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预制结构在未来的发展趋势

黄承建
【摘要】本文阐述了预制混凝土技术的特点，介绍了预应力混凝土结构的国内外发展历史，研究现状及应用情况，并对预应力混凝土结构未来的发展趋势做了展望。
【关键词】预应力；混凝土结构；发展应用
1、预制混凝土技术的特点
预制混凝土技术可以说是现代工业化的建筑生产方式。预制混凝土结构的施工大体上可分为两个部分：第一部分是在预制工厂生产预制构件，第二部分是预制构件运送到工地上进行现场安装。预制混凝土结构具有如下特点：
1.1 工业化生产，工业化劳动生产效率高、构件的定型和标准化有利于机械化生产，而且按标准严格检验出厂产品，质量保证率高。
1.2 施工方便，模板和现场浇混凝土作业很少，预制楼板无需支撑，叠合楼板模板很少。
1.3 建造速度快，对周围生活工作影响小。
1.4 预制构件表面平整、外观好、尺寸准确、并且能将保温、隔热、水电管线布置等多方面功能要求结合起来，有良好的技术经济效益。
1.5 预制结构工期短，投资回收快。由于减少了现浇结构的支模、拆模和混凝土养护等时间，施工速度大大加快。
2、预应力混凝土结构国内外发展情况
美国工程师杰克逊（P.H.Jackson）和德国的道克林（C.E.W.Dochring）先后于1856年和1888年将预应力技术应用于混凝土结构，由于采用低强度钢筋产生的有效预应力与锚固损失和混凝土收缩徐变产生的损失几乎相等，这次应用并不成功[2]。1908年，美国的斯坦纳（C.R.Steiner）提出收缩徐变发生后，再张拉预应力筋；美国的狄尔（R. E.Dill）采用带有涂层的预应力筋来避免混凝土与预应力筋间的粘结，因未解决根本问题，这些方法没能在工程中应用推广。1928年弗莱西奈特指出：预应力混凝土必须采用高强钢材和混凝土，从此人们对预应力混凝土的认识开始逐步深入。1938年德国的霍友（E.Hoyer）采用先张法，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）研究一次可以同时张拉两根钢丝的麦氏模块锚。这为推广预应力混凝土提供了切实可行的生产工艺。第二次世界大战后，由于钢材的紧缺，预应力混凝土结构大量代替钢结构在世界范围内得到了蓬勃发展，其应用范围从早先的桥梁与工业建筑发展到了民用、公共、地下建筑、海港码头、水利水电工程等土木工程领域[3]。
我国在上世纪50年代末开始制造出整体式和块拼式屋面梁、吊车梁、大型屋面板等，70年代，预制混凝土空心楼板在国内的建筑行业已经得到了广泛的应用。上世纪70年代开始，北京有30%的房屋采用装配式混凝土结构的技术进行建造，上海则有50%的建筑采用预制混凝土结构进行施工。但在这些关于预制混凝土结构的实践之后，此结构未能进行大规模的推广。限制其发展的因素有以下几个方面：（1）我国人口众多，能采用这种结构进行建筑的多半是东南沿海地区，而东南沿海地区正是人口集中的地区，这种结构对建筑物的高度有限制，不能满足人口的需求；（2）我国有大部分地区处在地震带上，居民现在并不信任预制混凝土结构的抗震能力，难以进行推广使用。
目前，我国国内只有一部分地区采用预制楼板，建筑主要结构体系仍采用现浇。大部分地区，尤其有设防要求的地区，基本全为混凝土现浇结构。总体来说，我国的预制混凝土技术的发展更为缓慢，一方面是由于国内对预制结构的抗震性能不够信任，因此采用较少，比如，發生大地震后的唐山为了尽快建好居民住处而使用了预制楼板建筑了很多的6层以下建筑，但大部分居民由于不信任其抗震性能而拒绝入住，从那之后的唐山建筑也普遍采用现浇结构；另一方面是由于预制混凝土结构尚未形成标准化、产业化，难以进行推广使用。
科学发展日新月异，人们对材料的充分利用及耐久性等方面也提出了更高的要求。钢筋混凝土结构虽然提高了混凝土抗拉强度，但仍存在着开裂等问题。而采用高性能材料、现代设计理论和先进施工工艺设计的预应力混凝土结构有效解决了这一问题，此结构不仅具有跨度大、受力性能好、耐久性高、轻巧美观等优点，而且较为经济节能。因此，预应力混凝土结构是高层、大跨度及大空间、重载、特种结构中不可缺少的结构型式之一。
3、现代预应力技术在混凝土中的应用
3.1 房屋建筑方面
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，主要体现在：无粘结预应力混凝土平板和预应力扁梁具有降低层高，节约钢材，简化模板，加快施工等效果；预应力混凝土饰面保温复合墙板能够在满足建筑外墙装饰的多样、耐久性的同时，又在保温节能、工业化生产、快速施工等方面发挥显著优势。
3.2 特种结构方面
加拿大建成储存12000t水泥烧结料后张预应力直径65.2m的圆形筒仓，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。
3.3 预应力高强混凝土管桩方面
日本采用的预应力高强混凝土管桩占整个基础用桩量的80%以上，美国、德国、意大利以及东南亚地区也大量发展和使用。近年来我国广东省也广泛生产应用了直径300mm～450mm 预应力高强混凝土管桩（PHC桩），其混凝土强度等级为C100。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。
3.4 钢结构方面
在网壳的局部或周边施加适当预应力而形成的预应力网壳结构，具有较好受力性能和良好经济技术指标，明显改善了整个结构受力状态，降低了结构造价，扩大了应用范围。
此外预应力悬索膜结构也得到了极大发展应用，其中包括覆盖体育场或周边看台的屋顶系统、机场大厅、火车站台、露天大剧场等不同跨度的建筑中[5]。
4、预应力技术的发展趋势
4.1 现代预应力技术在多层大跨结构中的发展方向
建筑业是我国国民经济重要支柱产业之一，现代建筑结构正在向大柱网、大开间、大跨度、多功能方向发展，人们总想在有限的建筑面积和空间内获得最好的使用功能和最佳的投资回报。预应力技术正以其跨度大、自重轻、节约材料、节省层高、改善功能等突出优点，迎合了现代建筑结构的发展趋势。
4.2 高层建筑结构中预应力技术发展方向
近年来，现代预应力技术在高层建筑中的应用有很大发展，尤其是无粘结预应力混凝土平板和预应力砼扁梁用于高层建筑的楼盖，它具有降低层高、简化模板、提高施工速度等优点。预应力混凝土除用于楼盖外，有时还用来解决大跨度、大空间部位柱网转换时的转换梁、转换桁架以及复杂柱网情况下的转换板，此外8～l8m跨度的预应力混凝土空心板和外墙用的装饰保温复合预应力混凝土墙板在高层建筑中的应用前景也很广阔。
4.3 预制现浇相结合的装配整体式结构将加速发展
先张法预制预应力混凝土构件具有工厂化规模生产的各种优点，如质量控制水平高，构件耐久性好，模板周转率高，损耗小。在道路及运输吊装条件较好，运距不太大（200公里以内）的情况下，预制构件常常有良好的技术经济指标。随着大柱网、大开间多层建筑和高层建筑迅猛发展，长跨预应力砼空心板、T形板、大型预应力砼墙板等必将逐步兴起，预制梁板现浇柱或预制梁、板、柱与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。
参考文献
[1] 薛伟辰 现代预应力结构设计[M] 北京：中国建筑工业出版社，2011.
[2] 李国平 预应力混凝土结构设计原理[M]，北京：人民交通出版社，2012.

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