预应力混凝土结构的研究与应用

段惠全

（山西路桥建设集团有限公司阳泉分公司，山西 阳泉 045000）

在构件受荷载前，预先对混凝土受拉区施加预应力的结构被称为预应力混凝土结构。预应力混凝土能充分利用高强钢筋和高强混凝土，减少钢筋用量和构建截面尺寸，减轻构件自重，增大跨度尺寸；一般不产生裂缝，耐久性好，扩大了构件的使用范围，并提高了构件抵御外部不良环境影响的能力。在同样的荷载条件下，预应力构件的截面尺寸可设计的比较小，节约材料，减小自重。预应力技术的发展为装配式结构提供了良好的装配、拼装手段等。下面就通过分析预应力混凝土在实际工程中的应用来阐述其优点。

1 预应力混凝土结构在房屋建筑中的研究与应用

1.1 在楼盖和房屋结构中的应用

在楼盖和房屋结构中，用预应力技术可以增大房屋结构的经济跨度，这就有可能将本来需要布置一排或两排内柱的“柱林”式，改变为楼（屋）面直接支承于纵向外墙的无内柱大空间单跨建筑。由于消灭了内柱及其基础所获得的节约，以及无内柱障碍而使有效面积利用率增加（一般为5%～8%），这就都使有效面积的单位造价比小跨度建筑往往更为便宜。

1.2 在框架结构中的应用

在框架结构中常采用开间方向小、跨度方向大的不等跨柱网，“大跨用主梁，小跨用次梁”，这是结构布置的传统做法。采用预应力方案时则恰恰相反，小跨做主梁、大跨做次梁更为经济合理。这种布置的楼面机构高度决定于次梁，次梁跨度虽大，但可采用减小间距（如2～3 m）的方法以减小负荷，这样梁高就可以降低（如为跨度的1/20，甚至是1/25）。楼面机构高度小了，能起到压缩层高的效果。例如，重庆沙坪坝建设的工商银行大楼，该楼为满足现代化银行的业务和办公要求，大楼各层平面均设有两个开间为16.5 m、进深为20.4～33.6 m的大开间。左边为建设银行，高10层（含地下层），右边为工商银行，高8层，建筑总面积为12 000 m2。结构采用纵向（33.6 m方向）设置非预应力承重框架、横向（54 m方向）设置多跨有黏结预应力连续次梁方案，预应力次梁间距为1.2～1.6 m。此方案结构层厚度仅650 mm，在建筑物总高30.9 m的限制下，较其他方案可多建一层。

1.3 在伸缩缝设置中的应用

在建筑设计中伸缩缝的设置是一件较头痛的事，给设备、电气等也带来许多的麻烦。可采用预应力楼面（梁板式或无梁平板）结构，由于其自身具有抵抗温度、收缩应力的能力，因此可以大大扩展伸缩区的范围。例如，20世纪70年代加拿大曾建造一座采用无黏结平板的19层办公大楼，每层面积5 110 m2，平面呈曲线型，外弧长140 m，内弧长86 m，平均宽47 m，无黏结平板厚230mm。每层楼板分三次施工，先浇中间一块，于张拉完纵横向预应力后，再浇筑两侧的板。纵向预应力筋用140 m的长束（也可用连结器接长），以形成一块整板，不设伸缩缝，实际使用性能良好。

采用预制预应力薄板做成叠合楼板，对降低层高也很有效。这种板在北京的高层宾馆中用得较多，西苑饭店就采用了最大跨度达8 m的这种叠合板。

预应力混凝土适合制作拉杆（吊杆）和大跨度梁板的特点，为建筑师提供了新的手段和措施让其来创造新的形式，以满足现代化建筑的需要。这些新的形式包括悬臂式建筑、悬挂式建筑、外倾式建筑、采用传力梁（拖住大梁）的高层建筑、采用斜拉索的大跨度建筑等。

用悬臂梁或板来支承上部结构的悬臂式建筑，下部所占地面空间小，建筑显得轻巧，往往为了满足建筑造型的需要。当有裙房部分时，可与主体结构分开，更加灵活。

在高层建筑中，采用预应力吊杆代替传统的钢筋混凝土柱，是一项降低自重和节约钢材的有效措施。例如，南非一座高137 m、地面以上31层的银行大楼，就采用了预应力吊杆的方案。平面尺寸为33.7 m的正方形，全部重量支承在14.2 m见方的刚性竖筒上。整个结构从高度上可分为3节，每节各有10层楼面，通过8根吊杆悬挂在由刚性筒体墙伸出的8根井式悬臂梁的端点上。梁采用12根Φ12.2钢筋束（极限强度2 156 kN），每根梁用20束，随吊杆荷载的增加而分批张拉。吊杆由10块长3.5 m、宽53 cm的变厚度空心混凝土块拼成，每层增加一束预应力筋，底层另增加两根通长束，即每根吊杆最终为11束。

采用预应力拉杆可建造与常规金字塔式（内倾式）建筑相反的外倾式建筑。外倾式建筑上大下小、占天不占地，在造型上更富有刺激性，同时也显示出结构技术的成熟性。如，美国加州大学中心图书馆采用向外倾斜的8层框架结构，4～6层向外倾的8对斜柱的倾覆力，通过设置于4，5，6三层楼面大梁内的24根后张束来平衡。每束由44根高强钢丝组成，平均长61 m。再如，美国达拉斯市政中心是很有名的建筑，建筑总面积71 500 m2，建筑师的意图是使整个建筑向广场倾斜，形成城市的内向空间，处在这个广场中间就有一种被围合起来的感觉。该建筑的倾斜度达到2∶3，即34°的大角度，它的斜墙是通过竖向和水平向的后张预应力束予以稳定的。美国人对它的评价：是达拉斯市蓬勃发展和旺盛生命力的象征；评价结构设计是：大胆、勇敢、简单和稳固可靠。

高层建筑半径常遇到标准层可按建筑使用需要布置小柱网的体系，但底层往往需要较大的空间，甚至完全无柱的空间，因而就出现了由小跨度向大跨度转化的传力大梁（托住梁或转移层大梁）的结构体系。由于承受上部若干层周边柱的荷载，弯矩很大，如用非预应力梁则不仅会显得极为笨重，而且挠度变形也难以控制。例如，澳大利亚墨尔本的40层办公大楼，平面尺寸42 m×42 m，中间为筒体，四根角柱尺寸均为4 m×2 m，底层要求有一个无周边柱的空旷大空间。采用三道预应力重型传力梁沿竖向将建筑分成三节，每道传力梁负担上面13层的荷载，梁跨4 m、高约6.0 m、宽1 m，整个建筑的水平荷载（风力）由角柱和传力梁组成的大框架和中心筒体承受。大框架内的小梁和小柱对框架起腹杆加强作用。梁混凝土用C40，每束预应力筋由109根Φ7钢丝组成，用镦头锚，每梁用14束，每束张力4 900 kN，总预加力（初始）68 600 kN。预加力分四次施加，以抵消各个阶段楼层的施工荷载。

通过以上预应力的研究与应用实例，说明预应力混凝土有如下优点：能充分利用高强钢筋和高强混凝土，减少钢筋用量和构建截面尺寸，减轻构件自重，增大跨度尺寸；一般不产生裂缝，耐久性好，扩大了构件的使用范围，并提高了构件抵御外部不良环境影响的能力；在同样的荷载条件下，预应力构件的截面尺寸可设计的比较小，节约材料，减小自重；预应力技术的发展，为装配式结构提供的良好装配、拼装手段等已被广泛应用于实际工程中。因此，我们应更加重视对预应力混凝土的研究，充分发挥预应力混凝土的优点，使其被用于实际工程中，进而造福人类。

[1]张丽华.混凝土结构[M].北京：科学出版社，2001：77-179.

[2]罗向荣.钢筋混凝土结构[M].北京：高等教育出版社，2003：138-145.