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淺談預應力混凝土施工技術在建築工程中的應用

目录:企業新聞发布时间:2019-01-17 14:10:52點擊率:

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摘要:隨著市場經濟的發展,普通混凝土的抗裂性能很弱,而預應力混凝土恰好彌補了這一缺陷,使混凝土的應用範圍更加廣泛,預應力結構的形式逐漸豐富多樣,由于預應力技術已經在建築施工方面得到了廣泛應用,本文只是通過對以下幾種常用的(無梁平板結構、有梁大板框架結構、轉換層結構)預應力結構形式來說明該技術在施工和應用方面的優點。

前言:隨著市場經濟的發展,對住房和工作環境水平的要求也越來越高,住宅要求有較好的內景,辦公室也要求有開闊舒暢的空間,建築要追求較大的淨高。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、有梁大板框架結構、轉換層結構、門架結構和吊車梁以及特殊結構中. 

一、 預應力混凝土的概念和工作原理 
预应力混凝土结构(prestressed concrete structure)是指结构在承受外荷载以前,预先采用人为的方法,在结构内部形成一种应力状态,使结构在使用阶段产生拉应力的区域先受到压应力,这项压应力将与使用阶段荷载产生的拉应力抵销一部分或全部,从而推迟裂缝的出现,限制裂缝的展开,提高结构的刚度,这种混凝土叫做预应力混凝土。
工作原理如圖所示簡支梁爲例: 
1.由于預先給混凝土梁施加了預壓力Np,使混凝土梁在均布荷載q作用下,下緣的拉應力完全被預壓應力所抵消,可以避免裂縫出現,混凝土梁始終全截面參加工作。
2.必須針對荷載作用下可能産生的應力狀態來施加預應力。施加的預壓應力Np不僅與荷載(或者說彎矩)的大小有關,且與Ny的作用位置(即偏心距e的大小)有關。


二.預應力混凝土的特點
1.提高了構件的抗裂能力
因爲承受外荷載之前預應力混凝土構件的受拉區已有預壓應力存在,所以在外荷載作用下,只有當混凝土的預應力被全部抵消轉而受拉且拉應變超過混凝土的極限拉應變時,構件才會開裂。而普通鋼筋混凝土結構中不存在預應力,其開裂荷載的大小僅由混凝土極限抗拉強度(爲抗壓強度的1/10左右)所決定,因而抗裂能力很低。
2.增大了構件的剛度
因爲預應力混凝土構件正常使用時,在荷載效應標准組合下可能不開裂或只有很小的裂縫,混凝土基本上處于彈性階段工作,因而構件的剛度比普通鋼筋混凝土構件有所增大。
3.充分利用了高強度材料
如前所述,普通鋼筋混凝土構件不能充分利用高強度材料。而預應力混凝土構件中,預應力鋼筋先被預拉,而後在外荷載作用下鋼筋拉應力進一步增大,應而始終處于高拉應力狀態,即能夠有效利用高強度鋼筋;而且鋼筋的強度高,可以減小需要的截面面積。與此同時,應該盡可能采用高強度等級的混凝土,以便與高強度鋼筋相配合,獲得較經濟的構件截面尺寸。
4.擴大了構件的應用範圍
由于預應力混凝土改善了構件的抗裂性能,因而可用于有防水、抗滲透及抗腐蝕要求的環境;采用高強度材料,結構輕巧,剛度大,變形小,可用于大跨度、重荷載及承受反複荷載的結構。
預應力混凝土已廣泛地應用于工業與民用建築及交通運輸建築中。例如預應力空心樓板、冂形屋面板、屋面大梁、屋架、吊車梁、預應力橋梁、鐵路軌枕等已大量采用。在水工建築中也已用來修建碼頭、棧橋、樁、閘門、調度室、壓力水管、渡槽、圓形水池、工作橋、公路橋、水電站廠房的屋面梁及吊車梁等結構構件,也可用于預應力的方法來加固大壩、襯砌隧洞。對于某些有獨特要求的結構,例如需防止海水腐蝕的海上采油平台,需耐高溫高壓的核電站大型壓力容器等,采用預應力混凝土結構更有它的優越性,而非其它結構所能比擬。
如上所述,預應力混凝土結構有很多優點,但也存在一定的局限性,因而並不能完全代替普通鋼筋混凝土構件。預應力混凝土具有施工工序多、對施工技術要求高且需要張拉設備、錨夾具及勞動力費用高等特點,因此特別適用于普通鋼筋混凝土構件力不能及的情形(如大跨度及重荷載結構);而普通鋼筋混凝土構件由于施工較方便、造價較低等特點,應用于允許帶裂縫工作的一般工程結構,仍具有強大的生命力。


三.預應力混凝土的應用
1.預應力平板結構的應用
傳統的普通鋼筋混凝土梁板結構體系,需在柱間及隔牆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,隔牆布置的任意性受到限制,室內功能的重新調整比較困難,而一棟建築物在其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築及辦公樓建築。
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,由于內隔牆較多,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範要求,計算所需板厚較厚,同時普通鋼筋用量也較大,不經濟。因此,爲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,將整個樓蓋設計爲後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牆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爲一整塊的平面。 
2. 预应力平板结构的优点
2.1 有利于减少地下室埋深及基坑开挖深度。对于有地下室的大型建筑或高层建筑,常常把地下室作为车库或商场。底板、顶板均可做成预应力平板;局部配电房、发电机房等需层高较高者,可局部下挖,使之达到设备高度要求;这样,在地下室中,则降低了层高,减少了水压力,减少了底板支模工序及基坑开挖深度,减少了外墙砼用量,从而降低造价,具有很高的社会和经济效益。
2.2 利于增加建筑物楼层的净空高度或者减少层高。同时能达到使用空间感好、甚至可以避免了没必要的吊顶装修、节省装修费用等优点。
2.3 利于改善结构的使用功能。现在业主根据自已的爱好,经营商品的组成变化,需要对商场及办公楼进行重新分隔的现象比较普遍,甚至在不同时期因业主的变化,都会有不同的间隔要求。预应力楼板对用途的改变极容易适应,在任意位置均可以设置隔墙,方案可以是多种多样,可给用户最大的自由度,使房屋使用功能及档次得到很大的提高,是房屋销售的一大卖点。 
2.4 由于预应力结构预加了应力,在同样荷载条件下结构具有优越的抗裂性能。在预应力混凝土结构中预应力筋可产生一个向上等效荷载,同时在板中产生一个轴向压力,使平板刚度提高,挠度大大减少,抗裂性能也大为提高。采用预应力混凝土无梁平板结构可以大量减少钢筋用量,降低工程造價的作用。 
3.有梁大板框架結構的應用 
有梁大板結構是柱子與柱子之間布明梁,大板上布置隔牆的結構體系。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,避免了室內錯綜複雜的次梁,內景好,增加淨空,抗裂好,省材料省模板和拆模人工,施工快速等優點。若這種大板配合預應力寬扁梁使用,則也能很大程度減低層高或提升層淨高,如9m跨的預應力寬扁梁可以做到450mm高,比做普通預應力粱650mm少200mm高,比普通混凝土梁800mm少350mm,在節省鋼筋和混凝土方面可以說是達到很好的效果。
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。近十多年廣州市很多大型的商場和公共建築都采用了這種結構形式,甚至有些高檔住宅的也得到了應用,在使用功能方面得到了使用者的一致好評,市場發展前景一片光明。
4.轉換層結構中的應用
最近我國高層建築發展迅速,且多爲多功能綜合性建築,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,在許多情況下後者並不比前者經濟。因此我國高層建築轉換層結構中采用預應力技術的情況越來越多。

四.預應力混凝土的經濟性
預應力混凝土與普通鋼筋混凝土相比較時可以用較少的混凝土和減少1/5~1/3的鋼筋用量;但是鋼材單價的差別並不是和重量的差別成比例的。預應力鋼筋和預應力混凝土要求高強度和高質量,因而每種材料的單價都比鋼筋混凝土所需要的材料的單價高。臨時支架和模板可能更貴些,而且必須考慮預應力操作本身的附加費用。但是,一般來說,如果需要大量的預制預應力構件,則鋼筋混凝土和預應力混凝土構件在單價之間的差別就變得很小了。另外,由預應力産生的間接的節約常常是顯著的,也應充分予以考慮。這些間接的節約包括減少維修工作或者完全避免維修,而且由于結構有更好的耐久性(由于沒有永久性開裂而增加耐久性),以致延長了使用壽命;減少支承結構和基礎承擔的靜重;可以達到較大的跨徑和減少支承;減低結構的高度(或者有相同高度的較大跨徑)。

結束語
總之,預應力技術是比較成熟的一項工程技術,在今後的發展中,還將日臻完善。實踐證明,預應力技術以種種優勢,在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展力。我們有理由相信,隨著我國建築業的飛速發展,施工技術及施工隊伍素質的不斷提高,預應力混凝土必將迎來更加美好的應用前景。
參考文獻
[1] 杨宗放,方先和.现代预应力混凝土施工.北京:中国建筑工业出版社,2003. 
[2] 王华.建筑业10项新技术应用. 南京:江苏科学技术出版社,2005. 
[3] 吴元乃等.建筑业10项新技术及其应用.北京:中国建筑工业出版社,2005.


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