预应力混凝土 与工程应用生

【摘要】介绍了预应力混凝土技术的产生及原理，概括了预应力混凝土在材料、应用范围及结构理论三方面的发展概况，以型钢混凝土框架结构、预应力混凝土屋面板、预应力混凝土管桩、预应力混凝土压力容器和安全壳四种结构（构件）为代表阐述了预应力混凝土在工程中的应用。展望了其广阔的应用前景。
【关键词】预应力混凝土；发展概况；工程应用
引言
早在19世纪后期，混凝土施加预应力的设想就被提出。而预应力混凝土进入实际应用，却是在研制出较高强度的钢材、锚具并充分认识到混凝土的收缩、徐变及其对预应力效应的影响之后，约在20世纪30年代才开始的。
预应力混凝土结构是设法在结构构件受荷前，通过预加外力，使其受到预压应力来减小或抵消荷载所引起的混凝土拉应力，从而使结构构件截面的拉应力不大，甚至处于受压状态，充分发挥混凝土抗压强度较高的特点，以达到控制受拉混凝土不过早开裂的目的。它可以在满足变形和裂缝控制要求的同时，减小构件的截面尺寸和用钢量，从而减轻了结构的自重。可以使结构设计得更为经济、轻巧与美观。

1. 预应力混凝土的发展概况

1.1 预应力混凝土材料的发展

①预应力混凝土结构中的预应力筋由普通钢筋转化为高强钢筋，从以冷加工钢材为主的预应力筋转化为以抗拉强度标准值 fpk=1860N/mm2的7Φ5mm高强钢丝组成的钢绞线为主导的钢材。随着设计使用年限的延长和预应力混凝土越来越多的应用到不利环境中，预应力筋的耐久性

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问题逐步突出。采用外涂环氧层或非金属预应力筋等是预应力筋的发展方向。
②预应力混凝土结构中的混凝土由普通混凝土转化为高强混凝土。随着结构跨径的增加，自重随之增大，以及混凝土耐久性问题也越来越突出，高性能混凝土、高强轻骨料混凝土、纤维增强混凝土等是新世纪混凝土的发展方向。

1.2 预应力混凝土应用范围的发展

①现代预应力混凝土结构以超静定和大跨度结构为主，基本上完成了预应力的发展和跨越，预制装配式和装配整体式相结合，改变了以预制预应力混凝土构件为主的传统模式。
②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。

1.3 预应力混凝土结构理论的发展

随着预应力技术的发展与进步，预应力混凝土结构理论和设计方法有了显著的进展，部分预应力混凝土的设计思想广泛传播，促进了具有全预应力混凝土和钢筋混凝土两者优点的部分预应力混凝土结构的迅速发展。国内外学者对部分预应力混凝土和无粘结预应力混凝土结构的性能进行了深入研究，对超静定预应力结构内力及极限承载力、预应力混凝土结构的抗震性能等方面进行了较深入的试验研究和计算分析，有利地推动了预应力技术的进步和广泛应用。

2 预应力混凝土结构的工程应用

预应力混凝土结构经过半个世纪的发展，其应用范围日益广泛，由单层与多层房屋、公路与铁路桥梁、轨枕、电杆、压力水管、储罐、水塔等扩大到高层建筑地下建筑高耸结构水电结构、海工结构、机场跑道、核电站压力容器及大吨位船舶码头等方面。预应力混凝土结构主要有以下几种:

2.1 型钢混凝土框架结构

型钢混凝土（steel reinforced concrete，以下简称SRC）结构[3]是指在型钢周围布置钢筋，并浇筑混凝土的结构。与钢结构相比，其外包混凝土可以防止钢构件的局部屈曲，并能提高钢构件的整体刚度，显著改善钢构件出平面扭转屈曲性能。SRC结构，节约钢材，耐久性和耐火性高。与RC结构相比，由于配置了型钢，大大提高了构件的承载力，尤其是实腹式型钢的SRC构件，抗剪承载力大幅提高，增强了结构抗震性能。对同截面而言，型钢混凝土结构比普通混凝土结构的承载能力和刚度明显提高，故适用于大跨、重载及高层超高层建筑中。

2.2 预应力混凝土屋面板

在单层工业厂房中，预应力混凝土主要用于屋面结构和吊车梁[4]，主要的屋面结构形式是梁-板体系和板梁合一的大跨度体系。大跨板屋面体系是近30年发展起来的一种新体系。这种大跨板既是板又是梁，兼有板和梁的特点，克服了无檩体系中板和梁单独工作、效率不高的缺点。一般沿厂房跨度方向布置的，直接搁置在柱顶、托梁或承重墙上。目前构件型式有：T形板、槽形板、拱形板、V形板和马鞍形壳板等，其中以T形板用得最多。

2.3 预应力混凝土管桩

在我国预应力管桩[5]已广泛应用在工业与民用建筑、铁路、桥梁、港口、码头等工程中，以工业与民用建筑用量最大。预应力管桩不仅用于多层建筑，更多的用于高层建筑。 凡是预应力管桩应用比较好的地区，钢管桩、沉管灌注桩、人工挖孔桩和钻孔桩的应用量都大幅减少，桩基质量事故的发生率也相应下降。
先张法预应力混凝土管桩与钢管桩、灌注桩、混凝土方桩等相比，呈现如下优点：
①预应力混凝土管桩产品系列化、市场化，采购方便。
②采用离心技术生产的效率高，成形质量稳定，强度高，并能节省资源。
③施工周期短、桩长调整较方便，噪声小，对环境无污染、无剧烈振动。

2.4 预应力混凝土压力容器和安全壳

在核电站工程中采用预应力混凝土压力容器和安全壳，是预应力混凝土技术的新成就。反应堆压力容器和安全壳，作为核电站工程的主要结构之一，开始都采用了传统的钢壳形式。随着核电站反应堆单堆功率的逐步增大，钢结构在技术上已不能满足要求。法国首次成功采用预应力混凝土压力容器，建成了马库尔核电站，在技术上为大型反应堆压力容器的建造找到了新的出路，也为预应力混凝土技术的应用开辟了新的领域。预应力混凝土压力容器容量大、制造较易、安全可靠、节省投资，大型核电站的总投资可以节约10～20%。
3 结语
近年来，随着经济的迅速发展，对建筑功能的要求越来越高。建筑设计正朝着体形复杂、功能多样的综合性方向发展。因而，相应的结构形式也变得复杂多样，大跨度、重载结构不断涌现，对结构体系提出了新的更高要求。
预应力混凝土技术是对混凝土结构的技术革命。用现代设计概念和方法设计的高效预应力混凝土，可以有效的改善结构的使用阶段性能（如控制裂缝开展和消除结构挠度等），提高受剪承载力和疲劳强度，改善缷载后的恢复力性能，充分的利用高强度的钢材，有效的调整结构的内力等。预应力混凝土有它自己独特的优势，它将有着广阔的发展应用前景。
参考文献
Lin T Y，Burns N H. DesignofPre-stressed Concrete Structures[M]. Third Edition. New York: John Wiley and Sons,1981.
陈蕴威.我国预应力混凝土的应用和发展[C],建筑设计管理,2011,7（28）.
[3]傅传国,娄宇.预应力型钢混凝土结构试验研究与工程应用[J].预应力结构，2007（1）.
[4]杜拱辰.国外预应力混凝土的发展和应用[M].工业建筑,1982（1）.
[5]徐至钧,李智宇,张亦农.预应力混凝土管桩设计施工及应用实例[M],预应力管桩，2009（1）.