浅谈预应力混凝土施工技术在建筑工程中的应用

预应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。
工作原理如图所示简支梁为例: 
1．由于预先给混凝土梁施加了预压力Ｎp，使混凝土梁在均布荷载ｑ作用下，下缘的拉应力完全被预压应力所抵消，可以避免裂缝出现，混凝土梁始终全截面参加工作。
2．必须针对荷载作用下可能产生的应力状态来施加预应力。施加的预压应力Ｎp不仅与荷载(或者说弯矩)的大小有关，且与Ｎy的作用位置(即偏心距ｅ的大小)有关。

预应力混凝土的特点

1．提高了构件的抗裂能力
       因为承受外荷载之前预应力混凝土构件的受拉区已有预压应力存在，所以在外荷载作用下，只有当混凝土的预应力被全部抵消转而受拉且拉应变超过混凝土的极限拉应变时，构件才会开裂。而普通钢筋混凝土结构中不存在预应力，其开裂荷载的大小仅由混凝土极限抗拉强度（为抗压强度的1/10左右）所决定，因而抗裂能力很低。
2．增大了构件的刚度
       因为预应力混凝土构件正常使用时，在荷载效应标准组合下可能不开裂或只有很小的裂缝，混凝土基本上处于弹性阶段工作，因而构件的刚度比普通钢筋混凝土构件有所增大。
3．充分利用了高强度材料
       如前所述，普通钢筋混凝土构件不能充分利用高强度材料。而预应力混凝土构件中，预应力钢筋先被预拉，而后在外荷载作用下钢筋拉应力进一步增大，应而始终处于高拉应力状态，即能够有效利用高强度钢筋；而且钢筋的强度高，可以减小需要的截面面积。与此同时，应该尽可能采用高强度等级的混凝土，以便与高强度钢筋相配合，获得较经济的构件截面尺寸。
4．扩大了构件的应用范围
       由于预应力混凝土改善了构件的抗裂性能，因而可用于有防水、抗渗透及抗腐蚀要求的环境；采用高强度材料，结构轻巧，刚度大，变形小，可用于大跨度、重荷载及承受反复荷载的结构。
       预应力混凝土已广泛地应用于工业与民用建筑及交通运输建筑中。例如预应力空心楼板、冂形屋面板、屋面大梁、屋架、吊车梁、预应力桥梁、铁路轨枕等已大量采用。在水工建筑中也已用来修建码头、栈桥、桩、闸门、调度室、压力水管、渡槽、圆形水池、工作桥、公路桥、水电站厂房的屋面梁及吊车梁等结构构件，也可用于预应力的方法来加固大坝、衬砌隧洞。对于某些有独特要求的结构，例如需防止海水腐蚀的海上采油平台，需耐高温   高压的核电站大型压力容器等，采用预应力混凝土结构更有它的优越性，而非其它结构所能比拟。
       如上所述，预应力混凝土结构有很多优点，但也存在一定的局限性，因而并不能完全代替普通钢筋混凝土构件。预应力混凝土具有施工工序多、对施工技术要求高且需要张拉设备、锚夹具及劳动力费用高等特点，因此特别适用于普通钢筋混凝土构件力不能及的情形（如大跨度及重荷载结构）；而普通钢筋混凝土构件由于施工较方便、造价较低等特点，应用于允许带裂缝工作的一般工程结构，仍具有强大的生命力。

预应力混凝土的应用

1．预应力平板结构的应用
       传统的普通钢筋混凝土梁板结构体系，需在柱间及隔墙下设置框架梁和次梁，这必然导致室内明梁纵横交错，降低了楼层的有效高度，影响了室内美观和使用功能，装修也较难处理；由于室内明梁的存在，隔墙布置的任意性受到限制，室内功能的重新调整比较困难，而一栋建筑物在其50年甚至70年使用期内都不需对空间重新分隔和变换使用功能是很难想象的，特别是一般的商场建筑及办公楼建筑。
       若设计中楼盖体系采用普通钢筋混凝土平板结构或预应力平板结构，以上问题则迎刃而解，工程若采用普通钢筋混凝土无梁平板结构，由于内隔墙较多，附加荷载较大，要使普通钢筋混凝土平板的裂缝控制等级及挠度满足规范要求，计算所需板厚较厚，同时普通钢筋用量也较大，不经济。因此，为了提高整个楼盖的抗裂性能，减薄板厚，减轻结构自重，提高其使用功能，采用近年来在大量工程中得以广泛应用的现代高效预应力混凝土结构技术，将整个楼盖设计为后张部分预应力混凝土无梁平板结构是一个良好的选择。这种预应力无梁平板，除在楼板周边保留必要的边梁和在局部少数有隔墙的地方及洞口边缘保留梁之外，室内明梁全部取消，仅在必要的地方设暗梁以改善楼板的受力性能，每单元整个室内顶板为一整块的平面。 
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，降低工程造价的作用。 
3．有梁大板框架结构的应用 
       有梁大板结构是柱子与柱子之间布明梁，大板上布置隔墙的结构体系。这种结构于平板结构有很多相似之处，柱距比较大，由于省去了次梁，避免了室内错综复杂的次梁，内景好，增加净空，抗裂好，省材料省模板和拆模人工，施工快速等优点。若这种大板配合预应力宽扁梁使用，则也能很大程度减低层高或提升层净高，如9m跨的预应力宽扁梁可以做到450mm高，比做普通预应力粱650mm少200mm高，比普通混凝土梁800mm少350mm，在节省钢筋和混凝土方面可以说是达到很好的效果。
       有梁大板结构适合用于住宅和办公楼，尤其是住宅，不设次梁，既避免了室内难看的次梁景观，也利于住户自行隔断房间以实现不同的功能，即使更换了新住户，改造房子时仍然可以再次自行布置房间。近十多年广州市很多大型的商场和公共建筑都采用了这种结构形式，甚至有些高档住宅的也得到了应用，在使用功能方面得到了使用者的一致好评，市场发展前景一片光明。
4．转换层结构中的应用
       最近我国高层建筑发展迅速，且多为多功能综合性建筑，需要大柱网、大空间的公共设施在下部，从受力的角度讲这是不合理的，解决这种矛盾的最常用方式就是设置结构转换层。随着预应力技术的逐渐成熟，预应力材料及施工费不断下降，即使用材料等强代换的概念从经济上来比较预应力混凝土结构与钢筋混凝土结构，在许多情况下后者并不比前者经济。因此我国高层建筑转换层结构中采用预应力技术的情况越来越多。

预应力混凝土的经济性

       预应力混凝土与普通钢筋混凝土相比较时可以用较少的混凝土和减少1/5~1/3的钢筋用量；但是钢材单价的差别并不是和重量的差别成比例的。预应力钢筋和预应力混凝土要求高强度和高质量，因而每种材料的单价都比钢筋混凝土所需要的材料的单价高。临时支架和模板可能更贵些，而且必须考虑预应力操作本身的附加费用。但是，一般来说，如果需要大量的预制预应力构件，则钢筋混凝土和预应力混凝土构件在单价之间的差别就变得很小了。另外，由预应力产生的间接的节约常常是显著的，也应充分予以考虑。这些间接的节约包括减少维修工作或者完全避免维修，而且由于结构有更好的耐久性（由于没有永久性开裂而增加耐久性），以致延长了使用寿命；减少支承结构和基础承担的静重；可以达到较大的跨径和减少支承；减低结构的高度（或者有相同高度的较大跨径）。

结束语

       总之,预应力技术是比较成熟的一项工程技术，在今后的发展中，还将日臻完善。实践证明,预应力技术以种种优势，在建设领域有着强大的生命力和竞争力，甚至在其还未完全占领的领域仍然具有强大的发展力。我们有理由相信，随着我国建筑业的飞速发展，施工技术及施工队伍素质的不断提高，预应力混凝土必将迎来更加美好的应用前景。