黑龍江省預應力混凝土結構發(fā)展現(xiàn)狀與展望
一、預應力混凝土結構的概念及工作原理
黑龍江人對“預應力混凝土”并不陌生，因為二十世紀五十年代，也就是新中國成立之初，蘇聯(lián)幫助中國發(fā)展預應力就是從黑龍江開始的。直至二十世紀八十年代中期的三十多年的時間，我國主要以推廣以冷拉鋼筋、冷拔鋼絲及中強鋼為預應力筋的預制預應力混凝土構件為主，不容否認，預制預應力混凝土構件為我國量大面廣的土木工程建設做出了重要貢獻。
進入二十世紀八十年代中期，隨著材料工業(yè)的發(fā)展，張錨體系的改進，計算手段的進步，我國在杜拱辰等老一輩預應力專家的倡導下，包括哈爾濱工業(yè)大學衛(wèi)紀德教授在內的一批專家學者開展了將“預應力”由“構件”發(fā)展到“體系”的探索，在建設部和地方政府的正確領導和大力支持下，經過近二十年的不懈努力，包括黑龍江省在內的我國土木工程界已呈現(xiàn)出欣欣向榮的“現(xiàn)代預應力混凝土結構”新局面。
所謂現(xiàn)代預應力混凝土結構是指采用高強鋼材、較高強度等級的混凝土，通過先進的設計理論和先進的施工工藝建造起來的配筋混凝土結構?，F(xiàn)代預應力混凝土結構與傳統(tǒng)預應力混凝土結構的區(qū)別，主要有如下幾點：⑴現(xiàn)代預應力混凝土結構中的預應力筋是以抗拉強度標準值fptk＝1860N/mm2的φs15鋼絞線為主導鋼材，而傳統(tǒng)預應力混凝土結構中的預應力筋多為冷加工鋼材;⑵現(xiàn)代鋼筋混凝土結構所用的混凝土應為C40～C60,而傳統(tǒng)預應力混凝土結構所用混凝土多為C30左右；⑶現(xiàn)代預應力混凝土結構以大跨超靜定結構為主，順利實現(xiàn)了“預應力”由“構件”向“體系”的跨越，而傳統(tǒng)預應力混凝土主要以預制預應力混凝土構件為主；⑷現(xiàn)代預應力混凝土結構的應用領域為大（大跨、大空間結構）、高（高層、高聳結構）、重（重荷載結構）、特（特種結構及特殊應用）、長（超長不設縫工程）等現(xiàn)代土木工程結構。
預應力混凝土結構的工作原理是通過對混凝土結構合理布置并張拉預應力筋或合理布置并頂壓預彎型鋼產生與外荷載效應相反的等效荷載，該等效荷載可以抵消部分或全部外荷載，使結構受到的實際剩余荷載明顯減少，從而可實現(xiàn)當梁板跨度和所受外荷載相同時，截面尺寸明顯減少；截面尺寸和所受外荷載相同時，結構跨越的跨度明顯增大的目的。
二、黑龍江省在預應力混凝土結構方面的創(chuàng)新與貢獻
1.提出了預應力混凝土結構裂縫控制及驗算建議
二十世紀九十年代初期，哈爾濱工業(yè)大學衛(wèi)紀德教授等針對我國《混凝土設計規(guī)范》（TJ10-74）和(GBJ10-89)對高強鋼絲、鋼絞線作預應力筋的預應力混凝土結構構件裂縫控制過嚴，由裂縫控制方程計算確定的預應力筋遠遠大于結構抗力所需的預應力筋這一突出問題，與相關單位共同提出了以高強鋼絲、鋼絞線作預應力筋的預應力混凝土結構構件裂縫控制及驗算建議，該建議后來成為了《混凝土結構設計規(guī)范》（GB50010-2002）制定預應力混凝土結構構件裂縫控制等級及最大裂縫寬度限值的參考依據(jù)之一。
2.建立了后張預應力平板-柱結構合理計算模式和方法
1992年2月－1995年5月,哈爾濱工業(yè)大學鄭文忠教授與其導師呂志濤院士一道，通過兩個鋼平板-柱結構模型和一個后張預應力混凝土平板-柱結構模型的試驗研究和理論分析，揭示了平板-柱結構在豎向荷載及水平荷載下的受力機理，完善了這種結構在豎向荷載及水平荷載下的內力計算方法，建立了該結構預應力效應的分析方法，解決了該結構內力計算與位移計算不協(xié)調這一棘手問題，并使這種結構在豎向荷載下與水平荷載下的計算得到統(tǒng)一，提出了這種結構抗震設計建議和有關構造措施。1999年6月編著出版了《后張預應力混凝土平板-柱結構設計與工程施工實例》一書，該書是國內第一本系統(tǒng)論述后張預應力混凝土平板-柱結構方面的著作。相關研究成果在大黑河島國際商貿城、哈高科綜合廠房等一大批工程中得到成功應用，黑龍江省在設計建造后張預應力混凝土平板-柱結構方面走在了全國的前列。
普通混凝土平板-柱結構的柱網尺寸多為45m×45m，一根內柱支承的樓蓋面積約為20m2左右，而后張預應力混凝土平板-柱結構的經濟柱網尺寸為7m×7m～10m×10m，一根內柱支承的樓蓋面積為50m2～100m2，后張預應力混凝土平板-柱結構房屋較普通混凝土平板-柱結構房屋可減少內柱60％～80％，房屋的使用功能明顯改善，房屋的通用性明顯增強。
3.提出了預應力混凝土結構設計統(tǒng)一理論
1995年5月—1997年10月，哈爾濱工業(yè)大學針對預應力混凝土超靜定結構設計的經典方法中次內力概念過于抽象、次內力計算過于復雜、通過次軸力考慮側限對預應力傳遞及設計計算結果影響過于困難等突出問題，引入了預應力筋兩階段工作原理，為從本質上把握預應力混凝土結構的力學行為奠定了基礎。將預應力混凝土結構人為地分為無側限結構和有側限結構兩大類，提出了側限影響系數(shù)的概念和取值方法，建立了合理考慮側限的預應力混凝土結構設計計算方法。為合理設計有明顯側限的預應力混凝土結構提供了依據(jù)。從而實現(xiàn)了預應力混凝土結構與普通混凝土結構設計計算的統(tǒng)一，靜定與超靜定預應力混凝土結構設計計算的統(tǒng)一，有側限與無側限預應力混凝土結構設計計算的統(tǒng)一，預應力混凝土結構兩類極限狀態(tài)設計計算的統(tǒng)一，在一定程度上揭開了預應力結構設計的“神秘面紗”。1998年底，哈爾濱工業(yè)大學編著出版了《預應力混凝土房屋結構設計統(tǒng)一方法與實例》一書。這一研究成果受到了預應力工程界的高度重視，不少單位將研究工作轉到哈工大所提出的預應力混凝土結構設計統(tǒng)一理論的總體框架內來進行。同時，這一研究成果也在多項標志性工程的設計建造中得到成功的應用。
4.改進了預應力混凝土連續(xù)梁板結構塑性設計方法
二十世紀九十年代中期，包括哈爾濱工業(yè)大學衛(wèi)紀德教授在內的一大批國內外學者開展了預應力混凝土連續(xù)結構力學行為的試驗研究工作，探討了次內力的存在及變化規(guī)律，積累了寶貴的試驗數(shù)據(jù)。哈工大又以相關試驗數(shù)據(jù)為基礎，建立了支座控制截面彎矩調幅幅度與支座塑性鉸轉動能力的關系式，并合理考慮了預應力度、預應力筋有效預應力水平、預應力筋與非預應力筋匹配關系及預應力筋與非預應力筋綜合配筋指標等關鍵參數(shù)對彎矩調幅幅度的影響，使預應力混凝土連續(xù)結構塑性設計方法趨于合理。2002年3月哈爾濱工業(yè)大學編著出版了《超靜定預應力混凝土結構塑性設計》一書，研究成果在多項預應力混凝土肋梁樓蓋的工程中得到成功應用。
5.豐富和發(fā)展了住宅預應力混凝土樓蓋體系
為順應住宅建筑向著大戶型、套內無梁、無柱、無隔墻的發(fā)展趨勢，克服按雙向均勻布置預應力筋的雙向板配筋多、造價高、施工困難等弊端，1998年4月至2001年8月，哈爾濱工業(yè)大學通過試驗研究和理論分析，突破荷載平衡法的傳統(tǒng)概念，揭示了按雙向中間密布預應力筋的雙向板承載力最高的規(guī)律，并提出了有關設計方法和構造措施。預應力混凝土平板與異型柱、短肢剪力墻等結合，可構建出現(xiàn)代住宅結構體系，這一研究成果得到了廣泛應用，據(jù)不完全統(tǒng)計，哈爾濱市已建成包括哈市地稅局住宅樓在內的預應力高層住宅達數(shù)十棟之多，走在了國內的前列。
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6.無粘結預應力混凝土結構研究取得系列成果
針對預應力筋和非預應力筋總配筋指標相同，而預應力筋配筋指標和非預應力筋配筋指標不同時，混凝土結構中無粘結預應力筋極限應力實測值千差萬別這一突出問題，提出了應以預應力配筋指標、非預應力筋配筋指標和總配筋指標為關鍵參數(shù)的無粘結筋極限應力計算公式，并將計算公式發(fā)展到連續(xù)結構，從而使無粘結預應力混凝土結構的抗力計算趨于合理。
針對無粘結筋相對于其周圍混凝土可發(fā)生縱向相對滑動，在受彎構件中的無粘結筋對構件抗彎剛度的貢獻及其對裂縫開展的抑制作用小于有粘結預應力筋這一客觀分析，為了實現(xiàn)無粘結與有粘結預應力混凝土受彎構件剛度及裂縫寬度計算方法的協(xié)調和統(tǒng)一，1999年10月至2003年6月，通過研究，哈工大提出了受彎構件中無粘結筋等效折減系數(shù)的概念，并通過對無粘結預應力混凝土受彎構件的變形試驗數(shù)據(jù)和按已有公式對設計試件的變形試算數(shù)據(jù)進行分析，得出了無粘結筋等效折減系數(shù)的建議取值。用等效縱向受拉鋼筋配筋率代替有粘結預應力混凝土受彎構件剛度計算公式中縱向受拉鋼筋配筋率，用等效縱向受拉鋼筋面積代替有粘結預應力混凝土受彎構件裂縫寬度計算公式中的縱向受拉鋼筋面積，就可分別得到與有粘結相協(xié)調的無粘結預應力混凝土受彎構件剛度及裂縫寬度計算公式，二公式計算結果與試驗結果均吻合良好。
相關研究成果一方面已提交《無粘結預應力混凝土結構技術規(guī)程》編制組，供修訂標準時參考；另一方面已在多項工程設計中得到成功應用。
7.改進了預應力錨具下混凝土局部受壓承載力計算方法
預應力錨具下混凝土局部受壓承載力計算及錨頭配筋構造問題，是預應力混凝土工程設計中最受關注的問題之一。據(jù)不完全統(tǒng)計，約有80％的預應力混凝土工程的質量事故是由錨具下混凝土局部受壓承載力取值不合理及錨頭配筋構造不當引起的。
《混凝土結構設計規(guī)范》（GB 50010-2002）所給混凝土局部受壓承載力計算公式確切地講只適用于單束（根）預應力錨具下混凝土局部受壓承載力計算或局部受壓計算底面積Ab不重疊時的預應力錨具下混凝土局部受壓承載力計算，而實際后張預應力混凝土工程中的結構構件多為布置多束（根）預應力筋，且相鄰束（根）預應力錨具下混凝土局部受壓計算底面積Ab是重疊的，為使錨具下混凝土局部受壓承載力計算方法滿足預應力混凝土工程建設的需要，應用ANSYS軟件分析了相鄰錨具下混凝土局部受壓計算底面積重疊時錨具下混凝土中應力分布規(guī)律，結合有關試驗數(shù)據(jù)，提出了預應力錨具下混凝土局部受壓何時按整體計算、何時按各束分別計算的計算準則。建立了適用范圍清晰、計算步驟可操作性強，可用于工程設計的密布預應力束錨具下混凝土局部受壓承載力的設計計算方法。
為確保預應力混凝土錨頭安全可靠地工作，避免或限制混凝土端面出現(xiàn)張拉裂縫或沿孔道壁出現(xiàn)劈裂裂縫，完善了預應力混凝土結構構件錨頭用于避免或限制兩類裂縫所需間接鋼筋的計算方法與配置構造措施。
相關研究成果已成功地應用于多項密布預應力束的大跨框架結構、轉換層結構及重載大板工程的錨具下混凝土局部受壓承載力計算及錨具影響區(qū)設計，確保了工程質量。
8.預應力混凝土結構抗火研究取得可喜成果
哈爾濱工業(yè)大學結合黑龍江省杰出青年科學基金項目“預應力混凝土結構抗火性能與火災后損傷評估與修復”課題的研究，基本摸清了按標準升溫曲線升溫預應力混凝土結構構件溫度場的分布規(guī)律，提出了高溫下預應力筋預應力損失的時隨分析方法，探討了溫度荷載所引起超靜定預應力混凝土結構溫度次反力及溫度次內力的特點，可模擬高溫下預應力混凝土結構災變的全過程，為完善預應力混凝土結構抗火設計方法，提供切實可行的救火策略和撲火方案等提供了理論基礎。
9.豐富了體外預應力混凝土結構設計理論和方法
為滿足既有工程加固改造的需求和提高新建工程耐久性的需要，哈爾濱工業(yè)大學張樹仁教授十幾年來一直致力于體外預應力混凝土結構的開拓，通過試驗研究和有限元分析，揭示了體外預應力混凝土結構中錨頭及轉向裝置的受力機理，建立了體外索應力增量的計算公式，形成了體外預應力混凝土結構的設計方法，編著出版了體外預應力方面的著作，相關研究成果在吉林八寶欄子橋等工程建設中得到成功應用。
10.研發(fā)了預彎預應力混凝土橋梁結構設計理論與施工方法
哈爾濱工業(yè)大學將通過張拉預應力筋建立混凝土中預應力的思想進行延伸，完善了通過頂壓預彎型鋼來建立混凝土中預應力的思想。通過研究，提出了預彎型鋼預應力混凝土梁的全壽命時效分析方法，建立了這類梁抗力及剛度和裂縫的計算公式，研制了有關施工裝備，形成了這種結構的設計與施工成套技術。相關研究成果在哈爾濱市二環(huán)路-河圖街高架橋等多座市政橋梁建設中得到成功應用。
11.成功地將預應力技術用于既有房屋功能改造與增層改造
哈爾濱工業(yè)大學與有關設計院合作，創(chuàng)造了多個既有房屋套建增層結構型式，探討了各套建增層結構型式的適用范圍、計算理論、構造措施與施工工法，完成了哈醫(yī)大一院實驗樓套建增層工程、綏芬河青云市場套建增層改造工程等多項標志性工程的設計創(chuàng)造。哈爾濱工業(yè)大學與有關設計院合作，應用預應力的自平衡原理，還出色地完成了大興安嶺防火指揮中心抽柱改造設計等多項功能改造的設計創(chuàng)造。
12.預應力混凝土結構的設計與工程實踐異彩紛呈
黑龍江省成立了多家預應力專項施工公司，預應力技術在房屋工程、橋梁工程、地下工程等大型土木工程中得到了大量應用。預應力大梁的跨度已突破32m，現(xiàn)澆預應力板的跨度已突破18m，預應力井式樓蓋已做到36m×35m，預應力技術在大跨空間結構中得到了成功應用。據(jù)不完全統(tǒng)計，我省每年土木工程用預應力筋（主要是高強鋼絲、鋼絞線）至少達到3萬噸以上，在預應力結構設計理論研究與實踐方面走在了全國的前列。
三、對黑龍江省發(fā)展預應力混凝土的若干建議
1.積極開展預應力超高強混凝土結構研究
國際上混凝土技術發(fā)展很快，先進國家的混凝土強度等級平均為C50～C60，預應力混凝土已達C70，活性粉末混凝土實驗室已能配制出C800～C1000，工程中已可用到C220。為滿足我國現(xiàn)代建筑更高的使用功能要求、更高的耐久性要求、更高的生產工藝要求，研發(fā)超高性能、超高強混凝土，并進行預應力超高強混凝土結構方面的開拓，已成為我省混凝土及預應力混凝土科技工作者的重要使命之一。
2.加強纖維增強聚合物（FRP）預應力混凝土結構研究
近年來，國外關于粘貼纖維片材加固混凝土結構的研究及應用非常盛行，纖維增強聚合物筋(FPR筋)代替普通鋼筋已引起土木科技工作者的廣泛關注，纖維增強聚合物型材代替型鋼已用于試點工程實踐。我們也關注到，由于纖維增強聚合物強度很高，彈模與鋼材基本持平，當結構破壞或不能正常使用時一般其強度不能得以充分發(fā)揮。為此，我們建議開展纖維增強聚合物預應力混凝土結構研究，這樣既提高工程的耐久性，又使纖維增強聚合物的強度得以充分發(fā)揮。
3.宜大力開展預應力輕集料混凝土結構研究
黑龍江省輕集料資源豐富，克東浮石和多個廠家生產的陶粒，為開展預應力輕集料混凝土研究與實踐提供了保障。這么多年來陶粒生產企業(yè)之所以一直難以發(fā)展，一方面陶粒確實比石子貴，另一方面陶粒質量也有待再上新臺階。從保護環(huán)境，變廢為寶的高度應大力發(fā)展預應力輕集料混凝土。這是我國土木工程可持續(xù)發(fā)展的需要。
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4.加強寒區(qū)預應力混凝土結構特性研究
預應力鋼絲鋼絞線溫度越低，其彈性模量越高。低溫時建立的預加力到常溫后將有一定幅度的降低，使得工程結構偏于不安全。低溫下預應力鋼筋變脆，易發(fā)生脆斷。因此，通過研究，確定預應力筋低溫脆斷臨界溫度、彈模隨溫度變化規(guī)律及低溫下張拉控制應力的取值方法是必要的。
5.強化大型復雜預應力混凝土結構的施工措施研究
近年來，國外紛紛成立了虛擬建筑研究中心，利用計算機仿真大型復雜結構的施工全過程，讓可能發(fā)生的工程事故和可能遇到的施工問題展現(xiàn)在虛擬（仿真）過程中，確保大型復雜工程建設的萬無一失。就預應力混凝土結構而言，應重點開展預應力混凝土巨型框架結構及預應力混凝土懸吊結構的關鍵施工措施研究。如：開展“現(xiàn)澆混凝土梁自承重無支撐實用施工技術”研究等。
6.應加強預應力結構設計與施工的管理工作
黑龍江省預應力技術的發(fā)展速度和普及程度居全國前列，但預應力工程的設計水平參差不齊，個別工程設計存在概念錯誤和安全隱患，為了確保預應力工程的設計質量，江蘇省建設廳聘請呂志濤院士、楊宗放教授、孟少平教授、姚明明教授級高工、蔣應龍教授級高工等幾位專家對全省的預應力工程設計圖紙進行審查?？陀^地講，預應力施工較預應力設計的問題還多：
有的工程張拉端留設位置不當，造成柱根直剪破壞；有的工程由于預應力筋配置過多，加之線型布置不合理，造成小跨預應力筋上部混凝土在張拉預應力筋過程中崩離原梁板；還有的工程梁端的預應力筋根數(shù)和體內的預應力筋根數(shù)不等，出現(xiàn)嚴重的預應力筋抽條現(xiàn)象；預應力混凝土工程對于混凝土強度等級的要求是嚴格的，但不少工程實配混凝土強度等級遠小于設計混凝土強度等級；預應力混凝土結構的局部受壓承載力水平的高低，是整個預應力混凝土結構成敗的關鍵因素之一，但目前大量預應力混凝土工程存在張拉端與錨固端混凝土澆筑不密實，出現(xiàn)蜂窩狗洞的現(xiàn)象；預應力筋和錨具的質量，是預應力工程的關鍵，但由于預應力工程的投招標過程中存在嚴重的競相壓價現(xiàn)象，如果按照定額標準去購買預應力筋和錨具，中標企業(yè)將出現(xiàn)嚴重虧損，致使大量質量低下的預應力材料用于我省的建筑工程；工程建設現(xiàn)場大包單位與預應力施工隊伍互不配合，造成預應力工程預應力筋實際線型與設計線型嚴重偏離，由于預應力筋要承擔總抗力的60％以上，工程的安全性和適用性可想而知；張拉用預應力千斤頂不按期校驗，致使有的工程從油表讀得的張拉力遠未達到張拉控制應力，但預應力筋已被拉斷，估計油表讀數(shù)達到張拉控制應力，但預應力筋實際應力水平低于設計張拉控制應力的情況也不在少數(shù)；英國對后灌漿預應力混凝土的應用進行了嚴格管制，主要是因為漿體膨脹引起梁的縱向裂縫，而我國孔道灌漿主要是采用W/C＝045、加入水泥用量萬分之一的鋁粉（水泥通常為425＃水泥）的素漿，在攪拌水泥漿的過程中鋁粉始終處于漂浮狀態(tài)，漿體內膨脹劑分布不均勻，灌漿質量令人擔憂；檢驗預應力筋和錨具的正負公差及硬度匹配對二者協(xié)調工作影響的預應力筋－錨具組裝件試驗更是很少進行，致使有些工程直至張拉和錨固預應力筋時才發(fā)現(xiàn)二者不能協(xié)同工作；監(jiān)理公司要本著對建設單位和工程質量高度負責任的精神，做好預應力工程的監(jiān)理工作，目前監(jiān)理公司更多的是關注混凝土和普通鋼筋的督察，而將起著重要作用的預應力遺忘了；探究預應力工程存在眾多問題和隱患的根本原因可能還在于我省土木工程大軍對預應力知識的積累欠缺，如若可能，黑龍江省可組織預應力技術專題培訓班。
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