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黑龙江省预应力混凝土结构发展现状与展望
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内容提示：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。
一、预应力混凝土结构的概念及工作原理
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，包括哈尔滨工业大学卫纪德教授在内的一批专家学者开展了将“预应力”由“构件”发展到“体系”的探索，在建设部和地方政府的正确领导和大力支持下，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或合理布置并顶压预弯型钢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。
二、我省在预应力混凝土结构方面的创新与贡献
1.提出了预应力混凝土结构裂缝控制及验算建议
二十世纪九十年代初期，哈尔滨工业大学卫纪德教授等针对我国《混凝土设计规范》（TJ10-74）和（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，与相关单位共同提出了以高强钢丝、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，该建议后来成为了《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.建立了后张预应力平板-柱结构合理计算模式和方法
1992年2月-1995年5月，哈尔滨工业大学郑文忠教授与其导师吕志涛院士一道，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，建立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，该书是国内第一本系统论述后张预应力混凝土平板-柱结构方面的著作。相关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，黑龙江省在设计建造后张预应力混凝土平板-柱结构方面走在了全国的前列。
普通混凝土平板-柱结构的柱网尺寸多为45m×45m，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7m×7m～10m×10m，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。
3.提出了预应力混凝土结构设计统一理论
1995年5月—1997年10月，哈尔滨工业大学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奠定了基础。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，哈尔滨工业大学编著出版了《预应力混凝土房屋结构设计统一方法与实例》一书。这一研究成果受到了预应力工程界的高度重视，不少单位将研究工作转到哈工大所提出的预应力混凝土结构设计统一理论的总体框架内来进行。同时，这一研究成果也在多项标志性工程的设计建造中得到成功的应用。
4.改进了预应力混凝土连续梁板结构塑性设计方法
二十世纪九十年代中期，包括哈尔滨工业大学卫纪德教授在内的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，并合理考虑了预应力度、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3月哈尔滨工业大学编著出版了《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。
5.丰富和发展了住宅预应力混凝土楼盖体系
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。预应力混凝土平板与异型柱、短肢剪力墙等结合，可构建出现代住宅结构体系，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，走在了国内的前列。
6.无粘结预应力混凝土结构研究取得系列成果
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千差万别这一突出问题，提出了应以预应力配筋指标、非预应力筋配筋指标和总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，哈工大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有粘结预应力混凝土受弯构件裂缝宽度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。
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200804/10192.htm
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