预应力混凝土结构面临的问题和对策

　　1、前言

　　预应力混凝土是在第二次世界大战后迫切要求恢复战争创伤、从西欧迅速发展起来的。半个世纪以来，从理论、材料、工艺到土建工程的各种应用，都取得了极其巨大的发展与成就。尤其是随着部分预应力概念的逐步成熟，突破了混凝土不得受拉与开裂的约束，大大扩展了它的应用范围。目前预应力混凝土已成为国内外土建工程最主要的一种结构材料，而且预应力技术已扩大应用到型钢、砖、石、木等各种结构材料，并用以处理结构设计、施工中、用常规技术难以解决的各种疑难问题。

　　我国预应力混凝土的起步比西欧大约晚10年，但由大规模建设的需要，不仅发展快，而且应用数量极为庞大。据1995年的不完全统计：采用预制预应力混凝土构件建造的各种单层工业厂房总面积达10亿㎡，建造的城镇住宅和农村房屋超过30亿㎡，建造的40m跨径以内的铁路桥梁达30000孔，新建的公路和城市桥梁中，20m跨以上的占到85%以上。上述成就既对我国过去几个“五年计划”的基本．建设作出了巨大贡献，又为国家节约了大量钢、木材料。

　　改革开放以来，我国高强钢材生产好转，为发展高效预应力混凝土追赶国际水平，创造了条件。近十几年来，在应用高效预应力混凝土方面取得了较大的进展。各种桥梁结构的型式、跨径和施工方法都有了很大进步。预制预应力混凝土简支架的经济跨度：铁道桥架已扩大到 40m；公路与城市桥梁扩大到50m；预应力混凝土连续钢构桥最大达270m；大跨度斜拉桥的跨径：预应力混凝土桥面的达432m（铜陵长江大桥），钢与混凝土结合桥面的最大达 602m（杨浦大桥）。桥梁结构当前面临的问题主要是如何提高质量，特别是耐久性问题，而不再经济不经济、用与不用的问题了。高效预应力混凝土在房屋建筑中的应用由于房屋建筑本身的特殊性，目前仍处于由低强钢材向高强钢材、向高效预应力混凝土过渡的阶段，出现现浇后张热、预制先张冷的现象，发展很不平衡，前景也不太明朗。

　　2、预制预应力混凝土的发展

　　为什么停滞不前和就地现浇混凝土结构的建造方法相比，预制装配是一种新的建造技术。这一新技术的真正突破是在二次大战后的40年代后期，当时西欧大量重建工作急需进行，特别是住宅房屋和桥梁结构。五十年来，预制混凝土结构在各国的发展不很平衡。总的来讲，预制预应力桥梁，由于经济上的优势，已为世界各国普遍采用，即使是以钢结构为主的美国，50m以内跨径的预制预应力桥，近年也已经占到新建桥梁的50%以上，而钢结构的则下降到25％；预制预应力混凝土在房屋建筑中的优势不如桥梁结构明显，应用可分为预制标准构件（如多孔空心板、双T板等）的应用和预制体系房屋建筑中的应用两个方面。

　　2.1 预制预应力混凝土标准构件

　　国际上的预制标准构件，种类很多，但经多年实践和淘汰，认为用途广、经济性好的构件最主要的有多孔空心板和双T扳两种，用于各类房屋的楼盖与屋盖。多孔空心板与实心板相比，可节约混凝土大约50％和钢材30%。过去150～200㎜厚的板主要用于6－12m跨的预制或有现浇面层的迭合楼盖。目前北欧和西欧在办公或其他类似房屋中，厚400mm的多孔空心板已用到17m跨、厚500㎜的板已用到 2lm跨，跨高比 l/h=42，是非常薄的楼盖。采用纤维高性能高强混凝土和密肋形式截面，北欧已生产出板厚仪为20㎜，跨度达6～30m的轻型屋盖板，板目重仅100～200kg/㎡。 用折线配筋先张法生产的双T与单T板是50年代初期从美国开发出来长跨楼（屋）盖构件，双T板常用跨度为10～25m，单T板近年已少用。双T板最初的截面宽仅1.22m，肋高0.46m。”以后随着生产技术和混凝土强度的提高，截面逐步加宽加高，以提高经济效率。到90年代，最大截面加宽到3.66m，肋高加大到0.80m。当采用3.05m宽板代替2.44m宽板时，由于工、料、搬运、安装等费用的节约，每办板造价可大约节约17%。这两种构件既能代替传统结构材料的大跨度楼（屋）盖构件，又能充分发挥预制预应力混凝土的潜在优势，因此具有强大的生命力，在美、加、西欧、北欧各国久盛不衰。

　　2.2 预制装配式房屋结构有独特的设计建造原则

　　预制装配式预应力混凝土房屋结构有它自身的规律性和特点，要求采用与现浇混凝土房屋结构不同的设计建造的原则。人们往往把预制装配式混凝土房屋误认为只是现浇房屋结构的另一种施工方法的替代产品，亦即预制意味着只是结构的一部分改在预制工厂生产，然后再运到施工现场进行安装，使得尽可能满足原来按现浇结构设计的要求。这种观点实际上是错误的，和一开始就考虑预制特点要求的预制方案相比，不仅设计质量差，还会给施工带来麻烦和困难，由于预制与现浇结构体系各有自身的特点，会或多或少地影响结构的平面布置、层高、稳定性和静力体系等等。为此，对预制房屋结构的设计，从一开始就应该根据结构的要求与特点，选用相应的预制结构体系方案。预制预应力房屋不一定全用预制，也可以用现浇混凝土作为梁、板、柱连续的接头或作为现浇面以减轻预制构件运输安装时的自重，这种预制与现浇相结合的所谓“半装配式”结构兼有预制与现浇两者的优点，基本上排除了两者的弱点，避免了预制构件连结的困难，又不需要现饶的模板与支撑。过去许多个别设计的预制混凝土房屋或预制混凝土体系建筑之所以失败和被淘汰，其原因就在这里。为了对预制预应力混凝土房屋建筑的设计提供帮助，国际上的一些学术团体，如FIP（国际预应力混凝土协会）、PCI（美国预制预应力混凝土协会）等都编制有专门的设计手册；一些标准构件的生产厂，也都编制有专用的设计手册，作为设计参考之用。

　　2.3 我国预制预应力混凝土的发展为什么衰落

　　我国建工部门过去采用的以低强钢材为主筋的预制预应力构件，主要有三方面的用途。首先是用于单层工业厂房屋盖的屋架、屋面梁和大型屋面板，第二是用于城镇的多层住宅和农村房屋楼（屋）盖的短跨多孔空心板，第三是用于城市多层和高层住宅的小开间大板体系建筑的墙板和楼板。上述构件基本上都是从代用的角度发展起来的，例如以预制混凝土屋架代替钢屋架，以多孔空心板代替木楼盖，以解决钢材、木材供应的困难，并不能发挥预制预应力混凝土的潜力。80年代高强钢材充分供应后，对这些早期形式的构件和结构体系又没有及时进行更新换代，在经济上难以和其他结构竞争，以致工业厂房（仓库食堂等）屋盖逐步为钢网架和轻钢结构屋盖所代替，民用建筑中的楼（屋）盖除农村地区仍少量采用外，城镇建筑的多层楼（屋）盖已大都改用现浇钢筋混凝土。和国外发达国家相比，我国预制预应力混凝土结构之所以衰退的原因主要还是技术上的，首先是构件跨度太小，形式陈旧，不能发挥预应力混凝土的优势；其次是缺乏对预制房屋结构知识，例如大板多层和高层公寓建筑，就由于开间太小，承重墙过多，加之预制构件连结困难，用钢量太大，缺乏经济竞争力而受到淘汰。可见我国预制混凝土难以持续发展并不意味着预制预应力建筑的‘’山穷水尽”，只要进行技术革新，采用新技术就大有发展前途。

　　3、现谈后张无粘结预应力混凝土为什么造价偏高

　　3．1预制与现浇、先张与后张各有合理应用范围

　　近十几年来，现浇后张结构与单根钢绞线无粘结筋的应用已成为房建部门的热点。作为填补技术空白、追赶国际水平，无疑这是正确的、必要的，但现浇与预制、后张与先张结构、有粘结与无粘结筋的应用，各有利弊，各有合理应用范围。此外，用预制先张构件建造半装配式结构时，就兼有预制与现浇、先张与后张的优点。基本上排除了现浇需要模板、预制构件连接困难的问题。

　　3.2 现浇无粘结双向平板是国际公认的最经济的大柱网楼板

　　现浇无粘结预应力双向平板是美国针对多层、高层建筑中要求采用大柱网楼盖发展起来的。这种用单根张锚的无粘结钢绞线筋的主要优点在于吨位小，有利于在板类结构中分散布筋，也有利于增大预应力筋的偏心距与抗弯力臂；张拉设备轻，施工方便。这种无粘结双向平板可以做得比较薄，一般8m×8m办公楼房的厚度仅为20㎝，有利于降低建筑层高；同时用钢量少，造价低，因之具有强大的经济优势而成为美国用量最广的一种结构体系。现将办公房与公寓用的两种无粘结双向板的尺寸和用钢量列入表1。 由表1可见这种双向无粘结平板的用钢量是很省的，即使是 12.8×12.8m柱网的双向密肋（WalleSlab）板（肋高 43cm）和 13.4m × 9.1m 的宽扁梁双向平板（梁宽 114cm，和梁高 40cm），总用钢量亦分别仅为 4.94kg/㎡（内中预应力筋 3.18kg/㎡，普通钢筋1.76kg/㎡）和6.17kglmz（内中预应力筋4.16kglmz，普通钢筋2.01kg/㎡）。上述用钢量数字与 Malk Fintel著混凝土工程手册以及美国其他书刊所列的数据基本上是一致的，是可靠的。

　　3.3 我国现浇无粘结平板价格高的原困和解决办法

　　我国现浇后张无粘结双向平板造价偏贵的原因在于普通钢筋用量太多，而无粘结筋用量与国外相比差别不太大。普钢用量大大是由于对无粘结筋耐久性的担心，作为强度的第二道防线，因为现有工艺还不能完全满足全封闭防水的要求。当然，设计、施工缺乏经验、技术规章制度不全、缺少有效的监督管理体制等等也都是原因。要降低普通钢筋用量，一方面要投人力量认真解决单根钢绞线无粘结束成套装置的全封闭防水问题，包括张拉端和固定端锚具与束的全封闭连接做法和提高塑料套管的韧性与强度，并取用ф12.7㎜钢绞线代替十ф15.4㎜的钢绞线以减少在工程应用中来与束的间距；另一方面，要努力学习和掌握国外设计、施工技术和有关规章制度，这些都是通过多次重复实验验证并经过长期实践的经验总结，可以直接套用，作到迎头赶上，从而避免“从零开始”、“前无古人”的大量重复劳动。这些困扰无粘结预应力筋的问题，应该都会很快得到解决，无粘结筋不仅会价廉物美地大量用于平板结构，也会较多应用于其他结构，代替传统的灌浆有料结后张预应力筋。

　　4、预应力混凝土要知识更新和技术改造

　　我国预应力混凝土的知识来源于50年代初期苏联的规范与教材，由于采用冷处理普通钢筋作为预应力筋，生产工艺设备简单，符合我国国情，有利于捉进我国预应力混凝土的迅速发展。另一方面，当时苏联的设计规范实际上是针对构件的截面核算，而很少涉及构件和结构的设计；教科书只是规范条文和公式的解释而不是从学科出发编写的，具体表现为公式多、符号多、规定多、计算繁杂，令人难以．形成概念，更得不到学科性、系统性的学识。我国编制的规范与编写的教科书虽经几次修改与提高，有所发展与前进，但从总体来讲，由于种种原因，没有跟上时代的步伐，没有能摆脱50年代原苏联预应力混凝土规范的实质。与国外采用高强钢材与弹性理论的现代预应力混凝土学识相比，差距较大，既不利于学习和掌握，也不能适应现代化工程建筑设计应用的需要。值此即将加入世贸组织（WTO）、国际建筑力量竞争日益加剧之际，对我国建筑结构技术水平应有一个清醒的评价。与国外先进技术相比，我国的差距是多方面，现仅举出几个方面的问题进行分析讨论，来说明知识更新的必要性。

　　4.1 弹性理论与设计计算方法

　　预加应力的目的主要在于提高使用荷载下构件的性状。现代预应力混凝土构件的截面设计（包括截面形状、尺寸和预应力筋），国际上一般都是按使用荷载下混凝土与钢材应力不超过容许应力限值确定的。这些应力限值是材料实际强度的某一百分率。由于在使用荷载了混凝土和钢材的应力都相对较低，可以假定两者都具有弹性性能，因此应力的计算采用材料力学弹性计算公式是合乎逻辑的。尽管截面是以容许应力为基础确定的，但也要枚核有足够的极限强度，以及校核使用荷载下的构件挠度与抗裂性。如极限强度不足，可以增加普通钢筋弥补。预应力筋的初始张拉应力可按使用荷载下要求的总预加力，通过永存预应力（一般选用0.55～0.6fpu）反算来确定，张拉应力值可造当调整以满足对摩擦损失和永存预应力的要求。50年代原苏联的规范与教材，热衷于推广破损阶段设计法而排斥、否定用弹性理论的容许应力设计法，这对预应力混凝土设计计算造成很大困难，形成既要避免采用许可应力法（称之为旧法）而事实上又不得不采用的尴尬局面。当时为什么要提出要用δan（即相当于混凝土应力为0时预应力筋中的预应力）这一抽象的概念？为什么用严格要求不出现裂缝和一般要求不出现裂缝来划分构件预加应力的程度而不直接用应力划分？原因可能就在这里。这就为设计计算带来很多麻烦。我国对预应力构件截面设计一般都是按极限强度确定的，然后再核算使用荷载下的抗裂性与挠度。对抗裂性的计算，则以张拉控制应力为基点，再求出永存预应力值与抗裂性。这样的计算过程往往要经过多次反复才能获得满意结果，计算工作量大。

　　4.2 计算的繁琐与简化

　　如果对预应力混凝土的原理、生产工艺和生产过程以及各个阶段的预应力损失有所认识与理解，只需用几个基本公式就可以计算直到使用荷载各个阶段的应力与变形。国外教材对简支架预应力截面混凝土应力计算的示意图只配底面预应力筋以示计算公式的来源与应用，简单明了。因为对高强钢材而论，都用曲线或拆线筋，须面没有配预应力筋必要，普通钢筋的影响理论上该用换算截面，但实际上多忽略不计；至于混凝土收缩徐变对普钢的影响是 有的，但也忽略不计。这样做之后，大大简化了公式，对计算精度影响很小。因为高强钢材的配筋率比较小，非预应力普通钢筋配筋率也小，考虑不考虑，对截面特征值和所算的混凝土应力影响都不大，忽略后仍有足够的精度。 我国规范与教科书对简文梁截面应力计算的示意图，底面与项面都配有预应力筋与非预应力普通钢筋，加之要考虑混凝土收缩徐变对普通钢筋引起的压力，单单计算预应力的合力与偏心距就不胜其烦，计算公式之长，令人望而生畏！所谓精确与简化的计算差距，对低强钢材预应力筋的截面应力可能达百分之十几，但对采用高强钢材做预应力筋的截面应力一般仅百分之几而已。裂缝宽度的计算本来就不很精确，完全可以名义拉应力法来代替。其他计算公式也有类似情况，可见我国设计计算方法的简化潜力很大。

　　4.3 技术名词与本语

　　应该用国际通用的、正确的名词替代一些陈旧的、不确切、含义不清的名词与术语，例如：用“预应力混凝土”代替“预应力钢筋混凝土”、用“预应力筋（钢材）”代替“预应力钢筋”，因为钢丝、钢绞线并不是钢筋；用“瞬时损失”与“长期损失”代替“混凝土预压前（第一批）损失”与“混凝土预压后（第二批）损失”；“张拉控制应力”应改为“初始张拉力”或“千斤顶张拉力”，因为真正控制预应力混凝土性能和设计的是“永存预应力”或“最终预应力”；对严格要求不出现裂缝、一般要求不出现裂缝和容许出现裂缝是早期的构件分类法，应改为当前国际通用的“全”预应力混凝土“限值”预应力混凝土和“部分”预应力混凝土的分类。这是几个明显的例子，另外还有一些就不再提了。改用这些术语与词组概念明确，与国际接轨，有利于国内外交流。

　　上述分析，足以说明过去我国行之有效的材料。理论与技术已时过境迁，落后陈旧。为此，对过去围绕低强预应力钢材发展起来的预应力混凝土构件的设计理论、计算方法、计算公式、结构构造、生产工艺与施工技术都有必要知识更新、转变到以来用高强钢材的现代预应力混凝土的轨道上来。为此建设从知识更新、技术改造出发，吸收国际最新理论与技术成就，编写新的教科书，阐述现代预应力混凝土系统理论和世界公认的设计方法与计算方法；设计规范也要同步进行修改，解决公式多、符号多、规定多、概念少、理论少，以及计算烦琐，逻辑混乱，难以学习和掌握的问题，揭开预应力混凝土的神秘面纱，为普及学科知识、培养大批预应力结构专业人才创造条件。

　　5、预应力技术要知识普及

　　我国推广预应力混凝土已有四十多年的历史，但普及程度不高，熟悉业务的专业人才不多，即使是一些甲级大设计院，迄今仍只有少数几个专业工程人员，与60年代相比，进展不大。为什么难普及？原因很多，但最主要的是预应力混凝土学科比较复杂，涉及领域有高强材料、生产工艺、机械设备、设计与施工等专业，而且这些技术交织在一起很难分开，要掌握完整的学科知识，难度的确较大。在实际生产实践中，国外多采用专业分工与合作的方式进行。例如预制预应力混凝土房屋的设计应与预制工厂合作；现浇后张预应力混凝土房屋的设计应与后张技术专业公司合作进行设计。因此预应力混凝土的大学教材，都比较简单，着重于学习预应力混凝土的原理、基本概念与简单的设计计算方法及结构应用，使读者能获得一个对专业的完整的基本知识。因之对设计理论与计算方法力求简单、通俗易懂，而不过分追求精确，等效荷载平衡法，名义拉应力法的广泛应用亦就是这个道理。为了专业知识的普及与推广，也有必要进行知识的更新换代。 由于房屋建筑的设计，建筑师是关键，因之知识的普及，对建筑师只要求了解这种结构的特殊性能、应用领域和经济价值，对结构的具体设计，由结构工程师进行。预应力混凝土知识一旦为建筑师所掌握，就有可能创造出建筑奇迹，以下举出两个世界顶尖级建筑物的实例。 一个是作为2000年奥运会的标志性建筑物——悉尼歌剧院，它是采用预制混凝土块体和后张预应力技术拼装的大悬臂曲面宽间拱壳结构，如果不用预应力技术，建造这样的结构是不可想象的。另一个是美籍华人贝聿明大师设计的、巴黎卢浮宫入口处雄伟壮观的“金字塔形玻璃建筑物”，就是用三维布置的预应力索以保证这一玻璃建筑的几个侧面都是真正的平面，要不是用荷载平衡原理，要做到纯平面几乎是不可能的。