预应力技术在建筑结构设计中的应用
【摘 要】随着经济的迅猛发展，建筑结构不仅仅只要安全稳固，还要带来舒畅的空间和人文美感。预应力技术的出现，轻松的解决了这些难题。本文紧紧围绕着预应力技术，简要探讨了其在结构设计中的应用。
【关键词】预应力；建筑结构；应用
1 预应力技术概述
预应力技术一般是指对结构构件中的钢筋预先施加应力的技术，用以改善结构构件的受力性能。比如在承受外荷载之前，对受拉模块中的钢筋，施加预压应力，可以提高构件的刚度，推迟裂缝出现的时间，增加构件的耐久性。中国人在很早以前就懂得运用这种技术。人们通过在木桶周围套上铁皮或竹箍，以紧密木条，提高木桶的刚度。这里的铁皮或竹箍的作用就是对木桶壁产生一个环向的压应力，只要桶里的水压不大于这个预加的压应力，水桶就不会开裂不容易漏水。
人们对预应力技术按照不同的原则分类。按施加应力的方法，可以分为先张法预应力技术和后张法预应力技术；按纵向预应力度大小不同，可以为全预应力和部分预应力；按预应力钢筋与混凝土的结合情况，可以分为有粘结预应力和无粘结预应力；按施工方式，可以分为预制、现浇及叠和预应力。别看分类这么复杂，原理就和那木桶外围的铁箍一样，只不过制作工序不同。就好比先把铁箍做好预拉伸后套上木桶，这就是先张法；也可以把铁箍套上木桶后再拉伸拧紧，这就是后张法。
我们对预应力技术了解的早，掌握的早，但是要说系统的研究利用，还是在共和国成立以后。上世界五十年代的国情是，新中国刚成立，百废待兴，可是生产力低下，钢筋产量严重不足，再加上同时期国家借助苏联经济和技术的支援，新建和扩建了156个建设项目，留给民用的钢筋少之又少。也就是在那个时期，民间涌现了许多“竹筋房”，采用经过石灰水处理过的竹子代替钢材使用。笔者所在单位的办公楼，就是典型的一座“竹筋房”，目前仍在使用中。
到了五十年代中期，国内开始研究预应力技术。1955年，铁路部门研制成功我国第一片跨度12米的预应力混凝土铁路桥梁，1956年建成28孔24米跨的新沂河大桥， 1958年建成我国第一个预应力钢结构——25米跨的山西大同煤矿输煤栈桥，从而开始了国内预应力混凝土技术应用的篇章。
而在钢铁等资源充足的今天，仍然要在建筑结构设计中推广预应力技术。因为现代建筑追求的不仅仅是基本的功能设计要求，更多的是强调建筑空间的利用率及其带来的人文美感，而预应力技术独特的特点正是符合建筑结构的发展要求。以混凝土梁为例，普通的钢筋混凝土梁的设计跨度一般不会超过18米，而预应力钢筋混凝土梁在条件允许的话可以做到40米以上，运用预应力技术所带来的空间利用率的提升以及土建造价的节省，都是房产开发商所喜闻乐见的。如今的建筑结构设计工作已变得日益复杂而繁重，它不仅需要考虑建筑结构的安全耐久性，还要兼顾建筑的适用性和经济性，这些在客观上也刺激了预应力技术的发展。
2 预应力技术在建筑结构设计中的应用
建筑结构设计中用到预应力技术的地方主要是预应力平板结构、明梁大板框架（剪力墙）结构和转换层结构等。
2.1 预应力平板结构
近年来，建筑楼盖的抗裂性能、板厚、结构自重等均是设计难点，而预应力平板结构则可以有效处理这些问题。预应力无梁平板结构取消了室内明梁，仅仅在楼板周边、尺寸较大洞口周边和少数荷载较重的隔墙下部保留，整个顶板则为一个整体的平面，没有梁体的分割和梁高带来的高差。预应力平板结构的主要优势在于：（1）对于有地下室的建筑，这样的结构能减少基坑开挖深度和地下室埋深，从而减少了建筑耗材，更加经济实用；（2）减少层高，增加了楼层的有效净高；（3）预应力楼板给用户的空间自由度更大，空间可任意组合分隔；（4）避免了由于管线及通风管道的铺设降低层高的问题，同时方便了管道的安装；（5）预应力平板结构的预应力钢筋可以在楼板中产生一个轴向压力，使得平板的刚度提高，挠度减小，抗裂性能也大为提高，同时还减少了钢筋用量，降低了造价；（6）采用后张拉预应力技术的的构件在混凝土强度达到设计强度的75%后即可进行预应力张拉，张拉完成后即可拆除模板，施工速度要快于一般的梁板体系，而且提高了模板的利用率，大大缩短了施工周期。
预应力平板结构的设计也自成体系，以无粘结预应力混凝土平板结构为例，其设计步骤如下：（1）选择截面尺寸。在初步设计时，按跨高比求出板的最小厚度并且验算所选板厚的抗冲切能力；（2）预应力筋估算，包括预应力筋的线型选择和预应力筋的初步估算；（3）次内力与荷载效应组合计算，可以按照等代框架法或有限元法进行此步；（4）正截面承载力验算；（5）抗冲切验算。
虽然在目前的预应力平板设计过程中，仍然存在许多争议与问题，主要体现在结构的建模、预应力钢筋的估算与布置、极限状态和承载能力极限状态的验算等等，仍然需要设计人员大量的经验和不断的总结，但是预应力平板结构的优势是显而易见的，相信以后会被越来越多的工程所采用。
2.2 明梁大板框架（或剪力墙）结构
明梁大板框架结构是指在柱子（或剪力墙）间布置框架梁，在大板上布置隔墙的结构体系。这种结构与平板结构有很多相似之处，柱距大可以有效利用空间，省去了室内错综复杂的次梁，增加净高，抗裂性能好，节省材料、节省模板和人工，施工迅速。所不同的是，这种结构体系还带有明梁，仍然属于框架或剪力墙结构，可以用于平板结构所不太适宜的高层或抗震设防烈度比较大的地方。明梁大板框架结构体系配合预应力宽扁梁的使用，效果更明显，比如净跨8米左右的预应力宽扁梁可以做到400～450mm高，而普通混凝土梁的高度一般要做到650～700mm，采用预应力宽扁梁的设计大大节省了楼层净高。这种优点使得它不仅在住宅和办公楼得到了广泛的应用，而且在大型商场以及地下停车场的设计中也大受开发商的欢迎。
2.3 转换层结构
建筑转换层是指建筑物某层上下部分因平面使用功能的相异而采用了不同的结构类型，通过该层进行结构转换。多用于剪力墙结构和框架-剪力墙结构，它将上部剪力墙转换为下部的框架，以创造一个较大的内部自由空间。一般来说在大型商住楼的设计中采用的比较多，比如上部住宅剪力墙布置较密，而下部的商场或公共设施却希望有灵活的空间，柱网要大，剪力墙要少，解决这种矛盾最常用的途径就是设置转换层，用以传递剪力，约束变形。然而传统意义上，设置转换层从经济上必然带来造价的提升，许多开发商迫于经济预算都望而止步。于是采用预应力技术的转换层结构就应时而生。通过利用预应力技术的优势，可以有效减少结构构件的截面尺寸，减轻转换层的自重，减少转换层的刚度，以利结构的抗震，更可以有效控制梁板等构件的裂缝和挠度。而随着预应力技术的逐渐成熟，预应力材料及施工费随之降低，目前我国高层建筑转换层结构中采用预应力技术的情况也屡见不鲜了。预应力技术的日趋成熟，不仅能满足实际的基本要求，还能带来明显的经济效益，这些也说明了转换层结构中应用预应力技术的实例越来越多的原因。
其它的在一些大跨度悬挑结构、仓储筒、塔楼等特种结构设计中，也屡见预应力技术的身影，甚至在地下基础设计中，也有采用预应力技术的尝试。特别是绕丝后张拉预应力混凝土水池，在国内设计使用了几十年，利用预压应力来有效抵消水压，这同古人在木桶周围套上铁箍施加预应力何其类似，这是古代劳动人民的智慧在新时代的再次成功应用。
3 结语
经过不断的工程实践和探索，预应力技术已日趋成熟。建筑行业的发展趋势，也给预应力技术的应用带来了广阔的市场空间。凭借其在这一领域的强大生命力和竞争力，预应力技术在以后的时间里将得到更多的应用，也将更加完善。
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