我國預應力混凝土技術的發(fā)展與展望

　　（一）房屋建筑中的預應力砼技術發(fā)展歷史

　　五十年代初，大量工業(yè)廠房和民用建筑需要興建，而結構材料，特別是型鋼和木材奇缺，由于難以解決廠房鋼結構屋蓋與鋼吊車梁的型鋼用料，迫切需要改用預應力混凝土來代替。按照預應力經(jīng)典理論，生產(chǎn)預應力混凝土必須要用高強鋼材(鋼絲和鋼筋)和高強混凝土，要用專門的張拉千斤頂、錨夾具及其配套的專用機械與零部件，而在我國當年除書本知識外，真是一窮二白，一無所有。要從國外進口，既缺外匯，又受帝國主義封鎖，而蘇聯(lián)當時也剛剛起步，在人力物力上無力對我援助。在這一艱難時刻，原建筑工程部建筑科學技術研究所(中國建筑科學研究院前身)接受了國家計委的任務，沿著自力更生、土法上馬、走不同于國外的具有中國特色的低強鋼材預應力的發(fā)展道路，開始了預應力混凝土的研究。

　　從五十年代初至七十年代末，我國房屋結構中開發(fā)研制了一整套預制預應力砼構件技術，如屋面梁、屋架、吊車梁、大型屋面板、空心樓板等，其中預應力空心板年產(chǎn)量達一千萬立方米以上。這一時期的預應力技術特點是采用中、低強預應力鋼材，采用中國特色的預應力砼張拉錨固工藝技術。

　　從八十年代初至九十年代末，房屋建筑中預應力砼技術得到巨大發(fā)展，其顯著特點是采用高強預應力砼鋼材及相應工藝技術，對整體結構施加預應力，技術水平接近發(fā)達國家先進水平。二十年間建設了一大批預應力砼工程，其中有代表性的工程有63層預應力砼樓面的廣東國際大廈；214米高的青島中銀大廈；單體預應力砼面積最大的首都國際機場新航站樓等。

　　（二）橋梁結構中的預應力砼發(fā)展歷史

　　1955年，鐵路部門研制成功我國第一片跨度12米的預應力混凝土鐵路橋梁，1956年建成28孔24米跨的新沂河大橋，從而開始了預應力混凝土技術在我國鐵路上應用的篇章。四十多年來，經(jīng)過鐵路系統(tǒng)工程技術人員的辛勤努力，預應力砼技術不斷擴大，技術水平不斷提高，制造架設跨度32米以下橋梁三萬多孔，橋梁跨度不斷突破，大跨徑橋梁不斷涌現(xiàn)，其中有代表性的工程有主跨為168米的攀枝花金沙江鐵路連續(xù)鋼構橋，頂推法施工的跨度80米連續(xù)箱梁橋杭州錢塘江二橋，此外在南昆鐵路線上新建了一大批各種類型的鐵路橋梁。

　　1957年，公路部門在北京周口店建造第一座預應力混凝土公路試驗橋，為單跨20米簡支T梁橋。1959年在蘭州建成七里河黃河橋，為7孔主跨37.5米懸臂梁橋。后又建成新城黃河橋，橋型為5孔33米T型簡支梁和孔66米系桿拱橋，奠定了我國建造預應力混凝土橋的基礎。

　　隨著我國交通運輸?shù)呐畈l(fā)展，四十多年來，公路上建造了大量預應力混凝土橋，尤以大跨徑橋梁居多數(shù)。如我國已建成主跨400以上斜拉橋七座，連續(xù)鋼構橋繼黃石大橋250米主跨后，虎門大橋達270米，主跨為世界之冠，這些橋型和其它橋型無論在跨度還是在施工方法上都已接近發(fā)達國家的先進水平。

　　城市立交橋中的預應力砼技術主要是七十年代開始起步的，目前僅北京修建的立交橋就已達200座，其中最早的立交橋是1974年建成的復興門橋，采用先簡支后連續(xù)方法施工；層次最多最高的是天寧寺立交橋；規(guī)模最大的是首都機場高速路上的四元橋。

　?。ㄈ┨胤N工程中的預應力砼技術發(fā)展現(xiàn)狀

　　預應力砼技術在我國各種工程結構領域中均得到廣泛應用，其中主要有水利工程中的邊坡加固，建筑物基坑開挖的支護等所采用的土層、巖層預應力錨桿技術，代表工程為云南漫灣水電站左岸巖質高邊坡加固和北京京城大廈深基坑支護；有豎向超長預應力砼技術的應用，代表性工程有中央、天津、南京、上海等電視塔的預應力砼技術；有環(huán)形預應力砼技術的應用，代表性工程有阿爾及利亞球形水塔，秦山、大亞灣核電站安全殼，柴里煤礦煤倉，各種圓形及蛋形污水處理池，各種輸、排水管道；有超重、超高物體提升預應力砼技術，代表性工程有北京西客站主站房大跨鋼梁提升、上海歌劇院鋼屋蓋提升、虎門大橋鋼箱梁節(jié)段提升等。

　　二、我國預應力砼發(fā)展過程中的主要成就

　?。ㄒ唬╊A應力材料技術的突破

　　1、冷拉鋼筋技術

　　五十年代中期，我國研制成功有中國特色的冷拉鋼筋預應力砼成套技術，主要有鋼筋冷拉工藝、設備、錨固技術及冷拉鋼筋物理力學性能的研究，冷拉鋼筋制作預應力砼構件的生產(chǎn)工藝，冷拉鋼筋預應力砼構件性能研究及設計方法。

　　2、冷拔鋼絲技術

　　六十年代前后，我國研制成功冷拔低碳鋼絲預應力成套技術，生產(chǎn)預制預應力空心樓板，由于冷拔絲費用低廉、工藝簡單，預應力空心樓板在全國得到廣泛應用。

　　3、中強預應力筋技術

　　七十年代初期至八十年代中期，我國相繼開發(fā)出熱軋低合金預應力鋼筋、熱處理預應力鋼筋和精軋螺紋預應力鋼筋，進一步促進了我國預應力技術的發(fā)展。

　　4、高強預應力鋼絲、鋼絞線技術

　　八十年代以后，我國相繼從國外引進了十多條低松弛、高強度預應力鋼絲、鋼絞線生產(chǎn)線，生產(chǎn)能力目前己達到年產(chǎn)量三十萬噸，這一技術的引進極大地促進了我國預應力工程技術的發(fā)展。

　?。ǘ╊A應力砼工藝技術的突破

　　1、預應力砼張拉錨固技術的發(fā)展

　　六、七十年代，我國研究開發(fā)了多種中低強度預應力砼筋張拉錨固技術，主要有螺絲端桿錨固技術、高強鋼絲敏頭錨體系、JM錨體系、弗氏錨體系等。七十年代中期，編制出版了常用預應力砼錨夾具定型圖冊。

　　八十年代中后期，我國技術人員跟蹤國際先進水平，成功地開發(fā)了預應力砼鋼絞線群錨張拉錨固體系，較好地解決了預應力砼施工中的關鍵技術，特別是大噸位(200——10000kN級)預應力砼錨具及配套張拉設備，達到了國際先進水平，1988年該成果被《科技日報》評選為1987年度全國十大科技成就之一。

　　2、無粘結預應力砼成套技術

　　八十年代中期，我國開發(fā)研制成功的無粘結預應力砼筋涂包設備、單根鋼絞線張拉錨固設備、無粘結預應力砼結構設計技術規(guī)程等配套技術，促進了我國建筑工程中現(xiàn)澆預應力砼結構的發(fā)展。近二十年來，無粘結預應力砼結構累計推廣使用面積達到一千萬平方米以上，出現(xiàn)了一大批有代表性的、達到國際先進水平的工程項目。

　　3、斜拉索產(chǎn)品成套技術

　　八十年代中期，我國開始興建大跨度預應力砼斜拉橋，為解決工程需要，上海浦江纜索廠與多家科研設計單位配合，建成了我國最大的斜拉橋纜索成品生產(chǎn)線，使我國的斜拉橋技術達到世界領先水平。

　　(三)設計理論及標準規(guī)范的發(fā)展

　　早期的預應力混凝土結構設計理論是按全預應力方法設計，八十年代初期以后，發(fā)展了部分預應力砼設計理論，目前預應力砼工程相應的規(guī)程規(guī)范已基本配套。主要有材料方面的預應力混凝土用鋼絲、鋼絞線標準；無粘結預應力砼筋標準；專用油脂標準；預應力砼筋用錨具、夾具、連接器產(chǎn)品標準及應用技術規(guī)程；各種預應力砼設備及產(chǎn)品標準；各種結構設計及施工規(guī)范。

　　（四）工程應用取得重大突破

　　房屋結構方面，63層的廣東國際大廈采用了無粘結預應力砼樓蓋技術；珠海機場候機樓和首都國際機場新航站樓采用了大面積無粘結預應力砼技術；首都國際機場停車樓采用了雙向大柱網(wǎng)、大面積超長度有粘結預應力砼技術。

　　橋梁結構方面，上海楊浦大橋(跨度602米)等七座跨度400米以上的斜拉橋，代表我國斜拉橋技術已進入世界領先水平；連續(xù)鋼構橋繼黃石大橋250米主跨后，虎門大橋達270米主跨，為世界之冠；主跨168米的攀枝花金沙江橋和錢塘江二橋等鐵路橋表明我國的鐵路橋預應力砼技術已達到世界先進水平。

　　特種工程結構方面，秦山、大亞灣核電站安全殼，上海、北京電視塔，阿爾及利亞預應力混凝土球形水塔等一批高難度、高水平的特種結構預應力砼技術，表明我國預應力混凝土技術應用范圍極為廣泛、技術水平十分先進。

　　三、我國預應力砼技術發(fā)展展望

　?。ㄒ唬┬虏牧霞夹g開發(fā)應用

　　預應力砼材料技術的發(fā)展從來都是預應力砼技術革命的先驅，預應力砼筋除了目前使用的高強度鋼材外，未來新型預應力砼筋應是強度高、自重輕、彈性模量大的聚碳纖維、玻璃纖維和聚醋纖維類非金屬預應力砼筋。

　?。ǘ╊A應力砼技術在我國房屋建筑中將扮演重要角色

　　1、預應力混凝土在多層大跨結構中的發(fā)展方向

　　建筑業(yè)是我國國民經(jīng)濟重要支柱產(chǎn)業(yè)之一，旺盛的建筑需求，日新月異的生產(chǎn)工藝變革以及人們對物質文化生活需求的迅速提高，使建筑結構正面臨新的挑戰(zhàn)。近代建筑結構正在向大柱網(wǎng)、大開間、大跨度、多功能方向發(fā)展，人們總想在有限的建筑面積和空間內(nèi)獲得最好的使用功能和最佳的投資回報。預應力混凝土正以其跨度大、自重輕、節(jié)約材料、節(jié)省層高、改善功能等突出優(yōu)點，迎合了近代建筑結構的發(fā)展趨向。經(jīng)驗證明，8～18m柱網(wǎng)(或跨度)的房屋正處于預應力混凝土建筑結構經(jīng)濟跨度范圍內(nèi)，對于大多數(shù)多層工業(yè)廠房，各類公共建筑如文化娛樂建筑、體育建筑、醫(yī)療建筑、商業(yè)建筑、辦公建筑、航站建筑等，預應力混凝土結構常常是最佳的選擇，它不僅有良好的技術和經(jīng)濟指標，而且能明顯加快施工速度。建設部、科技部均將其列入“九五”及2010年發(fā)展綱要中的新技術推廣項目。

　　2、高層建筑結構中預應力混凝土技術發(fā)展方向

　　近年來，預應力混凝土在高層建筑中的應用有很大發(fā)展，尤其是無粘結預應力混凝土平板和預應力砼扁梁用于高層建筑的樓蓋，具有降低層高，簡化模板，加快施工等明顯效果，受到建設單位、設計和施工單位的普遍歡迎。預應力混凝土除用于樓蓋外，有時還用來解決大跨度、大空間部位柱網(wǎng)轉換時的轉換梁、轉換桁架，以及復雜柱網(wǎng)情況下的轉換板。此外8~l8m跨度的預應力混凝土空心板，外墻用的裝飾保溫復合預應力混凝土墻板在高層建筑中的應用前景也很廣闊。目前，高層建筑的外墻材料大都是紅磚、小型砌塊、實心混凝土或玻璃幕墻等，墻體材料的改革勢在必行。

　　3、預制現(xiàn)澆相結合的裝配整體式結構將加速發(fā)展

　　先張法預制預應力混凝土構件具有工廠化規(guī)模生產(chǎn)的各種優(yōu)點，如質量控制水平高，構件耐久性好，模板周轉率高，損耗?。慌c現(xiàn)場澆注的后張法預應力混凝土相比，省去了留管灌漿工序或無粘結束的注油擠塑工序，省去了管道費用、涂包費用和錨具費用。在道路及運輸?shù)跹b條件較好，運距不太大(200公里以內(nèi))的情況下，預制構件常常有良好的技術經(jīng)濟指標。先進工業(yè)化國家中，預制先張預應力混凝土的比例很高，美國占70%~80%，法國、德國約占60%。現(xiàn)代的預制工業(yè)，是一項極具發(fā)展?jié)摿Φ墓I(yè)?，F(xiàn)代化預制廠的主要生產(chǎn)過程均由計算機控制，高素質的技術工人和高效率施工機械與管理模式保證了產(chǎn)品的高質量，現(xiàn)代預制工業(yè)已擺脫了構件品種、規(guī)格單一，建筑與結構功能脫節(jié)的舊模式。很多工業(yè)發(fā)達國家的預制構件已能將建筑裝飾的復雜、多樣性以及保溫、隔熱、水電管線等多方面的功能，與預制混凝土構件結合起來，滿足用戶各種要求，又不失工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)的高效率。我國目前在這方面的差距很大，國內(nèi)房屋建筑中最大量的預制構件仍是6m跨以下的空心樓板，工業(yè)建筑中的屋架、吊車梁、屋面板等。隨著大柱網(wǎng)、大開間多層建筑和高層建筑迅猛發(fā)展，長跨預應力砼空心板、T形板、大型預應力砼墻板等必將逐步興起，預制梁板現(xiàn)澆柱，或預制梁、板、柱與現(xiàn)澆節(jié)點相結合的各種裝配整體式建筑結構體系預期會迅速發(fā)展，這種結構體系可以把預制與現(xiàn)澆二者的優(yōu)點結合起來，避免純裝配式建筑對產(chǎn)品尺寸的高精度要求，結構整體性差和節(jié)點耗鋼量大等缺點，又避免了現(xiàn)澆結構現(xiàn)場濕作業(yè)工程量大，受制于現(xiàn)場施工及氣候條件，耗用大量模板、支撐等缺點。在材料消耗上，預制也有顯著優(yōu)點，以8~12m跨度的預應力長跨空心板為例，與無粘結預應力砼現(xiàn)澆平板相比，一般可節(jié)約混凝土30%~40%，節(jié)約鋼材50%~60%，免去涂包和錨具費用，減輕樓面結構自重10%~15%，節(jié)省模板、支撐等，經(jīng)濟效益十分顯著。

　?。ㄈ┢渌Y構領域的發(fā)展趨勢

　　橋梁結構領域中，預應力技術既是一種結構手段，又是與施工方法結合形成一整套以節(jié)段式施工為主體的預應力施工工法或專利，主要有預應力懸臂分段施工技術、分段頂推施工技術、移動模架逐孔施工技術、塊體節(jié)段拼裝技術、大節(jié)段預制吊裝技術等。這些施工技術與預應力技術是緊密相關的?，F(xiàn)有橋梁的改造、加固技術亦是研究開發(fā)方向。

　　預應力技術的其它應用也體現(xiàn)了一種施工方法或專利技術，如預應力錨桿技術、重物提升技術、滑模頂推技術等，預應力技術的合理應用可創(chuàng)造一種新型施工方法或專利技術，這亦是它的發(fā)展趨勢。

　?。ㄋ模┰O計理論將有重大進展，預應力混凝土結構的可靠性、耐久性和經(jīng)濟性更為協(xié)調一致

　　我國當前的預應力混凝土房屋建筑設計水平相對還比較低，急待完善與提高，主要表現(xiàn)在：結合預應力混凝土特點對結構的整體布局，概念設計、方案對比、綜合技術經(jīng)濟效益的分析研究薄弱，設計理論上過分強調了裂縫對耐久性的危害，對某些預應力砼結構的抗裂要求過嚴，造成用鋼量的顯著增加，而對影響耐久性的其它更重要因素如保護層厚度，以及灌漿質量控制，無粘結的全長密封，尤其是錨具封端的嚴格要求則重視不夠。結構分析方面，則常常把普通鋼筋混凝土結構的設計準則不適當?shù)靥子玫筋A應力混凝土高層建筑結構，例如剪力墻框架結構中，由預應力平板與柱構成的等代框架，以及由預應力扁梁、柱構成的框架，由于預應力配筋的方向性以及耗能特點，通常不宜考慮承受過大的地震內(nèi)力，對這類結構的設計準則應有所區(qū)別，但目前有關的規(guī)范還都未涉及，有待補充與完善。隨著我國預應力混凝土設計隊伍的壯大和設計水平的提高，相信在不久的將來，我們將會在一些重大設計理論問題上取得共識，實現(xiàn)可靠性、耐久性和經(jīng)濟性的協(xié)調一致。

　?。ㄎ澹╊A應力工藝將進—步完善，專用產(chǎn)品質量提高

　　盡管我國已能大批量生產(chǎn)高強鋼材、錨具和各類預應力混凝土用專用機具，但就其質量的穩(wěn)定性、耐用性及配套性以及預應力工藝水平而言，與國際先進水平尚有不少差距。預應力混凝土由于其鋼材長期處于高應力狀態(tài)和材料對機械操作或腐蝕的高度敏感，更值得引起我們對產(chǎn)品質量和施工工藝問題的關注。英國公路局于1992年9月曾下令暫停在新的橋梁工程中使用后張灌漿預應力混凝土橋，曾引起國際工程界的巨大震動，直到1996年新標準出臺后才予以恢復。國際上對后張灌無粘結預應力混凝土的耐久性以及與保證質量相關的工藝技術均給予高度重視。我國應加強與國際學術界、工程界的交往，廣泛吸取他人的有益經(jīng)驗。英國新標準預留管道采用不導電、抗腐蝕且耐久的高密度聚乙烯或聚丙烯塑料波紋管替代金屬波紋管，以便提供預應力束的多道空氣和水的絕緣屏障，并對灌漿更高要求。國外對無粘結筋的防腐蝕要求、全封閉要求和構造細節(jié)、質量標準也都很嚴格，這方面我國還有許多工作要做，質量有待提高。錨具的生產(chǎn)許可證制度也勢在必行。

　?。I(yè)預應力砼工程公司將集團化、國際化，施工技術和管理水平大大提高

　　預應力砼專業(yè)化施工已勢在必行。我國目前尚處在初級階段，現(xiàn)有的專業(yè)隊伍，絕大多數(shù)技術水平仍然不高，僅僅懂得一般的張拉操作。今后我國應該發(fā)展大型專業(yè)預應力砼工程公司，它不僅有自己的預應力砼專用產(chǎn)品和配套的質量保證體系，有整套的預應力砼專業(yè)施工技術和現(xiàn)場服務體系，還應具有研究、產(chǎn)品開發(fā)和預應力混凝土結構設計與施工的高水平咨詢能力。發(fā)展大型集團公司對促進我國預應力混凝土技術的完善和發(fā)展，促進產(chǎn)業(yè)化，提高工程質量和降低成本，適應市場的國際化趨勢，增加競爭能力都是十分必要的。再經(jīng)過十余年努力，我國應樹立起自己的國際名牌預應力體系，建立起能參與國際投標競爭的高水平預應力砼專業(yè)公司。