摘要： 預應力混凝土是在第二次世界大戰后迫切要求恢復戰爭創(chuàng )傷、從西歐迅速發(fā)展起來(lái)的。半個(gè)世紀以來(lái)，從理論、材料、工藝到土建工程的各種應用，都取得了極其巨大的發(fā)展與成就。尤其是隨著(zhù)部分預應力概念的逐步成熟，突破了混凝土不得受拉與開(kāi)裂的約束，大大擴展了它的應用范圍。目前預應力混凝土已成為國內外土建工程最主要的一種結構材料，而且預應力技術(shù)已擴大應用到型鋼、磚、石、木等各種結構材料，并用以處理結構設計、施工中、用常規技術(shù)難以解決的各種疑難問(wèn)題。

　　關(guān)鍵詞： 預應力 混凝土結構

　　1  前言預應力混凝土是在第二次世界大戰后迫切要求恢復戰爭創(chuàng )傷、從西歐迅速發(fā)展起來(lái)的。半個(gè)世紀以來(lái)，從理論、材料、工藝到土建工程的各種應用，都取得了極其巨大的發(fā)展與成就。尤其是隨著(zhù)部分預應力概念的逐步成熟，突破了混凝土不得受拉與開(kāi)裂的約束，大大擴展了它的應用范圍。目前預應力混凝土已成為國內外土建工程最主要的一種結構材料，而且預應力技術(shù)已擴大應用到型鋼、磚、石、木等各種結構材料，并用以處理結構設計、施工中、用常規技術(shù)難以解決的各種疑難問(wèn)題。

　　我國預應力混凝土的起步比西歐大約晚10年，但由大規模建設的需要，不僅發(fā)展快，而且應用數量極為龐大。據1995年的不完全統計：采用預制預應力混凝土構件建造的各種單層工業(yè)廠(chǎng)房總面積達10億㎡，建造的城鎮住宅和農村房屋超過(guò)30億㎡，建造的40m跨徑以?xún)鹊蔫F路橋梁達30000孔，新建的公路和城市橋梁中，20m跨以上的占到85%以上。上述成就既對我國過(guò)去幾個(gè)“五年計劃”的基本.建設作出了巨大貢獻，又為國家節約了大量鋼、木材料。

　　改革開(kāi)放以來(lái)，我國高強鋼材生產(chǎn)好轉，為發(fā)展高效預應力混凝土追趕國際水平，創(chuàng )造了條件。近十幾年來(lái)，在應用高效預應力混凝土方面取得了較大的進(jìn)展。各種橋梁結構的型式、跨徑和施工方法都有了很大進(jìn)步。預制預應力混凝土簡(jiǎn)支架的經(jīng)濟跨度：鐵道橋架已擴大到 40m；公路與城市橋梁擴大到50m；預應力混凝土連續鋼構橋最大達270m；大跨度斜拉橋的跨徑：預應力混凝土橋面的達432m（銅陵長(cháng)江大橋），鋼與混凝土結合橋面的最大達 602m（楊浦大橋）。橋梁結構當前面臨的問(wèn)題主要是如何提高質(zhì)量，特別是耐久性問(wèn)題，而不再經(jīng)濟不經(jīng)濟、用與不用的問(wèn)題了。高效預應力混凝土在房屋建筑中的應用由于房屋建筑本身的特殊性，目前仍處于由低強鋼材向高強鋼材、向高效預應力混凝土過(guò)渡的階段，出現現澆后張熱、預制先張冷的現象，發(fā)展很不平衡，前景也不太明朗。

　　2  預制預應力混凝土的發(fā)展為什么停滯不前和就地現澆混凝土結構的建造方法相比，預制裝配是一種新的建造技術(shù)。這一新技術(shù)的真正突破是在二次大戰后的40年代后期，當時(shí)西歐大量重建工作急需進(jìn)行，特別是住宅房屋和橋梁結構。五十年來(lái)，預制混凝土結構在各國的發(fā)展不很平衡�？偟膩�(lái)講，預制預應力橋梁，由于經(jīng)濟上的優(yōu)勢，已為世界各國普遍采用，即使是以鋼結構為主的美國，50m以?xún)瓤鐝降念A制預應力橋，近年也已經(jīng)占到新建橋梁的50%以上，而鋼結構的則下降到25％；預制預應力混凝土在房屋建筑中的優(yōu)勢不如橋梁結構明顯，應用可分為預制標準構件（如多孔空心板、雙T板等）的應用和預制體系房屋建筑中的應用兩個(gè)方面。

　　2.1  預制預應力混凝土標準構件國際上的預制標準構件，種類(lèi)很多，但經(jīng)多年實(shí)踐和淘汰，認為用途廣、經(jīng)濟性好的構件最主要的有多孔空心板和雙T扳兩種，用于各類(lèi)房屋的樓蓋與屋蓋。多孔空心板與實(shí)心板相比，可節約混凝土大約50％和鋼材30%.過(guò)去150～200㎜厚的板主要用于6－12m跨的預制或有現澆面層的迭合樓蓋。目前北歐和西歐在辦公或其他類(lèi)似房屋中，厚400mm的多孔空心板已用到17m跨、厚500㎜的板已用到 2lm跨，跨高比 l/h=42，是非常薄的樓蓋。采用纖維高性能高強混凝土和密肋形式截面，北歐已生產(chǎn)出板厚儀為20㎜，跨度達6～30m的輕型屋蓋板，板目重僅100～200kg/㎡. 用折線(xiàn)配筋先張法生產(chǎn)的雙T與單T板是50年代初期從美國開(kāi)發(fā)出來(lái)長(cháng)跨樓（屋）蓋構件，雙T板常用跨度為10～25m，單T板近年已少用。雙T板最初的截面寬僅1.22m，肋高0.46m.“以后隨著(zhù)生產(chǎn)技術(shù)和混凝土強度的提高，截面逐步加寬加高，以提高經(jīng)濟效率。到90年代，最大截面加寬到3.66m，肋高加大到0.80m.當采用3.05m寬板代替2.44m寬板時(shí)，由于工、料、搬運、安裝等費用的節約，每辦板造價(jià)可大約節約17%.這兩種構件既能代替傳統結構材料的大跨度樓（屋）蓋構件，又能充分發(fā)揮預制預應力混凝土的潛在優(yōu)勢，因此具有強大的生命力，在美、加、西歐、北歐各國久盛不衰。

　　2.2  預制裝配式房屋結構有獨特的設計建造原則預制裝配式預應力混凝土房屋結構有它自身的規律性和特點(diǎn)，要求采用與現澆混凝土房屋結構不同的設計建造的原則。人們往往把預制裝配式混凝土房屋誤認為只是現澆房屋結構的另一種施工方法的替代產(chǎn)品，亦即預制意味著(zhù)只是結構的一部分改在預制工廠(chǎng)生產(chǎn)，然后再運到施工現場(chǎng)進(jìn)行安裝，使得盡可能滿(mǎn)足原來(lái)按現澆結構設計的要求。這種觀(guān)點(diǎn)實(shí)際上是錯誤的，和一開(kāi)始就考慮預制特點(diǎn)要求的預制方案相比，不僅設計質(zhì)量差，還會(huì )給施工帶來(lái)麻煩和困難，由于預制與現澆結構體系各有自身的特點(diǎn)，會(huì )或多或少地影響結構的平面布置、層高、穩定性和靜力體系等等。為此，對預制房屋結構的設計，從一開(kāi)始就應該根據結構的要求與特點(diǎn)，選用相應的預制結構體系方案。預制預應力房屋不一定全用預制，也可以用現澆混凝土作為梁、板、柱連續的接頭或作為現澆面以減輕預制構件運輸安裝時(shí)的自重，這種預制與現澆相結合的所謂“半裝配式”結構兼有預制與現澆兩者的優(yōu)點(diǎn)，基本上排除了兩者的弱點(diǎn)，避免了預制構件連結的困難，又不需要現饒的模板與支撐。過(guò)去許多個(gè)別設計的預制混凝土房屋或預制混凝土體系建筑之所以失敗和被淘汰，其原因就在這里。為了對預制預應力混凝土房屋建筑的設計提供幫助，國際上的一些學(xué)術(shù)團體，如FIP（國際預應力混凝土協(xié)會(huì )）、PCI（美國預制預應力混凝土協(xié)會(huì )）等都編制有專(zhuān)門(mén)的設計手冊；一些標準構件的生產(chǎn)廠(chǎng)，也都編制有專(zhuān)用的設計手冊，作為設計參考之用。

　　2.3  我國預制預應力混凝土的發(fā)展為什么衰落我國建工部門(mén)過(guò)去采用的以低強鋼材為主筋的預制預應力構件，主要有三方面的用途。首先是用于單層工業(yè)廠(chǎng)房屋蓋的屋架、屋面梁和大型屋面板，第二是用于城鎮的多層住宅和農村房屋樓（屋）蓋的短跨多孔空心板，第三是用于城市多層和高層住宅的小開(kāi)間大板體系建筑的墻板和樓板。上述構件基本上都是從代用的角度發(fā)展起來(lái)的，例如以預制混凝土屋架代替鋼屋架，以多孔空心板代替木樓蓋，以解決鋼材、木材供應的困難，并不能發(fā)揮預制預應力混凝土的潛力。80年代高強鋼材充分供應后，對這些早期形式的構件和結構體系又沒(méi)有及時(shí)進(jìn)行更新?lián)Q代，在經(jīng)濟上難以和其他結構競爭，以致工業(yè)廠(chǎng)房（倉庫食堂等）屋蓋逐步為鋼網(wǎng)架和輕鋼結構屋蓋所代替，民用建筑中的樓（屋）蓋除農村地區仍少量采用外，城鎮建筑的多層樓（屋）蓋已大都改用現澆鋼筋混凝土。和國外發(fā)達國家相比，我國預制預應力混凝土結構之所以衰退的原因主要還是技術(shù)上的，首先是構件跨度太小，形式陳舊，不能發(fā)揮預應力混凝土的優(yōu)勢；其次是缺乏對預制房屋結構知識，例如大板多層和高層公寓建筑，就由于開(kāi)間太小，承重墻過(guò)多，加之預制構件連結困難，用鋼量太大，缺乏經(jīng)濟競爭力而受到淘汰�？梢�(jiàn)我國預制混凝土難以持續發(fā)展并不意味著(zhù)預制預應力建筑的‘'山窮水盡“，只要進(jìn)行技術(shù)革新，采用新技術(shù)就大有發(fā)展前途。

　　3   現談后張無(wú)粘結預應力混凝土為什么造價(jià)偏高

　　3.l  預制與現澆、先張與后張各有合理應用范圍

　　近十幾年來(lái)，現澆后張結構與單根鋼絞線(xiàn)無(wú)粘結筋的應用已成為房建部門(mén)的熱點(diǎn)。作為填補技術(shù)空白、追趕國際水平，無(wú)疑這是正確的、必要的，但現澆與預制、后張與先張結構、有粘結與無(wú)粘結筋的應用，各有利弊，各有合理應用范圍。此外，用預制先張構件建造半裝配式結構時(shí)，就兼有預制與現澆、先張與后張的優(yōu)點(diǎn)�；�本上排除了現澆需要模板、預制構件連接困難的問(wèn)題。

　　3.2  現澆無(wú)粘結雙向平板是國際公認的最經(jīng)濟的大柱網(wǎng)樓板現澆無(wú)粘結預應力雙向平板是美國針對多層、高層建筑中要求采用大柱網(wǎng)樓蓋發(fā)展起來(lái)的。這種用單根張錨的無(wú)粘結鋼絞線(xiàn)筋的主要優(yōu)點(diǎn)在于噸位小，有利于在板類(lèi)結構中分散布筋，也有利于增大預應力筋的偏心距與抗彎力臂；張拉設備輕，施工方便。這種無(wú)粘結雙向平板可以做得比較薄，一般8m×8m辦公樓房的厚度僅為20㎝，有利于降低建筑層高；同時(shí)用鋼量少，造價(jià)低，因之具有強大的經(jīng)濟優(yōu)勢而成為美國用量最廣的一種結構體系�，F將辦公房與公寓用的兩種無(wú)粘結雙向板的尺寸和用鋼量列入表1. 由表1可見(jiàn)這種雙向無(wú)粘結平板的用鋼量是很省的，即使是 12.8×12.8m柱網(wǎng)的雙向密肋（WalleSlab）板（肋高43cm）和 13.4m × 9.1m 的寬扁梁雙向平板（梁寬 114cm，和梁高 40cm），總用鋼量亦分別僅為 4.94kg/㎡（內中預應力筋3.18kg/㎡，普通鋼筋1.76kg/㎡）和6.17kglmz（內中預應力筋4.16kglmz，普通鋼筋2.01kg/㎡）。上述用鋼量數字與 Malk Fintel著(zhù)混凝土工程手冊以及美國其他書(shū)刊所列的數據基本上是一致的，是可靠的。

　　3.3  我國現澆無(wú)粘結平板價(jià)格高的原困和解決辦法我國現澆后張無(wú)粘結雙向平板造價(jià)偏貴的原因在于普通鋼筋用量太多，而無(wú)粘結筋用量與國外相比差別不太大。普鋼用量大大是由于對無(wú)粘結筋耐久性的擔心，作為強度的第二道防線(xiàn)，因為現有工藝還不能完全滿(mǎn)足全封閉防水的要求。當然，設計、施工缺乏經(jīng)驗、技術(shù)規章制度不全、缺少有效的監督管理體制等等也都是原因。要降低普通鋼筋用量，一方面要投人力量認真解決單根鋼絞線(xiàn)無(wú)粘結束成套裝置的全封閉防水問(wèn)題，包括張拉端和固定端錨具與束的全封閉連接做法和提高塑料套管的韌性與強度，并取用ф12.7㎜鋼絞線(xiàn)代替十ф15.4㎜的鋼絞線(xiàn)以減少在工程應用中來(lái)與束的間距；另一方面，要努力學(xué)習和掌握國外設計、施工技術(shù)和有關(guān)規章制度，這些都是通過(guò)多次重復實(shí)驗驗證并經(jīng)過(guò)長(cháng)期實(shí)踐的經(jīng)驗總結，可以直接套用，作到迎頭趕上，從而避免“從零開(kāi)始”、“前無(wú)古人”的大量重復勞動(dòng)。這些困擾無(wú)粘結預應力筋的問(wèn)題，應該都會(huì )很快得到解決，無(wú)粘結筋不僅會(huì )價(jià)廉物美地大量用于平板結構，也會(huì )較多應用于其他結構，代替傳統的灌漿有料結后張預應力筋。

　　4  預應力混凝土要知識更新和技術(shù)改造

　　我國預應力混凝土的知識來(lái)源于50年代初期蘇聯(lián)的規范與教材，由于采用冷處理普通鋼筋作為預應力筋，生產(chǎn)工藝設備簡(jiǎn)單，符合我國國情，有利于捉進(jìn)我國預應力混凝土的迅速發(fā)展。另一方面，當時(shí)蘇聯(lián)的設計規范實(shí)際上是針對構件的截面核算，而很少涉及構件和結構的設計；教科書(shū)只是規范條文和公式的解釋而不是從學(xué)科出發(fā)編寫(xiě)的，具體表現為公式多、符號多、規定多、計算繁雜，令人難以.形成概念，更得不到學(xué)科性、系統性的學(xué)識。我國編制的規范與編寫(xiě)的教科書(shū)雖經(jīng)幾次修改與提高，有所發(fā)展與前進(jìn)，但從總體來(lái)講，由于種種原因，沒(méi)有跟上時(shí)代的步伐，沒(méi)有能擺脫50年代原蘇聯(lián)預應力混凝土規范的實(shí)質(zhì)。與國外采用高強鋼材與彈性理論的現代預應力混凝土學(xué)識相比，差距較大，既不利于學(xué)習和掌握，也不能適應現代化工程建筑設計應用的需要。值此即將加入世貿組織（WTO）、國際建筑力量競爭日益加劇之際，對我國建筑結構技術(shù)水平應有一個(gè)清醒的評價(jià)。與國外先進(jìn)技術(shù)相比，我國的差距是多方面，現僅舉出幾個(gè)方面的問(wèn)題進(jìn)行分析討論，來(lái)說(shuō)明知識更新的必要性。

　　4.1  彈性理論與設計計算方法

　　預加應力的目的主要在于提高使用荷載下構件的性狀�，F代預應力混凝土構件的截面設計（包括截面形狀、尺寸和預應力筋），國際上一般都是按使用荷載下混凝土與鋼材應力不超過(guò)容許應力限值確定的。這些應力限值是材料實(shí)際強度的某一百分率。由于在使用荷載了混凝土和鋼材的應力都相對較低，可以假定兩者都具有彈性性能，因此應力的計算采用材料力學(xué)彈性計算公式是合乎邏輯的。盡管截面是以容許應力為基礎確定的，但也要枚核有足夠的極限強度，以及校核使用荷載下的構件撓度與抗裂性。如極限強度不足，可以增加普通鋼筋彌補。預應力筋的初始張拉應力可按使用荷載下要求的總預加力，通過(guò)永存預應力（一般選用0.55～0.6fpu）反算來(lái)確定，張拉應力值可造當調整以滿(mǎn)足對摩擦損失和永存預應力的要求。50年代原蘇聯(lián)的規范與教材，熱衷于推廣破損階段設計法而排斥、否定用彈性理論的容許應力設計法，這對預應力混凝土設計計算造成很大困難，形成既要避免采用許可應力法（稱(chēng)之為舊法）而事實(shí)上又不得不采用的尷尬局面。當時(shí)為什么要提出要用δan（即相當于混凝土應力為0時(shí)預應力筋中的預應力）這一抽象的概念？為什么用嚴格要求不出現裂縫和一般要求不出現裂縫來(lái)劃分構件預加應力的程度而不直接用應力劃分？原因可能就在這里。這就為設計計算帶來(lái)很多麻煩。我國對預應力構件截面設計一般都是按極限強度確定的，然后再核算使用荷載下的抗裂性與撓度。對抗裂性的計算，則以張拉控制應力為基點(diǎn)，再求出永存預應力值與抗裂性。這樣的計算過(guò)程往往要經(jīng)過(guò)多次反復才能獲得滿(mǎn)意結果，計算工作量大。

　　4.2  計算的繁瑣與簡(jiǎn)化

　　如果對預應力混凝土的原理、生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)過(guò)程以及各個(gè)階段的預應力損失有所認識與理解，只需用幾個(gè)基本公式就可以計算直到使用荷載各個(gè)階段的應力與變形。國外教材對簡(jiǎn)支架預應力截面混凝土應力計算的示意圖只配底面預應力筋以示計算公式的來(lái)源與應用，簡(jiǎn)單明了。因為對高強鋼材而論，都用曲線(xiàn)或拆線(xiàn)筋，須面沒(méi)有配預應力筋必要，普通鋼筋的影響理論上該用換算截面，但實(shí)際上多忽略不計；至于混凝土收縮徐變對普鋼的影響是 有的，但也忽略不計。這樣做之后，大大簡(jiǎn)化了公式，對計算精度影響很小。因為高強鋼材的配筋率比較小，非預應力普通鋼筋配筋率也小，考慮不考慮，對截面特征值和所算的混凝土應力影響都不大，忽略后仍有足夠的精度。 我國規范與教科書(shū)對簡(jiǎn)文梁截面應力計算的示意圖，底面與項面都配有預應力筋與非預應力普通鋼筋，加之要考慮混凝土收縮徐變對普通鋼筋引起的壓力，單單計算預應力的合力與偏心距就不勝其煩，計算公式之長(cháng)，令人望而生畏！所謂精確與簡(jiǎn)化的計算差距，對低強鋼材預應力筋的截面應力可能達百分之十幾，但對采用高強鋼材做預應力筋的截面應力一般僅百分之幾而已。裂縫寬度的計算本來(lái)就不很精確，完全可以名義拉應力法來(lái)代替。其他計算公式也有類(lèi)似情況，可見(jiàn)我國設計計算方法的簡(jiǎn)化潛力很大。

　　4.3  技術(shù)名詞與本語(yǔ)

　　應該用國際通用的、正確的名詞替代一些陳舊的、不確切、含義不清的名詞與術(shù)語(yǔ)，例如：用“預應力混凝土”代替“預應力鋼筋混凝土”、用“預應力筋（鋼材）”代替“預應力鋼筋”，因為鋼絲、鋼絞線(xiàn)并不是鋼筋；用“瞬時(shí)損失”與“長(cháng)期損失”代替“混凝土預壓前（第一批）損失”與“混凝土預壓后（第二批）損失”：“張拉控制應力”應改為“初始張拉力”或“千斤頂張拉力”，因為真正控制預應力混凝土性能和設計的是“永存預應力”或“最終預應力”；對嚴格要求不出現裂縫、一般要求不出現裂縫和容許出現裂縫是早期的構件分類(lèi)法，應改為當前國際通用的“全”預應力混凝土“限值”預應力混凝土和“部分”預應力混凝土的分類(lèi)。這是幾個(gè)明顯的例子，另外還有一些就不再提了。改用這些術(shù)語(yǔ)與詞組概念明確，與國際接軌，有利于國內外交流。

　　上述分析，足以說(shuō)明過(guò)去我國行之有效的材料。理論與技術(shù)已時(shí)過(guò)境遷，落后陳舊。為此，對過(guò)去圍繞低強預應力鋼材發(fā)展起來(lái)的預應力混凝土構件的設計理論、計算方法、計算公式、結構構造、生產(chǎn)工藝與施工技術(shù)都有必要知識更新、轉變到以來(lái)用高強鋼材的現代預應力混凝土的軌道上來(lái)。為此建設從知識更新、技術(shù)改造出發(fā)，吸收國際最新理論與技術(shù)成就，編寫(xiě)新的教科書(shū)，闡述現代預應力混凝土系統理論和世界公認的設計方法與計算方法；設計規范也要同步進(jìn)行修改，解決公式多、符號多、規定多、概念少、理論少，以及計算煩瑣，邏輯混亂，難以學(xué)習和掌握的問(wèn)題，揭開(kāi)預應力混凝土的神秘面紗，為普及學(xué)科知識、培養大批預應力結構專(zhuān)業(yè)人才創(chuàng )造條件。

　　5  預應力技術(shù)要知識普及

　　我國推廣預應力混凝土已有四十多年的歷史，但普及程度不高，熟悉業(yè)務(wù)的專(zhuān)業(yè)人才不多，即使是一些甲級大設計院，迄今仍只有少數幾個(gè)專(zhuān)業(yè)工程人員，與60年代相比，進(jìn)展不大。為什么難普及？原因很多，但最主要的是預應力混凝土學(xué)科比較復雜，涉及領(lǐng)域有高強材料、生產(chǎn)工藝、機械設備、設計與施工等專(zhuān)業(yè)，而且這些技術(shù)交織在一起很難分開(kāi)，要掌握完整的學(xué)科知識，難度的確較大。在實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中，國外多采用專(zhuān)業(yè)分工與合作的方式進(jìn)行。例如預制預應力混凝土房屋的設計應與預制工廠(chǎng)合作；現澆后張預應力混凝土房屋的設計應與后張技術(shù)專(zhuān)業(yè)公司合作進(jìn)行設計。因此預應力混凝土的大學(xué)教材，都比較簡(jiǎn)單，著(zhù)重于學(xué)習預應力混凝土的原理、基本概念與簡(jiǎn)單的設計計算方法及結構應用，使讀者能獲得一個(gè)對專(zhuān)業(yè)的完整的基本知識。因之對設計理論與計算方法力求簡(jiǎn)單、通俗易懂，而不過(guò)分追求精確，等效荷載平衡法，名義拉應力法的廣泛應用亦就是這個(gè)道理。為了專(zhuān)業(yè)知識的普及與推廣，也有必要進(jìn)行知識的更新?lián)Q代。 由于房屋建筑的設計，建筑師是關(guān)鍵，因之知識的普及，對建筑師只要求了解這種結構的特殊性能、應用領(lǐng)域和經(jīng)濟價(jià)值，對結構的具體設計，由結構工程師進(jìn)行。預應力混凝土知識一旦為建筑師所掌握，就有　　可能創(chuàng )造出建筑奇跡，以下舉出兩個(gè)世界頂尖級建筑物的實(shí)例。 一個(gè)是作為2000年奧運會(huì )的標志性建筑物——悉尼歌劇院，它是采用預制混凝土塊體和后張預應力技術(shù)拼裝的大懸臂曲面寬間拱殼結構，如果不用預應力技術(shù)，建造這樣的結構是不可想象的。另一個(gè)是美籍華人貝聿明大師設計的、巴黎盧浮宮入口處雄偉壯觀(guān)的“金字塔形玻璃建筑物”，就是用三維布置的預應力索以保證這一玻璃建筑的幾個(gè)側面都是真正的平面，要不是用荷載平衡原理，要做到純平面幾乎是不可能的。