中，应增加对耐久性的研究，以保证整体结构的安全性和稳定性。

在预应力体系的耐久性方面，预应力孔道首先，重视灌浆技术有了创新质量问题。我国的《混凝土结构工程施工及验收规范》中，对构造细节、灌浆材料、压浆工艺、预应力管道成型材料、防止腐蚀的方法及试验等细节做出了明确的技术规定。近年来，我国自行研制的冲击回波仪，对后张预应力孔道的灌浆质量检测具有重要的实际价值。严格要求楼板中收缩温度构造配筋。随着泵送混凝土和现浇楼板在建筑方面的广泛应用，如混凝土保护不当，将会造成温度裂缝以及收缩现象，造成严重的钢筋腐蚀现象。因此所以，应可适当配置收缩楼板中的非预应力，严格要求温度构造钢筋，并对收缩及温度钢筋的间距提出明确的规定。实际设计表明，在楼板中配置适量的负钢筋，对减少板面裂缝具有重要的意义。

预应力孔道灌浆料专用添加剂得到研制及应用，由于预应力孔道灌浆的饱满度和密实度直接影响构件的耐久性，我国研制的JM-HF专用灌浆机主要的性能指标达到：水灰比约0.36，静止2小时的泌水率约为零，不收缩，流锥小于18秒，硬化后的浆体强度可达50MPa，较大地提高了灌浆质量，使预应力混凝土的耐久性得到了较大的提高。

（三）预应力设计要点

在进行预应力混凝土结构设计中，应当在最大程度上，使用创建模型的方式。并且在模型创建中，还需要保证其比例的精确度，继而计算在实际施工中，不同施工环节所用的配筋数量。只有在施工前，建立完善模型，才能够保证施工过程的有序性，从而提高施工进度。此外，在模型创建中，还应当充分结合施工材料，对其质量与面积等进行精细化计算，从根本上保证施工质量。在模型创建完成后，应当检测模型的承载力，通过外界试压方式，明确模型的承载力。进行模型检测，能够发现存在的问题，并及时解决，从而避免在实际施工中出现质量问题。

（三四）预应力张拉控制工艺要点

预应力张拉控制应力指张拉预应力钢筋时控制其达到的应力值，为总张拉力除以预应力钢筋的截面面积所得到的应力值，为减少预应力损失，张拉钢筋往往要超张拉，而钢筋的实际屈服点有一定的离散性，如张拉控制应力较高，则有可能使个别钢筋超过其屈服强度，在放松钢筋时，产生永久变形而达不到预期的预应力效果，，甚至钢丝发生脆断，同时，构件出现裂缝的荷载与破坏荷载较接近，使构件破坏时没有明显的预兆，因此，预应力张拉控制应力不宜过高，

预应力张拉控制应力取值需考虑两方面的问题，一方面是钢筋的品种，冷拉热轧钢筋的塑性较好，其抗拉强度是根据屈服强度确定的，张拉控制应力可定得高一些，钢丝和钢铰线属硬钢，塑性较差，没有明显的屈服点，其抗拉强度值是根据极限强度确定，张拉控制应力可定得低一些；另一方面，后张法直接在构件上张拉，张拉时，构件已发生弹性压缩，则预应力不必扣除由于构件弹性压缩引起的预应力损失，而先张法构件在放松预应力钢筋时，构件受预应力的作用而将产生弹性压缩，钢筋回缩，预拉应力将减少，而在放松预应力钢筋后，混凝土由于收缩、徐变引起构件的缩短，其预应力损失也要大些，可见，先张法构件的张拉控制应力取值比后张法构件的高些。

随着施工技术不断增加，出现了多种全新技术，建筑中大部分问题都能够被解决，例如能够有效优化施工成本的无粘结预应力筋技术、工艺优化技术、桥梁建设成本优化技术等。全新技术出现，使得混凝土结构施工质量与效率不断提升，在一定程度上能够有效推动我国建筑行业的发展，满足人们的各项需求。

（五）预应力加固设计要点

应用在对预应力混凝土结构进行加固处理时，需要满足以下几个方面的设计要求，首先要保障加固措施的独立性，就是其存在不能影响到整体结构，其次在进行加固后，一定要确保整体结构耐久性得到强化。也就是说，预应力加固设计必须坚持独立性，不能对其他构件带来负面影响。具体加固流程应该是先搭建施工平台，然后进行机械化钻孔，当完成钻孔后进行捆绑和焊接钢筋操作。随后要进行一定预应力筋的安装，继而进行混凝土浇筑、振捣、压实等相关操作。最后等待其干透后，将施工平台拆除既可。

结束语

建筑预应力混凝土结构设计时要充分考虑建筑的特稳定性，并结合工程实际进行工艺的选择。这样就能在保证施工质量的同时，充分发挥的将预应力混凝土结构优势发挥出来，使建筑的抗震、抗渗能力有较极大的提升，保证建筑的稳定性与安全性，施工技术人员还应该加大对预应力混凝土技术的学习与研究，确保预应力混凝土技术得以有效实施应用以此促进这项技术的更好发展。

参考文献

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