预应力混凝土结构的发展及趋势

预应力混凝土结构的发展及趋势
长沙理工大学
摘要本文对国内外预应力混凝土早期历史、发展现状进行了分析，在简要介绍了预应力混凝土的概念及工作原理的基础上，总结了预应力混凝土结构在工程中的运用及发展趋势，包括预应力混凝土在新材料、结构设计及大型建筑施工、桥梁工程等方面的发展趋势。

关键词预应力混凝土，工作原理，发展现状，未来趋势
正文
1 预应力混凝土结构的概念及工作原理
现代预应力混凝土结构是指采用高强钢材、较高强度等级的混凝土，通过先进的设计理论和先进的施工工艺建造起来的配筋混凝土结构。

现代预应力混凝土结构与传统预应力混凝土结构的区别，主要有如下几点：⑴现代预应力混凝土结构中的预应力筋是以抗拉强度标准值fptk＝1860N/mm2的φs15钢绞线为主导钢材，而传统预应力混凝土结构中的预应力筋多为冷加工钢材；⑵现代钢筋混凝土结构所用的混凝土应为C40～C60，而传统预应力混凝土结构所用混凝土多为C30左右；⑶现代预应力混凝土结构以大跨超静定结构为主，顺利实现了“预应力”由“构件”向“体系”的跨越，而传统预应力混凝土主要以预制预应力混凝土构件为主；⑷现代预应力混凝土结构的应用领域为大（大跨、大空间结构）、高（高层、高耸结构）、重（重荷载结构）、特（特种结构及特殊应用）、长（超长不设缝工程）等现代土木工程结构。

预应力混凝土结构的工作原理是通过对混凝土结构合理布置并张拉预应力筋或合理布置并顶压预弯型钢产生与外荷载效应相反的等效荷载，该等效荷载可以抵消部分或全部外荷载，使结构受到的实际剩余荷载明显减少，从而可实现当梁板跨度和所受外荷载相同时，截面尺寸明显减少；截面尺寸和所受外荷载相同时，结构跨越的跨度明显增大的目的。

2 预应力混凝土早期的发展
西欧和北美的学者，几乎花了半个世纪的努力去研究，但都由于采用了低强钢材，施加了预压应力太低、损失率太高而未获得成功。

直到1928年方由法国著名工程师弗来西奈(Freyssinet)认识到必须采用高强钢材和高强混凝土以提高张拉应力、和减少损失率之后，方获成果，因之公认他为预应力混凝土的发明人。

当时，正值二战前夕，研究进展迟缓。

1945年二战结束，西欧急需恢复战争创伤，但钢材奇缺。

尽管预应力混凝土(简称PC)理论并不成熟，但是迫于情势，在桥梁、工厂等大跨结构中，马上大规模投入使用。

美国建造的第一座直线型预应力混凝土结构是1949年开工的核桃(Wlinut Lane)桥，它是比利时麦尼尔(Magnel)教授设计的，由美国Preload公司建造，于1950年完工。

1951—1952年间，林同炎教授在旧金山设计了两座底层为无内柱大空间、用转移层的多层停车场，一座是5层的叫Lick，另一座是叫Downtown的九层停车楼。

1953年，林获得富勃拉特基金(Fullbright)的支持，作为研究教授赴比利时根特大学、在麦尼尔(Magnel)教授领导下，从事一年PC的研究。

他收集了麦氏实验室的西欧的一些资料，结合创建自己的经验，发展了PC的新概念、新理论，并撰写了一本《预应力混凝土结构设计》的教科书。

在麦的指导下，由林主持做了四根双跨连续梁的实验。

结果表明，实测值与理论计算值附和良好。

这就肯定了牛顿的静力学与材料力学完全适用于预应力混凝土的分析与设计，在此基础上，其认为可用三个不同的概念来理解、分析和计算预应力混凝土。

这三个概念是：预加应力是为了改变混凝土材性，由脆性变为弹性：预加应力是为了使高强钢材与混凝土能共同工作；等效荷载平衡
3 我国预应力混凝土发展现状综述
近年来，预应力混凝土在高层建筑结构中的应用有很大的发展，并且取得了较好的经济效益，主要体现在：无粘结预应力混凝土平板和预应力扁梁用于高层建筑的楼盖中，具有降低层高，节约钢材，简化模板，加快施工等显著的效果；预制预应力构件和现浇相结合的装配整体式高层建筑结构越来越多；随着预应力施工技术及耐久性技术的完善，一些更适合应用预应力混凝土的新结构体将得到极大的发展，如悬挂式建筑的出现。

目前我国已开发并应用了成套无粘结预应力技术，相关标准也已进行了更
新，如《无粘结预应力混凝土结构技术规程》、《无粘结预应力钢绞线》和《无粘结预应力筋专用防腐润滑脂》等标准。

在工程应用中也取得不少成就，如解决超长结构设计、楼板减轻重量、实现双向大柱网等，目前使用该技术的工程已达数千万平方米。

特别是近几年对无粘结筋防腐和耐久性的研究和改进，使该技术可用于二、三类工作环境。

我国后张无粘结预应力技术总体上达到国际先进水平。

据统计，目前，我国混凝土的年用量已经超过24亿立方米，用于房屋建筑和土木工程的水利、交通、市政等所有行业，从结构材料类型方面来讲，混凝土及预应力混凝土结构约占全部工程结构的90％以上。

混凝土及预应力混凝土将是现阶段乃至未来二十年内我国主导的工程结构材料。

4 预应力混凝土发展趋势
1.超高强混凝土结构的运用
国际上混凝土技术发展很快，先进国家的混凝土强度等级平均为C50～C60，预应力混凝土已达C70，活性粉末混凝土实验室已能配制出C800～C1000，工程中已可用到C220.为满足我国现代建筑更高的使用功能要求、更高的耐久性要求、更高的生产工艺要求，研发运用超高性能、超高强混凝土，并进行预应力超高强混凝土结构方面的开拓，这是我国混凝土及预应力混凝发展趋势
2.新材料技术开发应用
例如纤维增强聚合物（FRP）预应力混凝土、耐火性高温材料混凝土等。

近年来，国外关于粘贴纤维片材加固混凝土结构的研究及应用非常盛行，纤维增强聚合物筋（FPR筋）代替普通钢筋已引起土木科技工作者的广泛关注，纤维增强聚合物型材代替型钢已用于试点工程实践。

由于纤维增强聚合物强度很高，弹模与钢材基本持平，当结构破坏或不能正常使用时一般其强度不能得以充分发挥。

3.大型复杂预应力混凝土的施工运用
近年来，国外纷纷成立了虚拟建筑研究中心，利用计算机仿真大型复杂结构的施工全过程，让可能发生的工程事故和可能遇到的施工问题展现在虚拟（仿真）过程中，确保大型复杂工程建设的万无一失。

就预应力混凝土结构而言，其在多层、高层建筑以及巨型框架结构、悬吊结构等的施工应用将是趋势。

4.在桥梁结构领域的发展趋势
桥梁结构领域中，预应力技术既是一种结构手段，又是与施工方法结合形成一整套以节段式施工为主体的预应力施工方法或专利，主要有预应力悬臂分段施工技术，分段顶推施工技术，移动模架逐孔施工技术，块体节段拼装技术，大节段预制吊装技术等。

这些施工技术与预应力技术是紧密相关的，现有桥梁的改造、加固技术亦是研究开发方向。

近年来由乌克兰的工程师创造的新型预应力技巧是介于先张拉法和后张拉法之间的工艺，它是在浇捣混凝土尚未凝固的时候施加预应力，混凝土在压力的情况下固结。

施加这种预应力需要用特别的可滑动的模板及能把压力传给混凝土的装置。

在配筋率情况下梁的承载力进步25-34%，柱的承载力进步75%，抗裂度不变。

该方法已在重达30吨的桥梁结构中应用。

5.预制现浇相结合的装配整体式结构将加速发展
由于预制构件具有工厂化规模生产的诸多优点，如质量控制水平高、耐久性好、模板周转率高、损耗小等，从而使其具有较好的技术、经济指标。

因而，预制预应力构件和现浇相结合的装配整体式结构在现代建筑中的应用比重也越来越大，随着大柱网、大开间多层建筑和高层建筑迅猛发展，长跨预应力混凝土空心板、T形板、大型预应力混凝土墙板等必将逐步兴起，预制梁板现浇柱，或预制梁、板、柱现浇节点相结合的各种装配整体式建筑结构体系预期会迅速发展，这种结构体系可以把预制与现浇二者的优点结合起来，避免纯装配式建筑对产品尺寸的高精度要求，结构整体性差和节点耗钢量大等缺点，叉避免了现浇结构现场湿作业工程量大，受制于现场施工及气候条件，耗用大量模板、支撑等缺点。

参考文献
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［2］郑文忠,王英.黑龙江省预应力混凝土结构发展现状与展望［J］.哈尔滨工业大学学报,2006，38,3:387-389.
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