预应力混凝土结构发展综述_刘岩

在房屋建筑方面， 北京首都机场新航站楼工程全 面采用了预应力结构， 基础为整体预应力平板片筏基
刘岩
力框架、剪力墙体系和预应力 板 柱 、剪 力 墙 体 系 ， 仅 无 粘 结 预 应 力 钢 筋 量 就 达 ４０００ 余 ｔ， 堪称本世纪国内最大的预应力工程之一。
预应力混凝土结构按其受力状态分为有粘结预应 力结构和无粘结预应力结构两大类。
有 粘 结 预 应 力 结 构 是 指 结 构 、构 件 或 块 体 制 作 时 ， 在放置预应力筋的部位预先留出孔道， 待混凝土达到 设计强度后， 在孔道内穿入预应力筋进行张拉即施加 预应力， 张拉完毕进行锚固， 最后在孔道内灌浆， 使预 应力钢筋和混凝土之间产生粘结力。
混凝土材料的强度容重比一般较低， 随着预应力 混凝土结构跨径的不断增大， 自重也随之增大， 导致结 构的承载能力大部分耗于抵抗自重内力， 故追求更高 的强度容重比是混凝土材料发展的目标之一。虽然兼 有高强度和低容重混凝土的研究进展缓慢， 但其显著 的优越性已受到各国的重视。
预应力混凝土结构所采用的混凝土必须具有高 强 、轻 质 和 高 耐 久 性 。 高 强 混 凝 土 具 有 强 度 高 、耐 久 性 好、变形小等优点。在高层建筑、大跨 度桥梁、海上平 台 、漂 浮 结 构 等 工 程 中 显 示 出 其 独 特 的 优 越 性 ，在 工 程 安 全 使 用 性 、经 济 合 理 性 、环 境 条 件 的 适 用 性 等 方 面 产 生了明显的效益。现在实验室里已能制造出强度 ２００ＭＰａ 的混凝土， 世界各国目前正致力于将高强混凝 土的研究成果编入设计规范 。１９８９ 年挪威新 ＮＳ５４７３ 中对普通密度混凝土的抗压强度限值已达到 １０５ＭＰａ， 轻质混凝土为 ８５ＭＰａ。我国 ＧＢ５００１０－ ２００２《混凝土结 构设计规范》， 最高混凝土强度等级已达到 Ｃ８０。高强、 轻质混凝土材料的广泛使用为预应力混凝土结构的发 展提供了广阔的空间。 ３．２．２ 预应力筋
可见， 预应力混凝土结构在今天已经成为土木工 程领域中重要的结构形式， 并且还将进一步发展。 ３ 国内外对预应力混凝土结构的研究现状
美国混凝土学会（ ＡＣＩ） 对预应力混凝土的定义是： “预应力混凝土是根据需要人为地引入某一数 值与分 布的内应力， 用以部分或全部抵消外荷载应力的一种 加 筋 混 凝 土 。 ”下 面 从 预 应 力 混 凝 土 在 结 构 型 式 、新 材 料应用、设计理论和施工工艺等方面介绍预应力混凝 土结构的研究现状。 ３．１ 预应力混凝土结构型式
无粘结预应力结构指结构、构件或块体制作时， 把 预先组装好的无粘结筋在浇注混凝土之前， 同非预应 力筋一道按设计要求铺放在模板内， 或留置孔道， 浇筑 构件后穿入无粘结筋， 待混凝土达到一定强度后， 利用 无粘结筋与周围混凝土不粘结， 在结构内可作纵向滑 动的特性， 进行张拉锚固， 借助两端锚具， 达到对结构 产生预应力的效果。
体外预应力混凝土结构是后张预应力体系的分 支， 是将预应力筋布置在混凝土截面以外施加预应力 的一种结构体系， 需要保证较高的可靠度和耐久性； 它 又分为有粘结体外预应力和无粘结体外预应力两种体 系， 近年来成为预应力技术发展的热点［４］。
近 ２０ 年来， 有粘结预应力结构在大规模工程应用 中逐步走向成熟； 无粘结预应力结构的应用在不断扩 大； 体外预应力结构也得到了较为迅速的发展。 ３．２ 预应力混凝土结构新材料 ３．２．１ 混凝土
在预应力高强混凝土管桩方面（ 简称 ＰＨＣ 桩） ， 日 本采用量很大， 其用量占整个基础用桩量的 ８０％以上， 美国、德国、意大利、前苏联以及东南亚地区已大 量发 展和生产使用。前苏联预应力管桩直径达 ５ｍ， 管长 ６￣ １２ｍ， 壁厚为 ８￣１４ｃｍ。管桩为方桩混凝土用量的 ７０％， 省钢材 ３０％￣５０％， 价格约为钢桩的 １／３。近年来广东省 广 泛 生 产 应 用 了 !３００ｍｍ～!４５０ｍｍ 预 应 力 高 强 混 凝 土管桩（ ＰＨＣ 桩） ， 其混凝土强度等级为 Ｃ８０， 有效预压 应力≥４．９１ＭＰａ。
在桥梁方面， 预应力混凝土连续梁桥跨度最大的 是 ９２ｍ 的瑞士摩塞尔大桥。英国用悬臂法施工的箱形 桥梁跨度最大的达 ２４０ｍ。
在特种结构方面， 加拿大建成储存 １２０００ｔ 水泥烧 结料后张预应力圆形筒仓， 内仓直径 ６５．２ｍ。挪威在北 海 ２１６ｍ 水 深 处 建 造 了 格 尔 法 克 斯 Ｃ 形 采 油 平 台 ， 油 罐 底 部 面 积 达 １６０００ｍ２， 总 高 ２６２ｍ， 在 油 罐 壁 、底 板 、 环梁与裙壁板均水平施加预应力， 这是世界上最大的 混凝土平台。高度为 ４６８ｍ 的上海东方明珠塔、北海的 石油开采平台都是国内外著名的高大精尖结构。
预应力技术在我国桥梁工程中发展较快， 尤其是 在 ２０ 世纪 ６０￣７０ 年代， 公路与铁路桥梁大量采用标准 化的后张法预制预应力混凝土梁， 跨度开始为 ２４ｍ， 后 来扩大到 ４０ｍ。到 １９８０ 年为止， 我国已建成这类桥梁 １５０００ 孔以上。后来， 我国修建的各类大桥几乎全部采 用了预应力技术［４］。
２００８ 年第 ３ 期 ６月
混凝土与水泥制品 ＣＨＩＮＡ ＣＯＮＣＲＥＴＥ ＡＮＤ ＣＥＭＥＮＴ ＰＲＯＤＵＣＴＳ
２００８ Ｎｏ３ Ｊｕｎｅ
预应力混凝土结构发展综述
刘岩 （ 仲恺农业工程学院城市建设学院， 广州 ５１０２２５）
摘 要： 从 预应 力混 凝土结 构的 发展 历史 、研究现 状和 设计 理论 等 方 面 阐 述 了 预 应 力 混 凝 土 结 构 的 发 展 概 况 ， 并 对 预 应 力 混凝土结构的发展前景进行了展望。
在 我 国 水 工 结 构 、海 工 结 构 、港 口 码 头 以 及 特 种 结 构中， 预应力技术也得到了广泛的应用。目前预应力混 凝土结构已成为我国工程建设领域中的一种主要结构 型式。 ２ 预应力混凝土结构的发展现状
预应力混凝土发展到今天， 不仅应用于桥梁 、轨 枕、电杆、桩、压力管道、贮罐， 而且在高层、高耸、大 跨 等结构中广泛应用， 几乎所有大型土木工程中都有预 应力混凝土结构的踪影。
第二次世界大战后， 由于钢材的紧缺， 预应力混凝
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土结构大量代替钢结构以修复被战争破坏的结构， 预 应力混凝土结构在世界范围内得到了蓬勃发展和广泛 应用， 其应用范围从早先的桥梁与工业建筑发展到了 后 来 的 民 用 建 筑 、公 共 建 筑 、地 下 建 筑 、海 港 码 头 、水 利 水电工程等几乎所有的土木工程领域。１９５０ 年成立的 国际预应力混凝土协会（ ＦＩＰ） 更 是 促 进 了 世 界 各 国 预 应力技术的发展［３］。
我国的预应力混凝土结构起步较晚， 是在 ２０ 世纪 ５０ 年代发展起来的。１９５４ 年铁道部推行采用预应力的 混凝土轨枕， １９５５ 年丰台桥梁厂开始试制 １２ｍ 跨度的 桥梁， 从此， 预应力技术开始在全国范围内推广应用。 在房屋建筑中， 常见的预制预应力构件有 １２～１８ｍ 屋 面梁、１８～３６ｍ 屋架、６～９ｍ 屋面板、６～２０ｍ 吊车梁、１２～ ３３ｍＴ 形梁、Ｖ 形板和各种壳板等。８０ 年代后， 预应力 混凝土结构在我国房屋建筑领域得到了越来越广泛的 应用。
预应力混凝土结构必须采用高强度且有一定塑性 性能的钢材。目前能满足塑性性能要求的钢材的极限 强度为 １８００～２０００ＭＰａ。钢材的低松弛性也是预应力钢 筋的重要技术指标。虽然预应力钢材的本身性质无重
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混凝土与水泥制品
总第 １６１ 期
大进展， 但在耐久性、新材料预应力筋和大吨位预应力 锚具及张拉设备方面均有所发展。
１８６６ 年 美 国 工 程 师 杰 克 逊 （ Ｐ．Ｈ．Ｊａｃｋｓｏｎ） 及 １８８８ 年 德 国 的 道 克 林 （ Ｃ．Ｅ．Ｗ．Ｄｏｃｈｒｉｎｇ） 首 先 把 预 应 力 用 于 混凝土结构， 但这些最初的运用并不成功， 低值的预应 力很快在混凝土徐变和收缩后丧失［２］。
预应力混凝土的现代发展应归功于法国工程师弗 莱西奈特（ Ｅ．Ｆｒｅｙｓｓｉｎｅｔ） 。１９２８ 年弗莱西奈特指出， 预应 力混凝土必须采用高强钢材和高强混凝土。这一结论 是预应力混凝土在理论上的关键性突破， 从此， 人们对 预应力混凝土的认识开始逐步深入， 但对于预应力混 凝土的施工工艺， 当时仍未解决。１９３８ 年德国的霍友 （ Ｅ．Ｈｏｙｅｒ） 研 究 成 功 靠 高 强 细 钢 丝 （ 直 径 ０．５￣２ｍｍ） 和 混凝土之间的粘结力而不靠锚头传力的先张法， 可以 在 百 米 的 墩 式 台 座 上 一 次 同 时 生 产 多 根 构 件 。１９３９ 年， 弗莱西奈特研究成功锚固钢丝束的弗式锥形锚具 及其配套的双作用张拉千斤顶。１９４０ 年， 比利时的麦 尼尔（ Ｇ．Ｍａｇｎｅｌ） 研究成功一次可以同时张拉两根钢丝 的麦氏模块锚。这些成就为推广先张法与后张法预应 力混凝土提供了切实可行的生产工艺。
随着预应力结构设计使用年限的延长和预应力结 构用于不利环境越来越多， 预应力结构的耐久性问题 逐步反映出来， １９８５ 年在英国就曾发生因预应力筋腐 蚀引起的桥梁倒塌事故。预应力钢筋采用外涂环氧层 以免遭腐蚀是增强其耐久性的一项重要措施。 然而， 环氧涂层仅起到防锈作用， 并不能替代对钢筋的整体 防护。
大量工程实践表明， 一些使用期限较长的混凝土 结构在不利环境中破坏的原因， 并不是混凝土强度引 起的， 而是混凝土耐久性的问题。高性能混凝土是一种 新型的高技术混凝土， 高性能混凝土不只是高强混凝 土， 是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上采用现 代混凝土技术制作的混凝土， 它以耐久性作为设计的 主要指标， 针对不同用途要求， 保证混凝土的适用性和 强 度 并 达 到 高 耐 久 性 、高 工 作 性 、高 体 积 稳 定 性 和 经 济 性［５］。１０ 多年来， 法国、日本、挪威、美国、中国等各国对 高性能混凝土技术进行了大量的研究， 取得了丰硕的 成果， 并在工程实践中得到推广应用。随着推广应用范 围的扩大、社会效益和经济效益将日益显著。