07郑文忠-黑龙江省预应力混凝土结构研究与应用.doc

中国预应力技术五十年暨第九届后张预应力学术交流会论文2006年 黑龙江省预应力混凝土结构研究与应用 郑文忠 王英 周威 （哈尔滨工业大学 土木工程学院，黑龙江 哈尔滨150090） 摘 要扼要介绍了预应力混凝土结构的概念及工作原理，总结了近十年来黑龙江省在预应力混凝土结构方面的创新与贡献，提出了黑龙江省发展预应力混凝土的若干建议。 关键词预应力；混凝土；结构；现状；展望 作者简介郑文忠，男，博士，教授，博士生导师 基金项目国家自然科学基金项目（50178026），教育部新世纪优秀人才支持计划项目（教科司[2005]290号）。 1 预应力混凝土结构的概念及工作原理[1] 黑龙江人对“预应力混凝土”并不陌生，因为二十世纪五十年代，也就是新中国成立之初，苏联帮助中国发展预应力就是从黑龙江开始的。直至二十世纪八十年代中期的三十多年的时间，我国主要以推广以冷拉钢筋、冷拔钢丝及中强钢为预应力筋的预制预应力混凝土构件为主，不容否认，预制预应力混凝土构件为我国量大面广的土木工程建设做出了重要贡献。 进入二十世纪八十年代中期，随着材料工业的发展，张锚体系的改进，计算手段的进步，我国在杜拱辰等老一辈预应力专家的倡导下，一大批专家学者开展了将“预应力”由“构件”发展到“体系”的探索，经过近二十年的不懈努力，包括黑龙江省在内的我国土木工程界已呈现出欣欣向荣的“现代预应力混凝土结构”新局面。 所谓现代预应力混凝土结构是指采用高强钢材、较高强度等级的混凝土，通过先进的设计理论和先进的施工工艺建造起来的配筋混凝土结构。现代预应力混凝土结构与传统预应力混凝土结构的区别，主要有如下几点⑴现代预应力混凝土结构中的预应力筋是以抗拉强度标准值fptk＝1860N/mm2的φs15钢绞线为主导钢材，而传统预应力混凝土结构中的预应力筋多为冷加工钢材;⑵现代钢筋混凝土结构所用的混凝土应为C40～C60,而传统预应力混凝土结构所用混凝土多为C30左右；⑶现代预应力混凝土结构以大跨超静定结构为主，顺利实现了“预应力”由“构件”向“体系”的跨越，而传统预应力混凝土主要以预制预应力混凝土构件为主；⑷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。 预应力混凝土结构的工作原理是通过对混凝土结构合理布置并张拉预应力筋产生与外荷载效应相反的等效荷载，该等效荷载可以抵消部分或全部外荷载，使结构受到的实际剩余荷载明显减少，从而可实现当梁板跨度和所受外荷载相同时，截面尺寸明显减少；截面尺寸和所受外荷载相同时，结构跨越的跨度明显增大的目的。 2 黑龙江省在预应力混凝土结构方面的创新与贡献 2.1参与提出了预应力混凝土结构裂缝控制及验算建议[2,3,4] 二十世纪九十年代初期，针对我国混凝土设计规范GBJ10-89对高强钢丝、钢绞线作预应力筋的预应力混凝土结构构件裂缝控制过严，由裂缝控制方程计算确定的预应力筋远远大于结构抗力所需的预应力筋这一突出问题，哈尔滨工业大学参与提出了以高强钢丝、钢绞线作预应力筋的预应力混凝土结构构件裂缝控制及验算建议，该建议是混凝土结构设计规范（GB50010-2002）制定预应力混凝土结构构件裂缝控制等级及最大裂缝宽度限值的参考依据之一。 2.2 参与建立了后张预应力平板-柱结构合理计算模式和方法[5] 1992年2月－1995年5月,作者攻读东南大学博士学位期间，在导师吕志涛院士的指导下，通过两个钢平板-柱结构模型和一个后张预应力混凝土平板-柱结构模型的试验研究和理论分析，揭示了平板-柱结构在竖向荷载及水平荷载下的受力机理，完善了这种结构在竖向荷载及水平荷载下的内力计算方法，给出了该结构预应力效应的分析方法，解决了该结构内力计算与位移计算不协调这一棘手问题，并使这种结构在竖向荷载下与水平荷载下的计算得到统一，提出了这种结构抗震设计建议和有关构造措施。1999年6月编著出版了后张预应力混凝土平板-柱结构设计与工程施工实例一书。研究成果在大黑河岛国际商贸城、哈高科综合厂房等一大批工程中得到成功应用。 普通混凝土平板-柱结构的柱网尺寸多为4.5m4.5m，一根内柱支承的楼盖面积约为20m2左右，而后张预应力混凝土平板-柱结构的经济柱网尺寸为7m7m～10m10m，一根内柱支承的楼盖面积为50m2～100m2，后张预应力混凝土平板-柱结构房屋较普通混凝土平板-柱结构房屋可减少内柱60％～80％，房屋的使用功能明显改善，房屋的通用性明显增强。 2.3 提出了预应力混凝土结构设计统一理论[1,6,7，8] 1995年5月－1997年10月，作者针对预应力混凝土超静定结构设计的经典方法中次内力概念过于抽象、次内力计算过于复杂、通过次轴力考虑侧限对预应力传递及设计计算结果影响过于困难等突出问题，引入了预应力筋两阶段工作原理，为从本质上把握预应力混凝土结构的力学行为创造了条件。将预应力混凝土结构人为地分为无侧限结构和有侧限结构两大类，提出了侧限影响系数的概念和取值方法，建立了合理考虑侧限的预应力混凝土结构设计计算方法。为合理设计有明显侧限的预应力混凝土结构提供了依据。从而实现了预应力混凝土结构与普通混凝土结构设计计算的统一，静定与超静定预应力混凝土结构设计计算的统一，有侧限与无侧限预应力混凝土结构设计计算的统一，预应力混凝土结构两类极限状态设计计算的统一，在一定程度上揭开了预应力结构设计的“神秘面纱”。1998年底，编著出版了预应力混凝土房屋结构设计统一方法与实例一书。这一研究成果在多项标志性工程的设计建造中得到成功的应用。 2.4 改进了预应力混凝土连续梁板结构塑性设计方法[9,10,11，12] 二十世纪九十年代中期，一大批国内外学者开展了预应力混凝土连续结构力学行为的试验研究工作，探讨了次内力的存在及变化规律，积累了宝贵的试验数据。哈工大又以相关试验数据为基础，建立了支座控制截面弯矩调幅幅度与支座塑性铰转动能力的关系式，考虑了预应力度、预应力筋有效预应力水平、预应力筋与非预应力筋匹配关系及预应力筋与非预应力筋综合配筋指标等关键参数对弯矩调幅幅度的影响，使预应力混凝土连续结构塑性设计方法趋于合理。2002年初我们出版了超静定预应力混凝土结构塑性设计一书，研究成果在多项预应力混凝土肋梁楼盖的工程中得到成功应用。 2.5丰富和发展了住宅预应力混凝土楼盖体系[13] 为顺应住宅建筑向着大户型、套内无梁、无柱、无隔墙的发展趋势，克服按双向均匀布置预应力筋的双向板配筋多、造价高、施工困难等弊端，1998年4月至2001年8月，哈尔滨工业大学通过试验研究和理论分析，突破荷载平衡法的传统概念，揭示了按双向中间密布预应力筋的双向板承载力最高的规律，并提出了有关设计方法和构造措施。这一研究成果得到了广泛应用，据不完全统计，哈尔滨市已建成包括哈市地税局住宅楼在内的预应力高层住宅达数十栋之多。 2.6 无粘结预应力混凝土结构研究取得系列成果[14,15] 针对预应力筋和非预应力筋总配筋指标相同，而预应力筋配筋指标和非预应力筋配筋指标不同时，混凝土结构中无粘结预应力筋极限应力实测值差别较大这一突出问题，我们提出了应以预应力筋配筋指标、非预应力筋配筋指标为关键参数的无粘结筋极限应力计算公式，并将计算公式发展到连续结构，从而使无粘结预应力混凝土结构的抗力计算趋于合理。 针对无粘结筋相对于其周围混凝土可发生纵向相对滑动，在受弯构件中的无粘结筋对构件抗弯刚度的贡献及其对裂缝开展的抑制作用小于有粘结预应力筋这一客观分析，为了实现无粘结与有粘结预应力混凝土受弯构件刚度及裂缝宽度计算方法的协调和统一，1999年10月至2003年6月，通过研究，提出了受弯构件中无粘结筋等效折减系数的概念，并通过对无粘结预应力混凝土受弯构件的变形试验数据和按已有公式对设计试件的变形试算数据进行分析，得出了无粘结筋等效折减系数的建议取值。用等效纵向受拉钢筋配筋率代替有粘结预应力混凝土受弯构件刚度计算公式中纵向受拉钢筋配筋率，用等效纵向受拉钢筋面积代替用于计算有粘结预应力混凝土受弯构件裂缝宽度的纵向受拉钢筋应力增量计算公式中的纵向受拉钢筋面积，就可分别得到与有粘结相协调的无粘结预应力混凝土受弯构件刚度及裂缝宽度计算公式，二公式计算结果与试验结果均吻合良好。 相关研究成果已在多项工程设计中得到成功应用。 2.7 改进了预应力锚具下混凝土局部受压承载力计算方法[16] 预应力锚具下混凝土局部受压承载力计算及锚头配筋构造问题，是预应力混凝土工程设计中最受关注的问题之一。据不完全统计，约有80％的预应力混凝土工程的质量事故是由锚具下混凝土局部受压承载力取值不合理及锚头配筋构造不当引起的。 混凝土结构设计规范（GB 50010-2002）所给混凝土局部受压承载力计算公式确切地讲只适用于单束（根）预应力锚具下混凝土局部受压承载力计算或局部受压计算底面积Ab不重叠时的预应力锚具下混凝土局部受压承载力计算，而实际后张预应力混凝土工程中的结构构件多为布置多束（根）预应力筋，且相邻束（根）预应力锚具下混凝土局部受压计算底面积Ab是重叠的，为使锚具下混凝土局部受压承载力计算方法满足预应力混凝土工程建设的需要，应用ANSYS软件分析了相邻锚具下混凝土局部受压计算底面积重叠时锚具下混凝土中应力分布规律，结合有关试验数据，提出了预应力锚具下混凝土局部受压何时按整体计算、何时按各束分别计算的计算准则。建立了适用范围清晰、计算步骤可操作性强，可用于工程设计的密布预应力束锚具下混凝土局部受压承载力的设计计算方法。 相关研究成果已成功地应用于多项密布预应力束的大跨框架结构、转换层结构及重载大板工程的锚具下混凝土局部受压承载力计算及锚具影响区设计，确保了工程质量。 2.8 预应力混凝土结构抗火研究取得初步成果[17,18,19,20] 结合黑龙江省杰出青年科学基金项目“预应力混凝土结构抗火性能与火灾后损伤评估与修复”课题的研究，基本摸清了按标准升温曲线升温预应力混凝土结构构件温度场的分布规律，提出了高温下预应力筋预应力损失的时随分析方法，探讨了温度荷载所引起超静定预应力混凝土结构温度次反力及温度次内力的特点，可模拟高温下预应力混凝土结构灾变的全过程，为完善预应力混凝土结构抗火设计方法，提供切实可行的救火策略和扑火方案等提供了理论基础。 2.9 丰富了体外预应力混凝土结构设计理论和方法[21] 为满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，哈尔滨工业大学张树仁教授等十几年来一直致力于体外预应力混凝土结构的开拓，通过试验研究和有限元分析，揭示了体外预应力混凝土结构中锚头及转向装置的受力机理，建立了体外索应力增量的计算公式，形成了体外预应力混凝土结构的设计方法，编著出版了体外预应力方面的著作，相关研究成果在吉林八宝栏子桥等工程建设中得到成功应用。 2.10 研发了预弯预应力混凝土桥梁结构设计理论与施工方法[22,23] 将通过张拉预应力筋建立混凝土中预应力的思想进行延伸，完善了通过设置预弯型钢来建立混凝土中预应力的思想。哈尔滨工业大学黄侨教授等通过研究，提出了预弯型钢预应力混凝土梁的全寿命时效分析方法，建立了这类梁抗力及刚度和裂缝的计算公式，研制了有关施工装备，形成了这种结构的设计与施工成套技术。相关研究成果在哈尔滨市二环路-河图街高架桥等多座市政桥梁建设中得到成功应用。 2.11成功地将预应力技术用于既有房屋功能改造与增层改造[24,25] 哈尔滨工业大学与有关设计院合作，创造了多个既有房屋套建增层结构型式，探讨了各套建增层结构型式的适用范围、计算理论、构造措施与施工工法，完成了哈医大一院实验楼套建增层工程、绥芬河青云市场套建增层改造工程等多项工程的设计实践。哈尔滨工业大学与有关设计院合作，应用预应力的自平衡原理，完成了大兴安岭防火指挥中心抽柱改造设计等多项功能改造的设计实践。 3 对黑龙江省发展预应力混凝土的若干建议 3.1积极开展预应力超高强混凝土结构研究 国际上混凝土技术发展很快，先进国家的混凝土强度等级平均为C50～C60，预应力混凝土已达C70，活性粉末混凝土实验室已能配制出C800～C1000，工程中已可用到C220。为满足我国现代建筑更高的使用功能要求、更高的耐久性要求、更高的生产工艺要求，研发超高性能、超高强混凝土，并进行预应力超高强混凝土结构方面的开拓，已成为黑龙江省混凝土及预应力混凝土科技工作者的重要使命之一。 3.2加强FRP筋预应力混凝土结构研究 近年来，国外关于粘贴纤维片材加固混凝土结构的研究及应用非常盛行，纤维增强聚合物筋Fiber Reinforced Polymer简称FRP筋代替高侵蚀环境下混凝土结构中普通钢筋已引起土木科技工作者的广泛关注，纤维增强聚合物型材代替型钢已用于试点桥梁工程实践。我们也关注到，由于纤维增强聚合物筋强度很高，弹模与钢材基本持平，当结构破坏或不能正常使用时一般其强度不能得以充分发挥。为此，我们建议开展纤维增强聚合物筋预应力混凝土结构研究，这样既提高工程的耐久性，又使纤维增强聚合物筋的强度得以充分发挥。 3.3宜大力开展预应力轻集料混凝土结构研究 黑龙江省轻集料资源丰富，克东浮石和多个厂家生产的陶粒，为开展预应力轻集料混凝土研究与实践创造了条件。这么多年来陶粒生产企业之所以一直难以发展，一方面陶粒确实比石子贵，另一方面陶粒质量也有待再上新台阶。从保护环境，变废为宝的高度应大力发展预应力轻集料混凝土。这是我国土木工程可持续发展的需要。 3.4加强寒区预应力混凝土结构特性研究 预应力钢丝钢绞线在负温条件下环境温度越低，其弹性模量越高。负温时建立的预加力到常温后将有一定幅度的降低，使得工程结构偏于不安全。负温下预应力钢筋变脆，易发生脆断。因此，通过研究，确定预应力筋负温脆断临界温度、弹模随温度变化规律及负温下张拉控制应力的取值方法是必要的。 3.5强化大型复杂预应力混凝土结构的施工措施 研究 近年来，国外纷纷成立了虚拟建筑研究中心，利用计算机仿真大型复杂结构的施工全过程，让可能发生的工程事故和可能遇到的施工问题展现在虚拟（仿真）过程中，确保大型复杂工程建设的万无一失。就预应力混凝土结构而言，应重点开展预应力混凝土巨型框架结构及预应力混凝土悬吊结构的关键施工措施研究。如开展“现浇混凝土梁自承重无支撑实用施工技术”研究等。 3.6应加强预应力结构设计与施工的管理工作 黑龙江省预应力技术的发展速度和普及程度还是比较理想的，但预应力工程的设计水平参差不齐，为了确保预应力工程的设计质量，建议聘请若干名有较丰富预应力工程设计经验的专家负责对全省的预应力工程设计图纸进行审查。建议举办预应力技术培训班，制定并实施预应力工程施工管理条例，确保预应力工程建设的质量。 （本文系作者向黑龙江省建设厅所提报告节选） 参 考 文 献 [1]郑文忠，王英.预应力混凝土房屋结构设计统一方法与实例[M].哈尔滨黑龙江科学技术出版社,1998. [2]吕志涛，杨建明.部分预应力混凝土框架结构的预应力度及配筋选择，建筑结构.1993，9 [3]孙宝俊，郑文忠，吕志涛.部分预应力混凝土结构裂缝控制设计建议.中国公路学报.1995,（2），61-64 [4]郑文忠.无粘结预应力混凝土结构裂缝控制及验算建议.哈尔滨建筑大学学报.1996,296，21-25 [5]郑文忠，愈伟根，吕志涛.后张无粘结预应力平板-柱结构合理计算模式和方法的研究. 工程力学，1995,123，39-54 [6]郑文忠，计学闰，廉晓飞，张耀春.预应力混凝土结构承载能力极限状态设计统一公式.哈尔滨建筑大学学报.1998,315，14-19 [7]郑文忠，王英，计学闰，张耀春.预应力混凝土结构设计统一方法.工业建筑.1999,293，19-20 [8]郑文忠，周威.预应力混凝土结构侧向约束影响的分析方法.哈尔滨建筑大学学报.2001,346 [9]郑文忠，王英，李和平.预应力混凝土连续梁结构塑性设计新模式上预应力混凝土连续梁结构塑性设计研究现状与展望.哈尔滨建筑大学学报.2002,355，9-12 [10]郑文忠，王英，李和平.预应力混凝土连续梁结构塑性设计新模式中预应力混凝土连续梁结构塑性弯矩计算方法.哈尔滨建筑大学学报.2002,356，6-13 [11]李和平，王英，郑文忠.预应力混凝土连续梁结构塑性设计新模式下预应力混凝土连续梁结构塑性设计建议.哈尔滨建筑大学学报.2002,356，10-13 [12]郑文忠，李和平,王英.超静定预应力混凝土结构塑性设计[M]，哈尔滨工业大学出版社，2002 [13]郑文忠，詹界东.不同预应力筋布筋型式双向板的受力性能及承载力计算.土木工程学报.2002,356，48-52 [14]郑弦.两跨预应力混凝土连续梁中无粘结筋极限应力计算方法[D]，哈尔滨工业大学硕士论文，2003，6， [15]解恒燕.与有粘结相协调的无粘结预应力受弯构件刚度裂缝计算[D]，哈尔滨工业大学硕士论文，2003，6. [16]郑文忠，张吉柱.密布预应力束锚具下混凝土局部受压承载力计算方法研究[J]，建筑结构学报，2003，6. [17]郑文忠，许名鑫，王英.钢筋混凝土及预应力混凝土材料抗火性能.哈尔滨建筑大学学报. 2002,354 [18]许名鑫，郑文忠.钢筋混凝土材料及结构的抗火试验方法.低温建筑技术.2003,No.966，46-48 [19]许名鑫.火灾下预应力混凝土结构构件力学性能分析[D].哈尔滨工业大学硕士论文，2003，6. [20]郑文忠，许名鑫，王英.火灾后哈尔滨道里西四道街商住楼混凝土结构损伤评估与修复措施[R].哈尔滨工业大学土木工程学院，2004.4 [21]王宗林，张树仁，王潮海.体外预应力混凝土简支梁的效率配筋设计，土木工程学报，2003（12），1-7 [22]黄侨，任廷柱，张树仁.预弯组合梁桥的全时程时效分析理论及试验研究.中国公路学报，1999（4），37-44 [23]黄侨，吴红林，陈雪枫.预弯组合梁桥的全时程时效分析理论及其应用，哈尔滨工业大学学报，2003（5） [24]郑文忠，解恒燕，郑弦，潘景龙. 大兴安岭森林防火指挥部抽柱改造设计. 建筑结构. 2002, 3211，14-15 [25]郑文忠，周威，田石柱等. 预应力混凝土巨型框架增层结构设计与测试分析[J].建筑结构，2004，349,1-5