预应力混凝土结构设计方法的运用

吴潇波

摘要：建筑材料及混凝土结构承受一定强度的荷载容易出现裂缝，这是不可避免的，应用预应力可以减少有害裂缝的产生，推迟出现的时间，使整个建筑结构更稳定，日后的使用更安全牢固。在实际应用中有很多技术层面的问题需要探讨改进，不断的对结构设计进行优化，可提升建筑工程质量。城市建筑的发展促使对预应力结构设计使用要求愈发严格，目前已有完善的技术体系，根据不同建筑物特点，在设计方法上还需要改进，文章对具体施工运用进行探讨总结，促进建筑安全质量提升。

关键词：混凝土结构；预应力结构设计；运用方案

一、预应力混凝土技术的主要优点

传统混凝土结构的建筑物，当材料受到来自外部的负载压力时，会产生一个与之相反的力，容易造成钢筋材料结构变形刚度减弱。在受到这种破坏力前，对材料施加预应力，在其投入使用中受到的负载压力没有超过预应力的强度，结构就不会出现裂缝。由于结构重力作用是永久的，而预应力结构相对整体建筑物要小很多，所以不可完全解决形变裂缝出现，只是推迟时间。这种结构的设计需要精准的计算，预知负载压力的大小和作用方向。它的优点诸多，可提升结构的刚度，节省材料，相比传统结构，这种设计的建筑物本体重量小，对基层的压力也随之减小。可削弱作用在承重墙体上的剪力。这种设计主要使用在结构连接上，促进横跨区域大的构件更稳定，减少钢筋发生形变的可能性，而且周围混凝土结构也不容易出现松落现象。在设计过程中经过严格的分析计算，更科学合理，符合施工场地环境特点，节省了工程进展中的修补时间，从多个方面减少造价支出，应对自然灾害时，结构更稳定不容易出现坍塌现象。

二、预应力结构特征及分类

1、现代预应力结构的特征

与普通的混凝土相比，预应力砼材料的渗透性和强度都要有进步。能够与作用力相抵消，减小连接面的面积。具有很强的结构平稳性。在建筑物投入使用之前，先作用一个向内的压力，原结构的体积就不需要增加，在计算中将这部分力加到结构强度中。在结构内部受到的拉力范围区域，预应力混凝土会形成一个压力，存储下来，当承重墙体受到荷载时首相会和这部分预存力相抵消，剪力持续增大后才会作用到内部。由于预应力结构要经过严格的计算，所以工序繁琐，相比普通结构用到的材料级别更高，在施工技术上还有造价成本上都要付出更多。

2、预应力混凝土的分类

从结构功能将预应力混凝土分为全预应力、部分预应力两种。前者要求被保护的建筑不允许出现产生拉应力的结构组成，要将作用的力完全抵消，钢筋材料不能产生弯曲和裂痕，要求刚度大。相比之下后者允许出现细小的变动和裂痕，但是要控制在允许范围内。建筑工程中，预应力结构的使用收到了优良的效果，预应力混凝土可以在刚度上使构件得到明显的提升，尤其是抗裂能力的提升，扩大了构件的使用范围。根据设计过程以及施工工艺的不同，预应力混凝土可以分为全预应力、部分预应力、有粘结和无粘结预应力、线和环预应力、体内和体外预应力以及预制、现浇以及组合式结构等。

三、预应力混凝土结构设计的施工技术

1、合理选择预应力钢筋布筋曲线及布筋方案

基于建筑有梁大板结构的布筋曲线及设计方案较为清晰简单的特点，本文主要针对无梁大板结构预应力的布筋曲线及设计方案进行深入分析。一般意义上讲跨中及支座以抛物线的方式规律分布正负弯矩，因此其预应力钢筋的分布形式也应按此规律进行设计。然而在无梁大板结构中或不等跨度结构中，其负弯矩一般仅集中分布于梁柱附近的很小范围内，且一些负弯矩会晋升为正弯矩，因此在预应力钢筋设计中我们应注意防控其在该区域内的弯起不利影响。在布筋形式的选择中我们应尽量在柱區域近处的负弯矩处小部分弯起其预应力筋，并控制其在跨中较大区域范围内的预应力筋保持不变。对于该类控制要求设计者应在图纸中进行详细说明，避免施工中引发在预应力钢筋的布筋曲线环节出现错漏现象。另外对于边跨板类型的预应力钢筋布筋设计我们应依据板的结构及受力特点摒弃以往四段抛物线的布筋形式设计，而合理的采用二段或三段抛物线布置形式。这是由于通常的四段形式经常造成在边跨梁附近产生较大的应力从而导致板区域再次的抗裂性能无法达标。

2、大跨度悬臂梁板的结构设计

基于预应力结构技术的特性，其较适用于解决大跨度的悬臂梁板的合理结构设计，然而这个适应度应遵循一定的范围，倘若超过跨度范围，随着其悬挑长度值的持续增加，则悬臂梁板所需的设计高度及耗费的预应力钢筋材料数量则会明显增加，反而会造成工程建设成本的变相提升，因此为了有效杜绝这一超值现象我们应遵循科学的结构设计原则，并重点控制悬挑长度距离。一般来讲悬臂板跨度距离应控制于4米以下，而悬臂梁跨度则应控制在5米以内为宜。悬臂梁板的科学设计旨在合理的控制、强化悬臂梁板根部拉应力及其结构挠度，而随着悬臂梁板跨度的不断增加，预应力钢筋的用量则会明显持续增多，在这一时期，我们应确保悬臂梁板中压应力的范围，不应令其过大，一般以每平方米不高于3.5KN为宜。同时为了有效实现降低结构自重的目标，我们应用截面形式体现悬臂梁的结构尺寸，并在其根部作加腋处理。另外适当增多承担悬臂板荷载的明梁配筋用量也是十分必要的。基于悬臂梁板的预应力钢筋布筋曲线常常采用平行直线、斜向直线或抛物线的形式进行布设的现状，笔者认为我们在设计及施工实践中应采用便利的斜向直线构建方式，并令预应力钢筋的端部适当的延伸至其中轴线部位形成有效的张拉作用。

3、预应力框架的张拉及其固定端施工设计

在结构设计中，框架梁的张拉应力及其固定端均分布于梁柱的节点区域中，在此区域内，柱筋、梁筋及一些局部压力的钢筋会错综复杂的交织在一起。这样不仅令柱、梁等结构钢筋容易出现移位的现象，从而影响框架结构的承载能力，同时还会令分布于此区域内的混凝土难于通过浇捣方式提升密实程度，令各项施工环节难于开展，并使结构质量无从保证。因此我们应合理的设计结构改进方式，令复杂的施工进程得到有效的完善。首先，我们可令预应力的钢筋延伸超过其节点区域，同时在梁中实施必要的锚固与张拉处理。面对预应力钢筋布设较多、较复杂的状况我们可分期、分批、分段的进行张拉锚固处理，合理确保各项处理的间距保持在1m以上，并利用变角器为斜槽的张拉预留起到良好的规范处理作用，当然该种处理方式会在施工材料的用量上造成一定的浪费。当位于梁柱节点区域的预应力钢筋发生柱边张拉现象时，我们应在每层混凝土的浇灌柱环节控制浇筑顶高度在相应层高的300mm位置左右，从而合理确保梁预应力钢筋实现尽快的张拉反应以降低梁拆模的响应时间，合理提升施工效率。该种设计方式具有一定的施工难度，需要施工人员具有较高的专业素质与施工技能，从而密切的配合结构设计要求。

小结：预应力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，将预应力结构的研究和应用推向一个新的高度。

参考文献：

[1]陶桦铭.预应力混凝土结构工程[J].科技通报.2013（02）

[2]何相如.超长预应力平板施工工法的探讨[J].建筑知识.2012（04）