在结构承受外荷载之前,预先对去在外荷载作用下的受拉区施加压应力,以改善结构使用的 性能的结构型式称之为预应力结构。 如木桶,在还没装水之前采用铁箍或竹箍套紧桶壁,边对木桶壁产生一个环向的 压应力,若施加的压应力超过水压力引起的拉应力,木桶就不会开裂漏水。在圆 形水池上作用预应力就象木桶加箍一样。同样,在受弯构件的荷载加上去之前给 构件施加预应力就会产生一个和与荷载作用产生的变形相反的变形,荷载要构件 沿他作用方向发生变形之前必须最先把这个与荷载相反的变形抵消,才能继续使 构件沿荷载方向发生变形。这样,预应力就象给构件多施加了一道防护一样。 一、我国预应力砼技术发展历史回顾 (一)房屋建筑中的预应力砼技术发展历史 五十年代初,大量工业厂房和民用建筑需要兴建,而结构材料,特别是型钢和木材奇缺, 由于难以解决厂房钢结构屋盖与钢吊车梁的型钢用料,迫切需要改用预应力混凝土来代替。 按照预应力经典理论,生产预应力混凝土必须要用高强钢材(钢丝和钢筋)和高强混凝土,要 用专门的张拉千斤顶、锚夹具及其配套的专用机械与零部件,而在我国当年除书本知识外, 真是一穷二白,一无所有。要从国外进口,既缺外汇,又受帝国主义封锁,而苏联当时也刚 刚起步,在人力物力上无力对我援助。在这一艰难时刻,原建筑工程部建筑科学技术研究所 (中国建筑科学研究院前身)接受了国家计委的任务,沿着自力更生、土法上马、走不同于国 外的具有中国特色的低强钢材预应力的发展道路,开始了预应力混凝土的研究。 从五十年代初至七十年代末,我国房屋结构中开发研制了一整套预制预应力砼构件技术, 如屋面梁、屋架、吊车梁、大型屋面板、空心楼板等,其中预应力空心板年产量达一千万立 方米以上。这一时期的预应力技术特点是采用中、低强预应力钢材,采用中国特色的预应力 砼张拉锚固工艺技术。 从八十年代初至九十年代末,房屋建筑中预应力砼技术得到巨大发展,其显著特点是采用 高强预应力砼钢材及相应工艺技术,对整体结构施加预应力,技术水平接近发达国家先进水 平。二十年间建设了一大批预应力砼工程,其中有代表性的工程有 63 层预应力砼楼面的广 东国际大厦;214 米高的青岛中银大厦;单体预应力砼面积最大的首都国际机场新航站楼等。 (二)桥梁结构中的预应力砼发展历史 1955 年,铁路部门研制成功我国第一片跨度 12 米的预应力混凝土铁路桥梁,1956 年建 成 28 孔 24 米跨的新沂河大桥,从而开始了预应力混凝土技术在我国铁路上应用的篇章。 四十多年来,经过铁路系统工程技术人员的辛勤努力,预应力砼技术不断扩大,技术水平不 断提高,制造架设跨度 32 米以下桥梁三万多孔,桥梁跨度不断突破,大跨径桥梁不断涌现, 其中有代表性的工程有主跨为 168 米的攀枝花金沙江铁路连续钢构桥,顶推法施工的跨度 80 米连续箱梁桥杭州钱塘江二桥,此外在南昆铁路线上新建了一大批各种类型的铁路桥梁。 1957 年,公路部门在北京周口店建造第一座预应力混凝土公路试验桥,为单跨 20 米简 支 T 梁桥。1959 年在兰州建成七里河黄河桥,为 7 孔主跨 37.5 米悬臂梁桥。后又建成新 城黄河桥,桥型为 5 孔 33 米 T 型简支梁和孔 66 米系杆拱桥,奠定了我国建造预应力混凝 土桥的基础。 随着我国交通运输的蓬勃发展,四十多年来,公路上建造了大量预应力混凝土桥,尤以大 跨径桥梁居多数。如我国已建成主跨 400 以上斜拉桥七座,连续钢构桥继黄石大桥 250 米 主跨后,虎门大桥达 270 米,主跨为世界之冠,这些桥型和其它桥型无论在跨度还是在施 工方法上都已接近发达国家的先进水平。 城市立交桥中的预应力砼技术主要是七十年代开始起步的,目前仅北京修建的立交桥就已 达 200 座,其中最早的立交桥是 1974 年建成的复兴门桥,采用先简支后连续方法施工;层 次最多最高的是天宁寺立交桥;规模最大的是首都机场高速路上的四元桥。 (三)特种工程中的预应力砼技术发展现状 预应力砼技术在我国各种工程结构领域中均得到广泛应用,其中主要有水利工程中的边坡 加固,建筑物基坑开挖的支护等所采用的土层、岩层预应力锚杆技术,代表工程为云南漫湾 水电站左岸岩质高边坡加固和北京京城大厦深基坑支护;有竖向超长预应力砼技术的应用, 代表性工程有中央、天津、南京、上海等电视塔的预应力砼技术;有环形预应力砼技术的应 用,代表性工程有阿尔及利亚球形水塔,秦山、大亚湾核电站安全壳,柴里煤矿煤仓,各种 圆形及蛋形污水处理池,各种输、排水管道;有超重、超高物体提升预应力砼技术,代表性 工程有北京西客站主站房大跨钢梁提升、上海歌剧院钢屋盖提升、虎门大桥钢箱梁节段提升 等。 二、我国预应力砼发展过程中的主要成就 (一)预应力材料技术的突破 1、冷拉钢筋技术 五十年代中期,我国研制成功有中国特色的冷拉钢筋预应力砼成套技术,主要有钢筋冷拉 工艺、设备、锚固技术及冷拉钢筋物理力学性能的研究,冷拉钢筋制作预应力砼构件的生产 工艺,冷拉钢筋预应力砼构件性能研究及设计方法。 2、冷拔钢丝技术 六十年代前后,我国研制成功冷拔低碳钢丝预应力成套技术,生产预制预应力空心楼板, 由于冷拔丝费用低廉、工艺简单,预应力空心楼板在全国得到广泛应用。 3、中强预应力筋技术 七十年代初期至八十年代中期,我国相继开发出热轧低合金预应力钢筋、热处理预应力钢 筋和精轧螺纹预应力钢筋,进一步促进了我国预应力技术的发展。 4、高强预应力钢丝、钢绞线技术 八十年代以后,我国相继从国外引进了十多条低松弛、高强度预应力钢丝、钢绞线生产线, 生产能力目前己达到年产量三十万吨,这一技术的引进极大地促进了我国预应力工程技术的 发展。 (二)预应力砼工艺技术的突破 1、预应力砼张拉锚固技术的发展 六、七十年代,我国研究开发了多种中低强度预应力砼筋张拉锚固技术,主要有螺丝端杆 锚固技术、高强钢丝敏头锚体系、JM 锚体系、弗氏锚体系等。七十年代中期,编制出版了 常用预应力砼锚夹具定型图册。 八十年代中后期,我国技术人员跟踪国际先进水平,成功地开发了预应力砼钢绞线群锚张 拉锚固体系,较好地解决了预应力砼施工中的关键技术,特别是大吨位(200——10000kN 级)预应力砼锚具及配套张拉设备,达到了国际先进水平,1988 年该成果被《科技日报》评 选为 1987 年度全国十大科技成就之一。 2、无粘结预应力砼成套技术 八十年代中期,我国开发研制成功的无粘结预应力砼筋涂包设备、单根钢绞线张拉锚固设 备、无粘结预应力砼结构设计技术规程等配套技术,促进了我国建筑工程中现浇预应力砼结 构的发展。近二十年来,无粘结预应力砼结构累计推广使用面积达到一千万平方米以上,出 现了一大批有代表性的、达到国际先进水平的工程项目。 3、斜拉索产品成套技术 八十年代中期,我国开始兴建大跨度预应力砼斜拉桥,为解决工程需要,上海浦江缆索厂 与多家科研设计单位配合,建成了我国最大的斜拉桥缆索成品生产线,使我国的斜拉桥技术 达到世界领先水平。 (三)设计理论及标准规范的发展 早期的预应力混凝土结构设计理论是按全预应力方法设计,八十年代初期以后,发展了部 分预应力砼设计理论,目前预应力砼工程相应的规程规范已基本配套。主要有材料方面的预 应力混凝土用钢丝、钢绞线标准;无粘结预应力砼筋标准;专用油脂标准;预应力砼筋用锚 具、夹具、连接器产品标准及应用技术规程;各种预应力砼设备及产品标准;各种结构设计 及施工规范。 (四)工程应用取得重大突破 房屋结构方面,63 层的广东国际大厦采用了无粘结预应力砼楼盖技术;珠海机场候机楼 和首都国际机场新航站楼采用了大面积无粘结预应力砼技术;首都国际机场停车楼采用了双 向大柱网、大面积超长度有粘结预应力砼技术。 桥梁结构方面,上海杨浦大桥(跨度 602 米)等七座跨度 400 米以上的斜拉桥,代表我国斜 拉桥技术已进入世界领先水平;连续钢构桥继黄石大桥 250 米主跨后,虎门大桥达 270 米 主跨,为世界之冠;主跨 168 米的攀枝花金沙江桥和钱塘江二桥等铁路桥表明我国的铁路 桥预应力砼技术已达到世界先进水平。 特种工程结构方面,秦山、大亚湾核电站安全壳,上海、北京电视塔,阿尔及利亚预应力 混凝土球形水塔等一批高难度、高水平的特种结构预应力砼技术,表明我国预应力混凝土技 术应用范围极为广泛、技术水平十分先进。 三、我国预应力砼技术发展展望 (一)新材料技术开发应用 预应力砼材料技术的发展从来都是预应力砼技术革命的先驱,预应力砼筋除了目前使用的 高强度钢材外,未来新型预应力砼筋应是强度高、自重轻、弹性模量大的聚碳纤维、玻璃纤 维和聚醋纤维类非金属预应力砼筋。 (二)预应力砼技术在我国房屋建筑中将扮演重要角色 1、预应力混凝土在多层大跨结构中的发展方向 建筑业是我国国民经济重要支柱产业之一,旺盛的建筑需求,日新月异的生产工艺变革以 及人们对物质文化生活需求的迅速提高,使建筑结构正面临新的挑战。近代建筑结构正在向 大柱网、大开间、大跨度、多功能方向发展,人们总想在有限的建筑面积和空间内获得最好 的使用功能和最佳的投资回报。预应力混凝土正以其跨度大、自重轻、节约材料、节省层高、 改善功能等突出优点,迎合了近代建筑结构的发展趋向。经验证明,8~18m 柱网(或跨度) 的房屋正处于预应力混凝土建筑结构经济跨度范围内,对于大多数多层工业厂房,各类公共 建筑如文化娱乐建筑、体育建筑、医疗建筑、商业建筑、办公建筑、航站建筑等,预应力混 凝土结构常常是最佳的选择,它不仅有良好的技术和经济指标,而且能明显加快施工速度。 建设部、科技部均将其列入“九五”及 2010 年发展纲要中的新技术推广项目。 2、高层建筑结构中预应力混凝土技术发展方向 近年来,预应力混凝土在高层建筑中的应用有很大发展,尤其是无粘结预应力混凝土平板 和预应力砼扁梁用于高层建筑的楼盖,具有降低层高,简化模板,加快施工等明显效果,受 到建设单位、设计和施工单位的普遍欢迎。预应力混凝土除用于楼盖外,有时还用来解决大 跨度、大空间部位柱网转换时的转换梁、转换桁架,以及复杂柱网情况下的转换板。此外 8~l8m 跨度的预应力混凝土空心板,外墙用的装饰保温复合预应力混凝土墙板在高层建筑中 的应用前景也很广阔。目前,高层建筑的外墙材料大都是红砖、小型砌块、实心混凝土或玻 璃幕墙等,墙体材料的改革势在必行。 3、预制现浇相结合的装配整体式结构将加速发展 先张法预制预应力混凝土构件具有工厂化规模生产的各种优点,如质量控制水平高,构件 耐久性好,模板周转率高,损耗小;与现场浇注的后张法预应力混凝土相比,省去了留管灌 浆工序或无粘结束的注油挤塑工序,省去了管道费用、涂包费用和锚具费用。在道路及运输 吊装条件较好,运距不太大(200 公里以内)的情况下,预制构件常常有良好的技术经济指标。 先进工业化国家中,预制先张预应力混凝土的比例很高,美国占 70%~80%,法国、德国约 占 60%。现代的预制工业,是一项极具发展潜力的工业。现代化预制厂的主要生产过程均 由计算机控制,高素质的技术工人和高效率施工机械与管理模式保证了产品的高质量,现代 预制工业已摆脱了构件品种、规格单一,建筑与结构功能脱节的旧模式。很多工业发达国家 的预制构件已能将建筑装饰的复杂、多样性以及保温、隔热、水电管线等多方面的功能,与 预制混凝土构件结合起来,满足用户各种要求,又不失工业化规模生产的高效率。我国目前 在这方面的差距很大,国内房屋建筑中最大量的预制构件仍是 6m 跨以下的空心楼板,工业 建筑中的屋架、吊车梁、屋面板等。随着大柱网、大开间多层建筑和高层建筑迅猛发展,长 跨预应力砼空心板、T 形板、大型预应力砼墙板等必将逐步兴起,预制梁板现浇柱,或预制 梁、板、柱与现浇节点相结合的各种装配整体式建筑结构体系预期会迅速发展,这种结构体 系可以把预制与现浇二者的优点结合起来,避免纯装配式建筑对产品尺寸的高精度要求,结 构整体性差和节点耗钢量大等缺点,又避免了现浇结构现场湿作业工程量大,受制于现场施 工及气候条件,耗用大量模板、支撑等缺点。在材料消耗上,预制也有显著优点,以 8~12m 跨度的预应力长跨空心板为例,与无粘结预应力砼现浇平板相比,一般可节约混凝土 30%~40%,节约钢材 50%~60%,免去涂包和锚具费用,减轻楼面结构自重 10%~15%, 节省模板、支撑等,经济效益十分显著。 (三)其他结构领域的发展趋势 桥梁结构领域中,预应力技术既是一种结构手段,又是与施工方法结合形成一整套以节段 式施工为主体的预应力施工工法或专利,主要有预应力悬臂分段施工技术、分段顶推施工技 术、移动模架逐孔施工技术、块体节段拼装技术、大节段预制吊装技术等。这些施工技术与 预应力技术是紧密相关的。现有桥梁的改造、加固技术亦是研究开发方向。 预应力技术的其它应用也体现了一种施工方法或专利技术,如预应力锚杆技术、重物提升 技术、滑模顶推技术等,预应力技术的合理应用可创造一种新型施工方法或专利技术,这亦 是它的发展趋势。 (四)设计理论将有重大进展,预应力混凝土结构的可靠性、耐久性和经济性更为协调一致 我国当前的预应力混凝土房屋建筑设计水平相对还比较低,急待完善与提高,主要表现在: 结合预应力混凝土特点对结构的整体布局,概念设计、方案对比、综合技术经济效益的分析 研究薄弱,设计理论上过分强调了裂缝对耐久性的危害,对某些预应力砼结构的抗裂要求过 严,造成用钢量的显著增加,而对影响耐久性的其它更重要因素如保护层厚度,以及灌浆质 量控制,无粘结的全长密封,尤其是锚具封端的严格要求则重视不够。结构分析方面,则常 常把普通钢筋混凝土结构的设计准则不适当地套用到预应力混凝土高层建筑结构,例如剪力 墙框架结构中,由预应力平板与柱构成的等代框架,以及由预应力扁梁、柱构成的框架,由 于预应力配筋的方向性以及耗能特点,通常不宜考虑承受过大的地震内力,对这类结构的设 计准则应有所区别,但目前有关的规范还都未涉及,有待补充与完善。随着我国预应力混凝 土设计队伍的壮大和设计水平的提高,相信在不久的将来,我们将会在一些重大设计理论问 题上取得共识,实现可靠性、耐久性和经济性的协调一致。 (五)预应力工艺将进—步完善,专用产品质量提高 尽管我国已能大批量生产高强钢材、锚具和各类预应力混凝土用专用机具,但就其质量的 稳定性、耐用性及配套性以及预应力工艺水平而言,与国际先进水平尚有不少差距。预应力 混凝土由于其钢材长期处于高应力状态和材料对机械操作或腐蚀的高度敏感,更值得引起我 们对产品质量和施工工艺问题的关注。英国公路局于 1992 年 9 月曾下令暂停在新的桥梁工 程中使用后张灌浆预应力混凝土桥,曾引起国际工程界的巨大震动,直到 1996 年新标准出 台后才予以恢复。国际上对后张灌无粘结预应力混凝土的耐久性以及与保证质量相关的工艺 技术均给予高度重视。我国应加强与国际学术界、工程界的交往,广泛吸取他人的有益经验。 英国新标准预留管道采用不导电、抗腐蚀且耐久的高密度聚乙烯或聚丙烯塑料波纹管替代金 属波纹管,以便提供预应力束的多道空气和水的绝缘屏障, ,并对灌浆更高要求。国外对无粘结筋的防腐蚀要求、全封闭要求和构造细节、质量标准也 都很严格,这方面我国还有许多工作要做,质量有待提高。锚具的生产许可证制度也势在必 行。 (六)专业预应力砼工程公司将集团化、国际化,施工技术和管理水平大大提高 预应力砼专业化施工已势在必行。我国目前尚处在初级阶段,现有的专业队伍, 绝大多数技术水平仍然不高,仅仅懂得一般的张拉操作。今后我国应该发展大型 专业预应力砼工程公司,它不仅有自己的预应力砼专用产品和配套的质量保证体 系,有整套的预应力砼专业施工技术和现场服务体系,还应具有研究、产品开发 和预应力混凝土结构设计与施工的高水平咨询能力。发展大型集团公司对促进我 国预应力混凝土技术的完善和发展,促进产业化,提高工程质量和降低成本,适 应市场的国际化趋势,增加竞争能力都是十分必要的。再经过十余年努力,我国 应树立起自己的国际名牌预应力体系,建立起能参与国际投标竞争的高水平预应 力砼专业公司。