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    我國預應力混凝土結構當前面臨的問題和對策

    添加時間:2015/10/15
      1前言
      預應力混凝土是在第二次世界大戰后迫切要求恢復戰爭創傷、從西歐迅速發展起來的。半個世紀以來,從理論、材料、工藝到土建工程的各種應用,都取得了極其巨大的發展與成就。尤其是隨著部分預應力概念的逐步成熟,突破了混凝土不得受拉與開裂的約束,大大擴展了它的應用范圍。目前預應力混凝土已成為國內外土建工程最主要的一種結構材料,而且預應力技術已擴大應用到型鋼、磚、石、木等各種結構材料,并用以處理結構設計、施工中、用常規技術難以解決的各種疑難問題。
      我國預應力混凝土的起步比西歐大約晚10年,但由大規模建設的需要,不僅發展快,而且應用數量極為龐大。據1995年的不完全統計:采用預制預應力混凝土構件建造的各種單層工業廠房總面積達10億㎡,建造的城鎮住宅和農村房屋超過30億㎡,建造的40m跨徑以內的鐵路橋梁達30000孔,新建的公路和城市橋梁中,20m跨以上的占到85%以上。上述成就既對我國過去幾個"五年計劃"的基本.建設作出了巨大貢獻,又為國家節約了大量鋼、木材料。
      改革開放以來,我國高強鋼材生產好轉,為發展高效預應力混凝土追趕國際水平,創造了條件。近十幾年來,在應用高效預應力混凝土方面取得了較大的進展。各種橋梁結構的型式、跨徑和施工方法都有了很大進步。預制預應力混凝土簡支架的經濟跨度:鐵道橋架已擴大到40m;公路與城市橋梁擴大到50m;預應力混凝土連續鋼構橋最大達270m;大跨度斜拉橋的跨徑:預應力混凝土橋面的達432m(銅陵長江大橋),鋼與混凝土結合橋面的最大達
      602m(楊浦大橋)。橋梁結構當前面臨的問題主要是如何提高質量,特別是耐久性問題,而不再經濟不經濟、用與不用的問題了。高效預應力混凝土在房屋建筑中的應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、向高效預應力混凝土過渡的階段,出現現澆后張熱、預制先張冷的現象,發展很不平衡,前景也不太明朗。
      2預制預應力混凝土的發展為什么停滯不前
      和就地現澆混凝土結構的建造方法相比,預制裝配是一種新的建造技術。這一新技術的真正突破是在二次大戰后的40年代后期,當時西歐大量重建工作急需進行,特別是住宅房屋和橋梁結構。五十年來,預制混凝土結構在各國的發展不很平衡??偟膩碇v,預制預應力橋梁,由于經濟上的優勢,已為世界各國普遍采用,即使是以鋼結構為主的美國,50m以內跨徑的預制預應力橋,近年也已經占到新建橋梁的50%以上,而鋼結構的則下降到25%;預制預應力混凝土在房屋建筑中的優勢不如橋梁結構明顯,應用可分為預制標準構件(如多孔空心板、雙T板等)的應用和預制體系房屋建筑中的應用兩個方面。
      2.1預制預應力混凝土標準構件
      國際上的預制標準構件,種類很多,但經多年實踐和淘汰,認為用途廣、經濟性好的構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跨的預制或有現澆面層的迭合樓蓋。目前北歐和西歐在辦公或其他類似房屋中,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,是非常薄的樓蓋。采用纖維高性能高強混凝土和密肋形式截面,北歐已生產出板厚儀為20㎜,跨度達6~30m的輕型屋蓋板,板目重僅100~200kg/㎡。
      用折線配筋先張法生產的雙T與單T板是50年代初期從美國開發出來長跨樓(屋)蓋構件,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。"以后隨著生產技術和混凝土強度的提高,截面逐步加寬加高,以提高經濟效率。到90年代,最大截面加寬到3.66m,肋高加大到0.80m。當采用3.05m寬板代替2.44m寬板時,由于工、料、搬運、安裝等費用的節約,每辦板造價可大約節約17%。這兩種構件既能代替傳統結構材料的大跨度樓(屋)蓋構件,又能充分發揮預制預應力混凝土的潛在優勢,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預制裝配式房屋結構有獨特的設計建造原則
      預制裝配式預應力混凝土房屋結構有它自身的規律性和特點,要求采用與現澆混凝土房屋結構不同的設計建造的原則。人們往往把預制裝配式混凝土房屋誤認為只是現澆房屋結構的另一種施工方法的替代產品,亦即預制意味著只是結構的一部分改在預制工廠生產,然后再運到施工現場進行安裝,使得盡可能滿足原來按現澆結構設計的要求。這種觀點實際上是錯誤的,和一開始就考慮預制特點要求的預制方案相比,不僅設計質量差,還會給施工帶來
      麻煩和困難,由于預制與現澆結構體系各有自身的特點,會或多或少地影響結構的平面布置、層高、穩定性和靜力體系等等。為此,對預制房屋結構的設計,從一開始就應該根據結構的要求與特點,選用相應的預制結構體系方案。
      預制預應力房屋不一定全用預制,也可以用現澆混凝土作為梁、板、柱連續的接頭或作為現澆面以減輕預制構件運輸安裝時的自重,這種預制與現澆相結合的所謂"半裝配式"結構兼有預制與現澆兩者的優點,基本上排除了兩者的弱點,避免了預制構件連結的困難,又不需要現饒的模板與支撐。過去許多個別設計的預制混凝土房屋或預制混凝土體系建筑之所以失敗和被淘汰,其原因就在這里。
      為了對預制預應力混凝土房屋建筑的設計提供幫助,國際上的一些學術團體,如FIP(國際預應力混凝土協會)、PCI(美國預制預應力混凝土協會)等都編制有專門的設計手冊;一些標準構件的生產廠,也都編制有專用的設計手冊,作為設計參考之用。
      2.3我國預制預應力混凝土的發展為什么衰落
      我國建工部門過去采用的以低強鋼材為主筋的預制預應力構件,主要有三方面的用途。首先是用于單層工業廠房屋蓋的屋架、屋面梁和大型屋面板,第二是用于城鎮的多層住宅和農村房屋樓(屋)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。上述構件基本上都是從代用的角度發展起來的,例如以預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、木材供應的困難,并不能發揮預制預應力混凝土的潛力。80年代高強鋼材充分供應后,對這些早期形式的構件和結構體系又沒有及時進行更新換代,在經濟上難以和其他結構競爭,以致工業廠房(倉庫食堂等)屋蓋逐步為鋼網架和輕鋼結構屋蓋所代替,民用建筑中的樓(屋)蓋除農村地區仍少量采用外,城鎮建筑的多層樓(屋)蓋已大都改用現澆鋼筋混凝土。
      和國外發達國家相比,我國預制預應力混凝土結構之所以衰退的原因主要還是技術上的,首先是構件跨度太小,形式陳舊,不能發揮預應力混凝土的優勢;其次是缺乏對預制房屋結構知識,例如大板多層和高層公寓建筑,就由于開間太小,承重墻過多,加之預制構件連結困難,用鋼量太大,缺乏經濟競爭力而受到淘汰??梢娢覈A制混凝土難以持續發展并不意味著預制預應力建筑的‘’山窮水盡",只要進行技術革新,采用新技術就大有發展前途。
      3現談后張無粘結預應力混凝土為什么造價偏高
      3.l預制與現澆、先張與后張各有合理應用范圍
      近十幾年來,現澆后張結構與單根鋼絞線無粘結筋的應用已成為房建部門的熱點。作為填補技術空白、追趕國際水平,無疑這是正確的、必要的,但現澆與預制、后張與先張結構、有粘結與無粘結筋的應用,各有利弊,各有合理應用范圍。此外,用預制先張構件建造半裝配式結構時,就兼有預制與現澆、先張與后張的優點?;旧吓懦爽F澆需要模板、預制構件連接困難的問題。
      3.2現澆無粘結雙向平板是國際公認的最經濟的大柱網樓板
      現澆無粘結預應力雙向平板是美國針對多層、高層建筑中要求采用大柱網樓蓋發展起來的。這種用單根張錨的無粘結鋼絞線筋的主要優點在于噸位小,有利于在板類結構中分散布筋,也有利于增大預應力筋的偏心距與抗彎力臂;張拉設備輕,施工方便。這種無粘結雙向平板可以做得比較薄,一般8m×8m辦公樓房的厚度僅為20㎝,有利于降低建筑層高;同時用鋼量少,造價低,因之具有強大的經濟優勢而成為美國用量最廣的一種結構體系?,F將辦公房與公寓用的兩種無粘結雙向板的尺寸和用鋼量列入表1。
      由表1可見這種雙向無粘結平板的用鋼量是很省的,即使是12.8×12.8m柱網的雙向密肋(WalleSlab)板(肋高43cm)和13.4m×9.1m的寬扁梁雙向平板(梁寬114cm,和梁高40cm),總用鋼量亦分別僅為4.94kg/㎡(內中預應力筋3.18kg/㎡,普通鋼筋1.76kg/㎡)和6.17kglmz(內中預應力筋4.16kglmz,普通鋼筋2.01kg/㎡)。上述用鋼量數字與MalkFintel著混凝土工程手冊以及美國其他書刊所列的數據基本上是一致的,是可靠的。
      3.3我國現澆無粘結平板價格高的原困和解決辦法
      我國現澆后張無粘結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筋耐久性的擔心,作為強度的第二道防線,因為現有工藝還不能完全滿足全封閉防水的要求。當然,設計、施工缺乏經驗、技術規章制度不全、缺少有效的監督管理體制等等也都是原因。
      要降低普通鋼筋用量,一方面要投人力量認真解決單根鋼絞線無粘結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用中來與束的間距;另一方面,要努力學習和掌握國外設計、施工技術和有關規章制度,這些都是通過多次重復實驗驗證并經過長期實踐的經驗總結,可以直接套用,作到迎頭趕上,從而避免"從零開始"、"前無古人"的大量重復勞動。這些困擾無粘結預應力筋的問題,應該都會很快得到解決,無粘結筋不僅會價廉物美地大量用于平板結構,也會較多應用于其他結構,代替傳統的灌漿有料結后張預應力筋。
      4預應力混凝土要知識更新和技術改造
      我國預應力混凝土的知識來源于50年代初期蘇聯的規范與教材,由于采用冷處理普通鋼筋作為預應力筋,生產工藝設備簡單,符合我國國情,有利于捉進我國預應力混凝土的迅速發展。另一方面,當時蘇聯的設計規范實際上是針對構件的截面核算,而很少涉及構件和結構的設計;教科書只是規范條文和公式的解釋而不是從學科出發編寫的,具體表現為公式多、符號多、規定多、計算繁雜,令人難以.形成概念,更得不到學科性、系統性的學識。
      我國編制的規范與編寫的教科書雖經幾次修改與提高,有所發展與前進,但從總體來講,由于種種原因,沒有跟上時代的步伐,沒有能擺脫50年代原蘇聯預應力混凝土規范的實質。與國外采用高強鋼材與彈性理論的現代預應力混凝土學識相比,差距較大,既不利于學習和掌握,也不能適應現代化工程建筑設計應用的需要。值此即將加入世貿組織(WTO)、國際建筑力量競爭日益加劇之際,對我國建筑結構技術水平應有一個清醒的評價。與國外先進技術相比,我國的差距是多方面,現僅舉出幾個方面的問題進行分析討論,來說明知識更新的必要性。
      4.1彈性理論與設計計算方法
      預加應力的目的主要在于提高使用荷載下構件的性狀?,F代預應力混凝土構件的截面設計(包括截面形狀、尺寸和預應力筋),國際上一般都是按使用荷載下混凝土與鋼材應力不超過容許應力限值確定的。這些應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力都相對較低,可以假定兩者都具有彈性性能,因此應力的計算采用材料力學彈性計算公式是合乎邏輯的。盡管截面是以容許應力為基礎確定的,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。預應力筋的初始張拉應力可按使用荷載下要求的總預加力,通過永存預應力(一般選用0.55~0.6fpu)反算來確定,張拉應力值可造當調整以滿足對摩擦損失和永存預應力的要求。
      50年代原蘇聯的規范與教材,熱衷于推廣破損階段設計法而排斥、否定用彈性理論的容許應力設計法,這對預應力混凝土設計計算造成很大困難,形成既要避免采用許可應力法(稱之為舊法)而事實上又不得不采用的尷尬局面。當時為什么要提出要用δan(即相當于混凝土應力為0時預應力筋中的預應力)這一抽象的概念?為什么用嚴格要求不出現裂縫和一般要求不出現裂縫來劃分構件預加應力的程度而不直接用應力劃分?原因可能就在這里。這就
      為設計計算帶來很多麻煩。
      我國對預應力構件截面設計一般都是按極限強度確定的,然后再核算使用荷載下的抗裂性與撓度。對抗裂性的計算,則以張拉控制應力為基點,再求出永存預應力值與抗裂性。這樣的計算過程往往要經過多次反復才能獲得滿意結果,計算工作量大。
      4.2計算的繁瑣與簡化
      如果對預應力混凝土的原理、生產工藝和生產過程以及各個階段的預應力損失有所認識與理解,只需用幾個基本公式就可以計算直到使用荷載各個階段的應力與變形。國外教材對簡支架預應力截面混凝土應力計算的示意圖只配底面預應力筋以示計算公式的來源與應用,簡單明了。因為對高強鋼材而論,都用曲線或拆線筋,須面沒有配預應力筋必要,普通鋼筋的影響理論上該用換算截面,但實際上多忽略不計;至于混凝土收縮徐變對普鋼的影響是
      有的,但也忽略不計。這樣做之后,大大簡化了公式,對計算精度影響很小。因為高強鋼材的配筋率比較小,非預應力普通鋼筋配筋率也小,考慮不考慮,對截面特征值和所算的混凝土應力影響都不大,忽略后仍有足夠的精度。
      我國規范與教科書對簡文梁截面應力計算的示意圖,底面與項面都配有預應力筋與非預應力普通鋼筋,加之要考慮混凝土收縮徐變對普通鋼筋引起的壓力,單單計算預應力的合力與偏心距就不勝其煩,計算公式之長,令人望而生畏!所謂精確與簡化的計算差距,對低強鋼材預應力筋的截面應力可能達百分之十幾,但對采用高強鋼材做預應力筋的截面應力一般僅百分之幾而已。裂縫寬度的計算本來就不很精確,完全可以名義拉應力法來代替。其他計算公式也有類似情況,可見我國設計計算方法的簡化潛力很大。
      4.3技術名詞與本語
      應該用國際通用的、正確的名詞替代一些陳舊的、不確切、含義不清的名詞與術語,例如:用"預應力混凝土"代替"預應力鋼筋混凝土"、用"預應力筋(鋼材)"代替"預應力鋼筋",因為鋼絲、鋼絞線并不是鋼筋;用"瞬時損失"與"長期損失"代替"混凝土預壓前(第一批)損失"與"混凝土預壓后(第二批)損失";"張拉控制應力"應改為"初始張拉力"或"千斤頂張拉力",因為真正控制預應力混凝土性能和設計的是"永存預應力"或"最終預應力";對嚴格要求不出現裂縫、一般要求不出現裂縫和容許出現裂縫是早期的構件分類法,應改為當前國際通用的"全"預應力混凝土"限值"預應力混凝土和"部分"預應力混凝土的分類。這是幾個明顯的例子,另外還有一些就不再提了。改用這些術語與詞組概念明確,與國際接軌,有利于國內外交流。
      上述分析,足以說明過去我國行之有效的材料。理論與技術已時過境遷,落后陳舊。為此,對過去圍繞低強預應力鋼材發展起來的預應力混凝土構件的設計理論、計算方法、計算公式、結構構造、生產工藝與施工技術都有必要知識更新、轉變到以來用高強鋼材的現代預應力混凝土的軌道上來。為此建設從知識更新、技術改造出發,吸收國際最新理論與技術成就,編寫新的教科書,闡述現代預應力混凝土系統理論和世界公認的設計方法與計算方法;設計規范也要同步進行修改,解決公式多、符號多、規定多、概念少、理論少,以及計算煩瑣,邏輯混亂,難以學習和掌握的問題,揭開預應力混凝土的神秘面紗,為普及學科知識、培養大批預應力結構專業人才創造條件。
      5預應力技術要知識普及
      我國推廣預應力混凝土已有四十多年的歷史,但普及程度不高,熟悉業務的專業人才不多,即使是一些甲級大設計院,迄今仍只有少數幾個專業工程人員,與60年代相比,進展不大。為什么難普及?原因很多,但最主要的是預應力混凝土學科比較復雜,涉及領域有高強材料、生產工藝、機械設備、設計與施工等專業,而且這些技術交織在一起很難分開,要掌握完整的學科知識,難度的確較大。在實際生產實踐中,國外多采用專業分工與合作的方式進行。例如預制預應力混凝土房屋的設計應與預制工廠合作;現澆后張預應力混凝土房屋的設計應與后張技術專業公司合作進行設計。因此預應力混凝土的大學教材,都比較簡單,著重于學習預應力混凝土的原理、基本概念與簡單的設計計算方法及結構應用,使讀者能獲得一個對專業的完整的基本知識。因之對設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,名義拉應力法的廣泛應用亦就是這個道理。為了專業知識的普及與推廣,也有必要進行知識的更新換代。
      由于房屋建筑的設計,建筑師是關鍵,因之知識的普及,對建筑師只要求了解這種結構的特殊性能、應用領域和經濟價值,對結構的具體設計,由結構工程師進行。預應力混凝土知識一旦為建筑師所掌握,就有可能創造出建筑奇跡,以下舉出兩個世界頂尖級建筑物的實例。
      一個是作為2000年奧運會的標志性建筑物——悉尼歌劇院,它是采用預制混凝土塊體和后張預應力技術拼裝的大懸臂曲面寬間拱殼結構,如果不用預應力技術,建造這樣的結構是不可想象的。
      另一個是美籍華人貝聿明大師設計的、巴黎盧浮宮入口處雄偉壯觀的"金字塔形玻璃建筑物",就是用三維布置的預應力索以保證這一玻璃建筑的幾個側面都是真正的平面,要不是用荷載平衡原理,要做到純平面幾乎是不可能的。

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