預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)和施工中的注意事項(xiàng)

魏生萬(wàn)

1 預(yù)應(yīng)力在建筑工程中的應(yīng)用

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)雖然已廣泛用于各種工程結(jié)構(gòu),但它仍然存在著諸多的不足(例如帶裂縫工作,不能充分利用材料等),尤其對(duì)于大跨度結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō),鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)明顯不能滿(mǎn)足其要求,因而混凝土結(jié)構(gòu)的使用范圍受到了很大的限制。預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的誕生,給土木工程師們帶來(lái)了福音。預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)具有剛度和抗裂度高、節(jié)省材料、自重小、能減小混凝土的豎向剪力和主拉應(yīng)力、結(jié)構(gòu)質(zhì)量安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。因而廣泛應(yīng)用于單廠的預(yù)制構(gòu)件、多層廠房、高層建筑、大型橋梁、核電站、電視塔和大跨度薄壁結(jié)構(gòu)等。

2 預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1 對(duì)混凝土和預(yù)應(yīng)力鋼材的選用要求

按施工方法分,預(yù)應(yīng)力構(gòu)件分為先張法構(gòu)件和后張法構(gòu)件。由于先張法要求在灌漿澆筑后混凝土和預(yù)應(yīng)力鋼筋能夠可靠地粘結(jié),而后張法要求已成型的混凝土結(jié)構(gòu)必須具有足夠的承載能力來(lái)承受預(yù)加應(yīng)力,因此用于預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的混凝土,必須采用高強(qiáng)度混凝土。由于預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)往往具有較大的體積,在成型后就會(huì)產(chǎn)生較大的收縮和徐變,而收縮和徐變往往造成相當(dāng)大的預(yù)應(yīng)力損失,因此,為了減小預(yù)應(yīng)力的損失,提高預(yù)應(yīng)力的利用率,就要使用收縮小、徐變小的混凝土。同時(shí),由于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)一般使用專(zhuān)用的模具、模板,預(yù)制的結(jié)構(gòu)還需要專(zhuān)門(mén)的臺(tái)座,而且預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)工程往往控制著工程工期,因此,為了提高生產(chǎn)效率,加快施工進(jìn)度,還應(yīng)采用快硬、早強(qiáng)的混凝土。

混凝土預(yù)加應(yīng)力的大小,取決于預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉應(yīng)力的大小。預(yù)應(yīng)力鋼筋不同于普通鋼筋,它的受力是預(yù)先設(shè)定的,這就對(duì)預(yù)應(yīng)力筋提出了比普通鋼筋更高的要求。由于預(yù)制成型后構(gòu)件的受力狀態(tài)和正常使用時(shí)的狀態(tài)或多或少地存在偏差,再加上設(shè)計(jì)的受力情況可能與實(shí)際的使用情況有所差別(比如預(yù)應(yīng)力的損失、使用環(huán)境的變化),為了在使用階段仍能提供足夠的預(yù)應(yīng)力,因此需要較高的張拉應(yīng)力,這就要求預(yù)應(yīng)力鋼筋具有較高的抗拉強(qiáng)度。為了避免結(jié)構(gòu)的脆性破壞,預(yù)應(yīng)力鋼筋還應(yīng)具有一定的塑性。在先張法的施工中,要求混凝土和預(yù)應(yīng)力筋既快又可靠地粘結(jié),因此預(yù)應(yīng)力筋也要具有良好的粘結(jié)性能。此外,為了減小鋼筋松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失,還要求預(yù)應(yīng)力筋具有較強(qiáng)的抗松弛性能。

值得注意的是,對(duì)于同一構(gòu)件,混凝土的強(qiáng)度和等級(jí)應(yīng)盡量與鋼筋(包括預(yù)應(yīng)力筋和非預(yù)應(yīng)力筋)的強(qiáng)度和等級(jí)相吻合,以充分合理地利用材料。

2.2 預(yù)應(yīng)力大小的確定與預(yù)應(yīng)力損失

在預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中,最重要的是確定預(yù)拉應(yīng)力的大小以及預(yù)應(yīng)力筋束的布置方式,還有預(yù)應(yīng)力損失的計(jì)算。

預(yù)應(yīng)力大小的確定通過(guò)確定張拉控制應(yīng)力來(lái)實(shí)現(xiàn)。張拉控制應(yīng)力的取值,直接影響預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的使用效果。張拉控制應(yīng)力不能太小,也不能太大。如果太小,就不能滿(mǎn)足構(gòu)件的抗裂度和剛度的要求,且不能滿(mǎn)足受力要求(比如對(duì)于梁,就不能有效抵消正彎矩,使梁的下緣出現(xiàn)過(guò)大的拉應(yīng)力)。相反,如果預(yù)拉應(yīng)力過(guò)大,則會(huì)使混凝土無(wú)法承受壓應(yīng)力而開(kāi)裂或在受拉側(cè)出現(xiàn)局部拉應(yīng)力而開(kāi)裂,并且會(huì)使反拱度加大,使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過(guò)大變形;再者,由于各預(yù)應(yīng)力筋受力并不均勻,當(dāng)預(yù)應(yīng)力過(guò)大時(shí),就會(huì)使其中的一些鋼筋提前達(dá)到屈服極限而被拉斷;對(duì)于預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu),預(yù)應(yīng)力越大,預(yù)應(yīng)力的損失也往往越大。因此,要權(quán)衡利弊,將張拉控制應(yīng)力限制在一定的范圍內(nèi)。在具體設(shè)計(jì)時(shí),除了應(yīng)符合規(guī)范要求外,還應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況,綜合考慮,以確定張拉控制應(yīng)力的最佳值。

在預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)張拉完成后,由于各種原因,往往隨著時(shí)間的累積,預(yù)應(yīng)力值將有所減小,減小的這部分預(yù)應(yīng)力就是預(yù)應(yīng)力損失值。引起預(yù)應(yīng)力損失的原因很多,就其產(chǎn)生結(jié)果,結(jié)構(gòu)中常見(jiàn)的預(yù)應(yīng)力有以下幾類(lèi):與管道壁間摩擦引起的應(yīng)力損失;錨具變形、鋼筋回縮和接縫壓縮引起的應(yīng)力損失;鋼筋與臺(tái)座間的溫差引起的應(yīng)力損失;混凝土彈性壓縮引起的應(yīng)力損失;鋼筋應(yīng)力松弛引起的應(yīng)力損失;混凝土收縮和徐變引起的應(yīng)力損失。

在設(shè)計(jì)階段,要確定可能發(fā)生的預(yù)應(yīng)力損失值,以此來(lái)確定張拉控制應(yīng)力,使預(yù)應(yīng)力構(gòu)件在除去損失的預(yù)應(yīng)力外仍然有足夠的富余來(lái)承受使用階段的恒載和活載。對(duì)于各項(xiàng)應(yīng)力損失,應(yīng)該結(jié)合產(chǎn)生相應(yīng)損失的原因來(lái)制定布束方案。比如對(duì)于梁,為了能提供豎向的預(yù)剪力,往往需要在梁端部彎起,這樣使得管道彎曲,產(chǎn)生較大的摩擦損失,為了既能滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)的構(gòu)造和受力要求,同時(shí)又不讓損失值過(guò)大,要求設(shè)計(jì)者就要從多方位考慮,作出合理的選擇。除了對(duì)鋼筋的布設(shè)方式進(jìn)行研究外,還應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的截面形式及其大小進(jìn)行可行性論證。截面形式的選擇,應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)所承受的荷載的大小及分布來(lái)確定。如果所選用的截面太小,就會(huì)給施工時(shí)安置錨具帶來(lái)困難,并且會(huì)減小偏心矩,使預(yù)應(yīng)力形成的彎矩減小;相反,如果截面尺寸過(guò)大,雖然增加了預(yù)偏心矩,但會(huì)產(chǎn)生很大的自重,這對(duì)結(jié)構(gòu)是十分不利的。對(duì)于不同尺寸構(gòu)造的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu),要選用預(yù)加力大小恰當(dāng)?shù)念A(yù)應(yīng)力束筋,以達(dá)到合理的布置形式。如果預(yù)應(yīng)力束筋選擇過(guò)小,在大跨結(jié)構(gòu)中造成布束過(guò)多,因構(gòu)造尺寸限制布置不下時(shí),則要求增大截面。反之,在跨度不大的結(jié)構(gòu)中,如果選擇預(yù)加力很大的單束筋,就會(huì)使構(gòu)件承受集中力而產(chǎn)生不良影響。

3 預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的施工

3.1 使用合格的預(yù)應(yīng)力承包公司與技術(shù)人員

作為第一線的施工技術(shù)人員,他們的生產(chǎn)和管理水平是預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)形成預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)的最后一道保障,也是最關(guān)鍵的一關(guān),能否形成一個(gè)高效的預(yù)應(yīng)力系統(tǒng),就在于施工人員能不能把好這一關(guān)。預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的施工應(yīng)使用成熟的方法,并由有經(jīng)驗(yàn)的監(jiān)理人員控制。由于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的施工工藝復(fù)雜,工序繁多,細(xì)節(jié)性又強(qiáng),所以現(xiàn)場(chǎng)施工人員必須是經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)技能培訓(xùn)并有一定工作經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員。如果急于求成,使用不合格的預(yù)應(yīng)力公司與人員,將會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的后果,比如灌漿不良、安裝不良、張拉不良等。因此,應(yīng)對(duì)施工人員的經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)、培訓(xùn)及資質(zhì)等進(jìn)行評(píng)定。

除了對(duì)施工人員進(jìn)行專(zhuān)業(yè)上的評(píng)定外,還應(yīng)考慮到施工人員的其他情況,比如是否具有較強(qiáng)的責(zé)任心、是否具有細(xì)致嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)等。

3.2 使用合格的施工設(shè)備

預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的施工需要專(zhuān)門(mén)的設(shè)備,比如錨具、千斤頂、控制器、穿梭機(jī)、壓漿機(jī)、張拉臺(tái)座等。這些設(shè)備種類(lèi)繁多,施工方法各異,不管是哪類(lèi)設(shè)備,都直接關(guān)系到構(gòu)件的質(zhì)量問(wèn)題。施加預(yù)應(yīng)力所用的機(jī)具設(shè)備及儀表應(yīng)由專(zhuān)人使用和管理,并應(yīng)定期維護(hù)。工程使用前必須進(jìn)行校驗(yàn),校驗(yàn)應(yīng)在經(jīng)主管部門(mén)授權(quán)的法定計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)定期進(jìn)行。配套標(biāo)定的千斤頂、油泵、壓力表應(yīng)進(jìn)行編號(hào),不同編號(hào)的設(shè)備不能混用。如果利用違規(guī)的設(shè)備進(jìn)行施工,其后果可想而知。有的承包商或是為了追求眼前利益,減少施工費(fèi)用,或是為了追求施工速度,盲目選用了不適合的設(shè)備來(lái)施工,不但不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求,還延誤了工期,浪費(fèi)了材料,甚至釀成事故,造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

3.3 進(jìn)行有效的監(jiān)督

和其他施工一樣,預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的施工同樣需要在監(jiān)督下進(jìn)行,而且對(duì)監(jiān)督的要求更高。由于預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)施工工序多、細(xì)節(jié)性強(qiáng),為了確保施工的質(zhì)量,就要求監(jiān)督人員盡職盡責(zé),對(duì)施工的每一個(gè)步驟進(jìn)行全方位監(jiān)督。在實(shí)施監(jiān)督時(shí)應(yīng)聘用正規(guī)的監(jiān)理公司或單位。尤其對(duì)于預(yù)應(yīng)力孔道的布置以及筋束的穿束、錨具和墊板的安裝、預(yù)應(yīng)力張拉、孔道壓漿等環(huán)節(jié)要進(jìn)行加強(qiáng)監(jiān)督。

4 結(jié)語(yǔ)

預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)雖然只有幾十年的歷史,但由于它表現(xiàn)出的優(yōu)越性以及當(dāng)今建筑工程中對(duì)大跨度結(jié)構(gòu)的需求,預(yù)應(yīng)力技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展并日趨成熟。現(xiàn)今在工程中使用的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)種類(lèi)繁多,它們?cè)谕聊竟こ?尤其是橋梁工程和建筑工程)的各個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。為了能更好的讓這種結(jié)構(gòu)形式為人類(lèi)造福,不管是設(shè)計(jì)人員,還是施工人員,都應(yīng)該積極探索,將預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用推向一個(gè)新的高度。

[1] 趙建昌.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2007.

[2] 葉見(jiàn)曙.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].北京:人民交通出版社,1997.

[3] 莫千里,陳 敏.淺談結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的構(gòu)造問(wèn)題[J].山西建筑,2009,35(18):78-79.