预应力混凝土结构在设计和施工中的注意事项

魏生万

1 预应力在建筑工程中的应用

钢筋混凝土结构虽然已广泛用于各种工程结构,但它仍然存在着诸多的不足(例如带裂缝工作,不能充分利用材料等),尤其对于大跨度结构来说,钢筋混凝土结构明显不能满足其要求,因而混凝土结构的使用范围受到了很大的限制。预应力混凝土结构的诞生,给土木工程师们带来了福音。预应力混凝土结构具有刚度和抗裂度高、节省材料、自重小、能减小混凝土的竖向剪力和主拉应力、结构质量安全可靠等优点。因而广泛应用于单厂的预制构件、多层厂房、高层建筑、大型桥梁、核电站、电视塔和大跨度薄壁结构等。

2 预应力混凝土结构的设计

2.1 对混凝土和预应力钢材的选用要求

按施工方法分,预应力构件分为先张法构件和后张法构件。由于先张法要求在灌浆浇筑后混凝土和预应力钢筋能够可靠地粘结,而后张法要求已成型的混凝土结构必须具有足够的承载能力来承受预加应力,因此用于预应力结构的混凝土,必须采用高强度混凝土。由于预应力结构往往具有较大的体积,在成型后就会产生较大的收缩和徐变,而收缩和徐变往往造成相当大的预应力损失,因此,为了减小预应力的损失,提高预应力的利用率,就要使用收缩小、徐变小的混凝土。同时,由于预应力混凝土结构一般使用专用的模具、模板,预制的结构还需要专门的台座,而且预应力结构工程往往控制着工程工期,因此,为了提高生产效率,加快施工进度,还应采用快硬、早强的混凝土。

混凝土预加应力的大小,取决于预应力钢筋张拉应力的大小。预应力钢筋不同于普通钢筋,它的受力是预先设定的,这就对预应力筋提出了比普通钢筋更高的要求。由于预制成型后构件的受力状态和正常使用时的状态或多或少地存在偏差,再加上设计的受力情况可能与实际的使用情况有所差别(比如预应力的损失、使用环境的变化),为了在使用阶段仍能提供足够的预应力,因此需要较高的张拉应力,这就要求预应力钢筋具有较高的抗拉强度。为了避免结构的脆性破坏,预应力钢筋还应具有一定的塑性。在先张法的施工中,要求混凝土和预应力筋既快又可靠地粘结,因此预应力筋也要具有良好的粘结性能。此外,为了减小钢筋松弛引起的预应力损失,还要求预应力筋具有较强的抗松弛性能。

值得注意的是,对于同一构件,混凝土的强度和等级应尽量与钢筋(包括预应力筋和非预应力筋)的强度和等级相吻合,以充分合理地利用材料。

2.2 预应力大小的确定与预应力损失

在预应力结构的设计中,最重要的是确定预拉应力的大小以及预应力筋束的布置方式,还有预应力损失的计算。

预应力大小的确定通过确定张拉控制应力来实现。张拉控制应力的取值,直接影响预应力混凝土结构的使用效果。张拉控制应力不能太小,也不能太大。如果太小,就不能满足构件的抗裂度和刚度的要求,且不能满足受力要求(比如对于梁,就不能有效抵消正弯矩,使梁的下缘出现过大的拉应力)。相反,如果预拉应力过大,则会使混凝土无法承受压应力而开裂或在受拉侧出现局部拉应力而开裂,并且会使反拱度加大,使结构产生过大变形;再者,由于各预应力筋受力并不均匀,当预应力过大时,就会使其中的一些钢筋提前达到屈服极限而被拉断;对于预应力结构,预应力越大,预应力的损失也往往越大。因此,要权衡利弊,将张拉控制应力限制在一定的范围内。在具体设计时,除了应符合规范要求外,还应结合实际情况,综合考虑,以确定张拉控制应力的最佳值。

在预应力结构张拉完成后,由于各种原因,往往随着时间的累积,预应力值将有所减小,减小的这部分预应力就是预应力损失值。引起预应力损失的原因很多,就其产生结果,结构中常见的预应力有以下几类:与管道壁间摩擦引起的应力损失;锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩引起的应力损失;钢筋与台座间的温差引起的应力损失;混凝土弹性压缩引起的应力损失;钢筋应力松弛引起的应力损失;混凝土收缩和徐变引起的应力损失。

在设计阶段,要确定可能发生的预应力损失值,以此来确定张拉控制应力,使预应力构件在除去损失的预应力外仍然有足够的富余来承受使用阶段的恒载和活载。对于各项应力损失,应该结合产生相应损失的原因来制定布束方案。比如对于梁,为了能提供竖向的预剪力,往往需要在梁端部弯起,这样使得管道弯曲,产生较大的摩擦损失,为了既能满足结构的构造和受力要求,同时又不让损失值过大,要求设计者就要从多方位考虑,作出合理的选择。除了对钢筋的布设方式进行研究外,还应对结构的截面形式及其大小进行可行性论证。截面形式的选择,应根据结构所承受的荷载的大小及分布来确定。如果所选用的截面太小,就会给施工时安置锚具带来困难,并且会减小偏心矩,使预应力形成的弯矩减小;相反,如果截面尺寸过大,虽然增加了预偏心矩,但会产生很大的自重,这对结构是十分不利的。对于不同尺寸构造的预应力结构,要选用预加力大小恰当的预应力束筋,以达到合理的布置形式。如果预应力束筋选择过小,在大跨结构中造成布束过多,因构造尺寸限制布置不下时,则要求增大截面。反之,在跨度不大的结构中,如果选择预加力很大的单束筋,就会使构件承受集中力而产生不良影响。

3 预应力混凝土结构的施工

3.1 使用合格的预应力承包公司与技术人员

作为第一线的施工技术人员,他们的生产和管理水平是预应力结构形成预应力系统的最后一道保障,也是最关键的一关,能否形成一个高效的预应力系统,就在于施工人员能不能把好这一关。预应力结构的施工应使用成熟的方法,并由有经验的监理人员控制。由于预应力混凝土结构的施工工艺复杂,工序繁多,细节性又强,所以现场施工人员必须是经过专业技能培训并有一定工作经验的技术人员。如果急于求成,使用不合格的预应力公司与人员,将会带来严重的后果,比如灌浆不良、安装不良、张拉不良等。因此,应对施工人员的经验、知识、培训及资质等进行评定。

除了对施工人员进行专业上的评定外,还应考虑到施工人员的其他情况,比如是否具有较强的责任心、是否具有细致严谨的工作作风等。

3.2 使用合格的施工设备

预应力混凝土结构的施工需要专门的设备,比如锚具、千斤顶、控制器、穿梭机、压浆机、张拉台座等。这些设备种类繁多,施工方法各异,不管是哪类设备,都直接关系到构件的质量问题。施加预应力所用的机具设备及仪表应由专人使用和管理,并应定期维护。工程使用前必须进行校验,校验应在经主管部门授权的法定计量技术机构定期进行。配套标定的千斤顶、油泵、压力表应进行编号,不同编号的设备不能混用。如果利用违规的设备进行施工,其后果可想而知。有的承包商或是为了追求眼前利益,减少施工费用,或是为了追求施工速度,盲目选用了不适合的设备来施工,不但不能达到设计要求,还延误了工期,浪费了材料,甚至酿成事故,造成了巨大的经济损失。

3.3 进行有效的监督

和其他施工一样,预应力混凝土结构的施工同样需要在监督下进行,而且对监督的要求更高。由于预应力结构施工工序多、细节性强,为了确保施工的质量,就要求监督人员尽职尽责,对施工的每一个步骤进行全方位监督。在实施监督时应聘用正规的监理公司或单位。尤其对于预应力孔道的布置以及筋束的穿束、锚具和垫板的安装、预应力张拉、孔道压浆等环节要进行加强监督。

4 结语

预应力混凝土结构虽然只有几十年的历史,但由于它表现出的优越性以及当今建筑工程中对大跨度结构的需求,预应力技术得到了迅猛的发展并日趋成熟。现今在工程中使用的预应力结构种类繁多,它们在土木工程(尤其是桥梁工程和建筑工程)的各个领域中得到了广泛的应用。为了能更好的让这种结构形式为人类造福,不管是设计人员,还是施工人员,都应该积极探索,将预应力混凝土结构的研究和应用推向一个新的高度。

[1] 赵建昌.混凝土结构设计原理[M].北京:中国铁道出版社,2007.

[2] 叶见曙.结构设计原理[M].北京:人民交通出版社,1997.

[3] 莫千里,陈 敏.浅谈结构设计中的构造问题[J].山西建筑,2009,35(18):78-79.