淺談我國(guó)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)面臨的問(wèn)題

1,前言

      我國(guó)推廣預(yù)應(yīng)力混凝土已有四十多年的歷史， 但普及程度不高，熟悉業(yè)務(wù)的專(zhuān)業(yè)人才不多，即使是一些甲級(jí)大設(shè)計(jì)院，迄今仍只有少數(shù)幾個(gè)專(zhuān)業(yè)工程人員，與60 年代相比，進(jìn)展不大。為什么難普及？原因很多，但最主要的是預(yù)應(yīng)力混凝土學(xué)科比較復(fù)雜，涉及領(lǐng)域有高強(qiáng)材料、生產(chǎn)工藝、機(jī)械設(shè)備、設(shè)計(jì)與施工等專(zhuān)業(yè)，而且這些技術(shù)交織在一起很難分開(kāi)，要掌握完整的學(xué)科知識(shí)，難度的確較大。在實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中，國(guó)外多采用專(zhuān)業(yè)分工與合作的方式進(jìn)行。例如預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土房屋的設(shè)計(jì)應(yīng)與預(yù)制工廠合作；現(xiàn)澆后張預(yù)應(yīng)力混凝土房屋的設(shè)計(jì)應(yīng)與后張技術(shù)專(zhuān)業(yè)公司合作進(jìn)行設(shè)計(jì)。因此預(yù)應(yīng)力混凝土的大學(xué)教材，都比較簡(jiǎn)單，著重于學(xué)習(xí)預(yù)應(yīng)力混凝土的原理、基本概念與簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)計(jì)算方法及結(jié)構(gòu)應(yīng)用，使讀者能獲得一個(gè)對(duì)專(zhuān)業(yè)的完整的基本知識(shí)。因之對(duì)設(shè)計(jì)理論與計(jì)算方法力求簡(jiǎn)單、通俗易懂，而不過(guò)分追求精確，等效荷載平衡法，名義拉應(yīng)力法的廣泛應(yīng)用亦就是這個(gè)道理。為了專(zhuān)業(yè)知識(shí)的普及與推廣，也有必要進(jìn)行知識(shí)的更新?lián)Q代。

       我國(guó)預(yù)應(yīng)力混凝土的起步比西歐大約晚1 0 年，但由大規(guī)模建設(shè)的需要，不僅發(fā)展快，而且應(yīng)用數(shù)量極為龐大。近十幾年來(lái)，在應(yīng)用高效預(yù)應(yīng)力混凝土方面取得了較大的進(jìn)展。各種橋梁結(jié)構(gòu)的型式、跨徑和施工方法都有了很大進(jìn)步。預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支架的經(jīng)濟(jì)跨度：鐵道橋架已擴(kuò)大到40m；公路與城市橋梁擴(kuò)大到50m；預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)鋼構(gòu)橋最大達(dá)270m；大跨度斜拉橋的跨徑：預(yù)應(yīng)力混凝土橋面的達(dá)432m（銅陵長(zhǎng)江大橋），鋼與混凝土結(jié)合橋面的最大達(dá)602m（楊浦大橋）。橋梁結(jié)構(gòu)當(dāng)前面臨的問(wèn)題主要是如何提高質(zhì)量，特別是耐久性問(wèn)題，而不再經(jīng)濟(jì)不經(jīng)濟(jì)、用與不用的問(wèn)題了。高效預(yù)應(yīng)力混凝土在房屋建筑中的應(yīng)用由于房屋建筑本身的特殊性，目前仍處于由低強(qiáng)鋼材向高強(qiáng)鋼材、向高效預(yù)應(yīng)力混凝土過(guò)渡的階段，出現(xiàn)現(xiàn)澆后張熱、預(yù)制先張冷的現(xiàn)象，發(fā)展很不平衡，前景也不太明朗。

2,預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土的發(fā)展

2.1,預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件

      國(guó)際上的預(yù)制標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件，種類(lèi)很多，但經(jīng)多年實(shí)踐和淘汰，認(rèn)為用途廣、經(jīng)濟(jì)性好的構(gòu)件最主要的有多孔空心板和雙T 扳兩種，用于各類(lèi)房屋的樓蓋與屋蓋。多孔空心板與實(shí)心板相比，可節(jié)約混凝土大約50％和鋼材30%。過(guò)去150～200㎜厚的板主要用于6 － 12m 跨的預(yù)制或有現(xiàn)澆面層的疊合樓蓋。

      用折線(xiàn)配筋先張法生產(chǎn)的雙T 與單T 板是50 年代初期從美國(guó)開(kāi)發(fā)出來(lái)長(zhǎng)跨樓（屋）蓋構(gòu)件，雙T 板常用跨度為10～25m，單T 板近年已少用。雙T 板最初的截面寬僅1.22m，肋高0.46m。”以后隨著生產(chǎn)技術(shù)和混凝土強(qiáng)度的提高，截面逐步加寬加高，以提高經(jīng)濟(jì)效率。到90 年代，最大截面加寬到3.66m，肋高加大到0.8m。當(dāng)采用3.05m寬板代替2.44m 寬板時(shí)，由于工、料、搬運(yùn)、安裝等費(fèi)用的節(jié)約，每辦板造價(jià)可大約節(jié)約17%。這兩種構(gòu)件既能代替?zhèn)鹘y(tǒng)結(jié)構(gòu)材料的大跨度樓（屋） 蓋構(gòu)件，又能充分發(fā)揮預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土的潛在優(yōu)勢(shì)，因此具有強(qiáng)大的生命力，在美、加、西歐、北歐各國(guó)久盛不衰。

2.2,預(yù)制裝配式房屋結(jié)構(gòu)有獨(dú)特的設(shè)計(jì)建造原則

      預(yù)制裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土房屋結(jié)構(gòu)有它自身的規(guī)律性和特點(diǎn)，要求采用與現(xiàn)澆混凝土房屋結(jié)構(gòu)不同的設(shè)計(jì)建造的原則。人們往往把預(yù)制裝配式混凝土房屋誤認(rèn)為只是現(xiàn)澆房屋結(jié)構(gòu)的另一種施工方法的替代產(chǎn)品，亦即預(yù)制意味著只是結(jié)構(gòu)的一部分改在預(yù)制工廠生產(chǎn)，然后再運(yùn)到施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝，使得盡可能滿(mǎn)足原來(lái)按現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求。這種觀點(diǎn)實(shí)際上是錯(cuò)誤的，和一開(kāi)始就考慮預(yù)制特點(diǎn)要求的預(yù)制方案相比，不僅設(shè)計(jì)質(zhì)量差，還會(huì)給施工帶來(lái)麻煩和困難，由于預(yù)制與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)體系各有自身的特點(diǎn)，會(huì)或多或少地影響結(jié)構(gòu)的平面布置、層高、穩(wěn)定性和靜力體系等等。為此，對(duì)預(yù)制房屋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，從一開(kāi)始就應(yīng)該根據(jù)結(jié)構(gòu)的要求與特點(diǎn)，選用相應(yīng)的預(yù)制結(jié)構(gòu)體系方案。

      預(yù)制預(yù)應(yīng)力房屋不一定全用預(yù)制，也可以用現(xiàn)澆混凝土作為梁、板、柱連續(xù)的接頭或作為現(xiàn)澆面以減輕預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸安裝時(shí)的自重，這種預(yù)制與現(xiàn)澆相結(jié)合的所謂“半裝配式”結(jié)構(gòu)兼有預(yù)制與現(xiàn)澆兩者的優(yōu)點(diǎn)，基本上排除了兩者的弱點(diǎn)， 避免了預(yù)制構(gòu)件聯(lián)結(jié)的困難，又不需要現(xiàn)饒的模板與支撐。過(guò)去許多個(gè)別設(shè)計(jì)的預(yù)制混凝土房屋或預(yù)制混凝土體系建筑之所以失敗和被淘汰，其原因就在這里。

2.3,我國(guó)預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土的發(fā)展

      我國(guó)建工部門(mén)過(guò)去采用的以低強(qiáng)鋼材為主筋的預(yù)制預(yù)應(yīng)力構(gòu)件，主要有三方面的用途。首先是用于單層工業(yè)廠房屋蓋的屋架、屋面梁和大型屋面板，第二是用于城鎮(zhèn)的多層住宅和農(nóng)村房屋樓（屋）蓋的短跨多孔空心板，第三是用于城市多層和高層住宅的小開(kāi)間大板體系建筑的墻板和樓板。上述構(gòu)件基本上都是從代用的角度發(fā)展起來(lái)的，例如以預(yù)制混凝土屋架代替鋼屋架，以多孔空心板代替木樓蓋，以解決鋼材、木材供應(yīng)的困難，并不能發(fā)揮預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土的潛力。

3,后張無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土造價(jià)偏高

3.l,預(yù)制與現(xiàn)澆、先張與后張各有合理應(yīng)用范圍

      近十幾年來(lái)，現(xiàn)澆后張結(jié)構(gòu)與單根鋼絞線(xiàn)無(wú)粘結(jié)筋的應(yīng)用已成為房建部門(mén)的熱點(diǎn)。作為填補(bǔ)技術(shù)空白、追趕國(guó)際水平，無(wú)疑這是正確的、必要的，但現(xiàn)澆與預(yù)制、后張與先張結(jié)構(gòu)、有粘結(jié)與無(wú)粘結(jié)筋的應(yīng)用，各有利弊，各有合理應(yīng)用范圍。此外，用預(yù)制先張構(gòu)件建造半裝配式結(jié)構(gòu)時(shí)， 就兼有預(yù)制與現(xiàn)澆、先張與后張的優(yōu)點(diǎn)?；旧吓懦爽F(xiàn)澆需要模板、預(yù)制構(gòu)件連接困難的問(wèn)題。

3.2,現(xiàn)澆無(wú)粘結(jié)雙向平板是國(guó)際公認(rèn)的最經(jīng)濟(jì)的大柱網(wǎng)樓板

      現(xiàn)澆無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力雙向平板是美國(guó)針對(duì)多層、高層建筑中要求采用大柱網(wǎng)樓蓋發(fā)展起來(lái)的。這種用單根張錨的無(wú)粘結(jié)鋼絞線(xiàn)筋的主要優(yōu)點(diǎn)在于噸位小，有利于在板類(lèi)結(jié)構(gòu)中分散布筋，也有利于增大預(yù)應(yīng)力筋的偏心距與抗彎力臂；張拉設(shè)備輕，施工方便。

3.3,我國(guó)現(xiàn)澆無(wú)粘結(jié)平板價(jià)格高的原因和解決辦法

      我國(guó)現(xiàn)澆后張無(wú)粘結(jié)雙向平板造價(jià)偏貴的原因在于普通鋼筋用量太多，而無(wú)粘結(jié)筋用量與國(guó)外相比差別不太大。普鋼用量大大是由于對(duì)無(wú)粘結(jié)筋耐久性的擔(dān)心，作為強(qiáng)度的第二道防線(xiàn)，因?yàn)楝F(xiàn)有工藝還不能完全滿(mǎn)足全封閉防水的要求。當(dāng)然，設(shè)計(jì)、施工缺乏經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)規(guī)章制度不全、缺少有效的監(jiān)督管理體制等等也都是原因。

     要降低普通鋼筋用量，一方面要投入力量認(rèn)真解決單根鋼絞線(xiàn)無(wú)粘結(jié)束成套裝置的全封閉防水問(wèn)題，包括張拉端和固定端錨具與束的全封閉連接做法和提高塑料套管的韌性與強(qiáng)度，并取用ф12.7㎜鋼絞線(xiàn)代替十ф15.4㎜的鋼絞線(xiàn)以減少在工程應(yīng)用中來(lái)與束的間距；另一方面，要努力學(xué)習(xí)和掌握國(guó)外設(shè)計(jì)、施工技術(shù)和有關(guān)規(guī)章制度，

     這些都是通過(guò)多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證并經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，可以直接套用，作到迎頭趕上，從而避免“從零開(kāi)始”、“前無(wú)古人”的大量重復(fù)勞動(dòng)。這些困擾無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋的問(wèn)題，應(yīng)該都會(huì)很快得到解決，無(wú)粘結(jié)筋不僅會(huì)價(jià)廉物美地大量用于平板結(jié)構(gòu)，也會(huì)較多應(yīng)用于其他結(jié)構(gòu)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的灌漿有料結(jié)后張預(yù)應(yīng)力筋。

      預(yù)加應(yīng)力的目的主要在于提高使用荷載下構(gòu)件的性狀?，F(xiàn)代預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的截面設(shè)計(jì)（包括截面形狀、尺寸和預(yù)應(yīng)力筋），國(guó)際上一般都是按使用荷載下混凝土與鋼材應(yīng)力不超過(guò)容許應(yīng)力限值確定的。這些應(yīng)力限值是材料實(shí)際強(qiáng)度的某一百分率。由于在使用荷載了混凝土和鋼材的應(yīng)力都相對(duì)較低，可以假定兩者都具有彈性性能，因此應(yīng)力的計(jì)算采用材料力學(xué)彈性計(jì)算公式是合乎邏輯的。盡管截面是以容許應(yīng)力為基礎(chǔ)確定的，但也要枚核有足夠的極限強(qiáng)度，以及校核使用荷載下的構(gòu)件撓度與抗裂性。如極限強(qiáng)度不足，可以增加普通鋼筋彌補(bǔ)。預(yù)應(yīng)力筋的初始張拉應(yīng)力可按使用荷載下要求的總預(yù)加力，通過(guò)永存預(yù)應(yīng)力（一般選用0.55～0.6fpu）反算來(lái)確定， 張拉應(yīng)力值可造當(dāng)調(diào)整以滿(mǎn)足對(duì)摩擦損失和永存預(yù)應(yīng)力的要求。上述分析，足以說(shuō)明過(guò)去我國(guó)行之有效的材料。理論與技術(shù)已時(shí)過(guò)境遷，落后陳舊。為此，對(duì)過(guò)去圍繞低強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼材發(fā)展起來(lái)的預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的設(shè)計(jì)理論、計(jì)算方法、計(jì)算公式、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、生產(chǎn)工藝與施工技術(shù)都有必要知識(shí)更新、轉(zhuǎn)變到后來(lái)用高強(qiáng)鋼材的現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力混凝土的軌道上來(lái)。為此建設(shè)從知識(shí)更新、技術(shù)改造出發(fā)，吸收國(guó)際最新理論與技術(shù)成就，編寫(xiě)新的教科書(shū)，闡述現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力混凝土系統(tǒng)理論和世界公認(rèn)的設(shè)計(jì)方法與計(jì)算方法；設(shè)計(jì)規(guī)范也要同步進(jìn)行修改，解決公式多、符號(hào)多、規(guī)定多、概念少、理論少，以及計(jì)算煩瑣，邏輯混亂，難以學(xué)習(xí)和掌握的問(wèn)題，揭開(kāi)預(yù)應(yīng)力混凝土的神秘面紗，為普及學(xué)科知識(shí)、培養(yǎng)大批預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)人才創(chuàng)造條件。