当前, 在多层大跨度、大空间建筑、高层建筑楼盖以及储仓和消化池等特种结构中常可见到预应力技术的身影。在近十多年中, 预应力材料、设备的生产水平和产业化水平得到很大的提高, 工程经验得到丰富的积累, 相关的预应力混凝土结构亦趋于大型化和复杂化。这样的改变一方面促进了预应力混凝土结构的多样化发展, 涌现了一系列新型预应力结构体系, 如纤维预应力筋混凝土结构、预应力型钢混凝土结构、后张预应力叠合结构等;另一方面, 它使得传统的预应力混凝土结构设计方法不再全面适用, 有必要进行完善和补充^[1,2]。

　　 文中将结合本课题组主编的两本规范:国家行业标准《预应力混凝土结构设计规范》 (JGJ 369—2016) ^[3] (简称国家规范) 和上海市《预应力混凝土结构设计规程》 (DGJ 08-69—2015) ^[4] (简称上海规程) 以及相关研究内容, 从新理论、新结构、新工艺及新材料等方面, 介绍近十多年来我国预应力混凝土结构领域的一些进展。

　　 现代预应力混凝土结构的主要特征已由简单受力构件转变成复杂受力结构。预应力次内力包括次弯矩、次剪力、次轴力和次扭矩等, 一般对结构设计有重要影响的是次弯矩, 但在复杂约束条件的情况下次轴力的影响同样不可忽略^[5,6,7]。

　　 文献[8]分析了次轴力对框架梁受力性能的影响, 并推导了全面考虑次内力影响的预应力混凝土框架梁的承载力计算公式。结合已有研究, 在《混凝土结构设计规范》 (GB 50010—2010) ^[9] (简称混凝土规范) 的基础上, 国家规范及上海规程中提出了全面考虑次内力的设计方法和要求。

　　 事实上, 实际建筑均为空间结构, 在预应力空间框架中, 尚应考虑次内力的空间效应。文献[10]利用有限元软件, 比较了平面框架与空间框架的次弯矩, 发现两者最大误差可达1 435%。故对于一些复杂空间预应力结构, 有必要考虑次内力的空间作用。当前, 对空间次内力的影响多为定性认识, 如何在设计公式中具体考虑空间次内力作用待进一步研究。

　　 在大型工业和民用建筑中, 出现了越来越多的超长混凝土结构, 混凝土收缩徐变、水化热以及温差等效应将使超长结构产生变形, 导致结构大范围开裂, 影响建筑正常使用^[11]。

　　 与传统的超长结构定义不同, 本课题组提出了“广义超长结构”的概念, 认为“当钢筋混凝土结构单体长度小于混凝土规范规定, 由于结构约束较强, 导致在荷载和混凝土收缩、徐变、温差等间接作用下, 构件受力超过设计限值时”, 该结构便可视为超长结构^[12,13]。并建议对约束条件较为复杂的混凝土结构, 需进行整体模型分析, 将混凝土收缩变形等效为当量温降, 温度效应则采用季节温差进行考虑, 最后将弹性分析结果乘以徐变系数, 从而考虑了徐变作用。相关内容已被纳入国家规范中。

　　 超长结构中混凝土的开裂与约束作用密切相关。“抗”和“放”是传统混凝土抗裂的两大原则, 其中“放”便是对约束的释放。在此基础上, 本课题组提出了更为能动的“防”的概念, 认为应在设计阶段便引入裂缝控制的概念, 主要是通过合理布置侧向约束 (柱、墙等) 来实现良好的裂缝控制效果。

　　 预应力型钢混凝土具有承载力高、刚度大、截面小、裂缝易控制等优点, 适用于大跨、重载结构。课题组进行了10榀接近足尺的大比例预应力型钢混凝土框架的竖向静力及竖向低周反复荷载试验, 对其破坏形态、裂缝的开展与分布、刚度变化、弯矩调幅、抗震性能等特征进行了一系列相关研究, 提出考虑次内力包括次弯矩、次轴力的预应力型钢混凝土结构的抗弯极限承载力、抗裂度、刚度及最大裂缝宽度计算方法^{[14,15,16,17]}。此外, 文献[18]基于平截面假定推导了不同状态下预应力型钢混凝土结构的抗弯承载力计算公式。结合上述研究成果及已有《型钢混凝土组合结构技术规程》 (JGJ 138—2001) ^[19], 在国家规范及上海规程中均给出了预应力型钢混凝土结构的相关设计方法, 全面考虑了次内力的影响。

　　 需要注意的是, 国家规范中抗弯承载力计算公式默认型钢上翼缘受压屈服, 对于受拉或受压不屈服的情况可能并不适用, 在需要精确计算结果的情况下建议参考文献[18], 但计算过程相对复杂。

　　 体外预应力结构相比于体内预应力具有截面小、自重轻、易更换等特点, 故在新建结构及既有结构加固中得到广泛应用。在体外预应力结构中, 需要格外注意体外筋的防腐措施, 避免体外筋的腐蚀。

　　 体外预应力梁与无粘结预应力梁在受力原理上基本相同, 故其正截面抗弯承载力可按无粘结预应力构件的方法进行计算。但相比无粘结预应力结构, 体外预应力结构尚存在二次效应, 故其预应力筋的极限应力增量要明显小于无粘结预应力结构^[20,21]。国家规范及上海规程中, 结合国内外117个体外预应力混凝土梁的试验结果及相关工程经验, 将简支梁及连续受弯梁的应力增量取为100MPa, 对于悬臂受弯构件则取50MPa, 这种取用常值的做法简单、可靠^[22]。使用阶段验算则参考一般预应力混凝土结构的计算方法。在计算纵向受拉配筋率时部分考虑体外预应力筋的作用, 折减系数取为0.2, 通过对体外预应力构件试验结果拟合得到。

　　 传统钢筋混凝土结构中, 始终存在着钢筋、预应力筋等钢材的腐蚀问题。纤维材料筋的使用则较为彻底地解决了腐蚀问题, 其抗拉强度高、耐腐蚀性强、容重小, 非常适合作为预应力筋使用^[23,24,25]。

　　 上海规程中对纤维复合材料预应力筋混凝土结构的设计进行了相关规定。有关条文主要参照了我国现行规范《纤维增强复合材料建设工程应用技术规范》 (GB 50508—2010) ^[26]以及美国ACI 440委员会颁布的《预应力纤维增强复合材料筋混凝土结构》 (ACI 440.4R-04) ^[27], 详细内容见文献[26,27]。

　　 预应力混凝土叠合构件具有施工简便、抗裂性好、承载力高、绿色环保等特点, 在工程中得到广泛应用, 且符合当前建筑结构产业化的需求^[28,29]。在上海规程中给出了预应力叠合构件在施工阶段及使用阶段的计算方法。

　　 缓粘结筋作为一种新的工艺形式, 利用时间差, 很好地避免了无粘结筋与有粘结筋各自的缺点。它在张拉阶段与混凝土间可自由滑动, 接近无粘结预应力混凝土结构, 可有效减少预应力损失。在使用阶段, 随着缓粘结剂的凝固, 预应力筋与混凝土之间实现有效的粘结, 此时可视为有粘结预应力结构^[30,31,32]。上海规程中指出, 缓粘结预应力结构施工阶段验算按无粘结预应力结构的方法;运营阶段正常使用及承载力极限状态验算需根据粘结时间判断结构处于有粘结状态还是无粘结状态。

　　 缓粘结剂作为该技术的关键核心, 需要注意。其在张拉使用期内具有一定粘性, 固化后则具有很高强度。当温度高于20℃时, 缓粘剂的粘度较小, 对张拉时的预应力损失影响不大;当温度低于20℃时, 粘度增大, 摩擦损失会相应增大, 不可忽视。实际工程经验表明, 可通过持荷超张拉抵消此部分损失。在使用缓粘结筋时, 需要注意施工现场的温度, 过高的温度将会加速缓粘剂的硬化, 在使用前应对缓粘结筋进行检验, 保证其有效性。上海规程对缓粘结筋张拉时的温度及持荷时间等做出了规定。

　　 有粘结、无粘结混合配置的预应力混凝土结构结合了有粘结和无粘结预应力混凝土两种结构的优势:预应力筋使用效率高, 便于预应力筋线形优化, 预应力损失相对较小, 局部承压小, 结构变形恢复能力及节点性能良好, 施工方便快捷, 便于分批张拉, 施工周期较短。该类结构特别适用于由正常使用极限状态控制的大跨重载结构, 亦可用于转换结构中。目前, 这种工艺在国内外一些重大工程中已得到应用, 如位于美国西雅图的One Pacific Tower, 该建筑结构中转换梁采用了有粘结与无粘结混合配筋的方式;位于中国上海的中国博览会会展综合体在一级次梁中也采用了这种工艺。

　　 基于已有的研究, 上海规程对无粘结筋在总预应力筋中的占比进行了限制, 应小于0.3, 此时混合配筋梁的力学性能接近有粘结预应力结构, 同时又能获得无粘结筋带来的优点^[33]。其中, 抗弯极限承载力计算方法同普通预应力混凝土结构, 但给出了适用于混合配置预应力筋梁中无粘结筋的极限应力增量计算公式;裂缝与刚度的计算则参考混凝土规范, 其中无粘结筋的作用取0.3进行折减。此处, 相关计算公式及限制条文是在数值分析的基础上得到的, 有待结合相应的试验研究进行完善。

　　 预应力张拉是预应力施工中一项基本技术, 当前存在着张拉精度低、无法同步施工等缺陷^[2]。本课题组历时多年开发的数字化智能张拉设备, 将信息技术与预应力张拉施工有机结合。通过计算机和互联网, 智能张拉设备能够精确地控制预应力施工过程, 提高施工精度, 同时也能实现对施工过程的动态监测, 并提取施工关键参数指标上传保存至远程服务器, 便于复检^[34]。

　　 预应力数字化智能张拉系统开发过程中, 经过四代机的反复改进, 它的功能组件完善, 性能稳定。最新设备具有以下特点:1) 实施远程遥控施工:现阶段的施工仍是在现场进行操作, 并在远程服务器端进行施工监控;2) 专家辅助人工智能:随着芯片技术的发展, 开发中植入专家分析判断能力, 采用人工智能提高控制能力和工况判断能力, 节省劳动力, 精度高, 效率高;3) 高集成度轻型便携:本套设备在开发过程中考虑到设备的便携性能, 其配置部件均以性能稳定可靠轻巧的要求选配, 其高便携性可有效地提高施工效率, 缩短工期。

　　 环氧涂层钢绞线是将有机环氧树脂涂覆于正常的裸钢绞线表面, 具有耐腐蚀性强、耐磨、与混凝土粘结强等优点, 适用于腐蚀情况严峻地区的预应力混凝土结构^[35]。相关标准 (《环氧涂层预应力钢绞线》 (JG/T 387—2012) ^[36]) 已于2012年发布。

　　 由上述介绍可见, 我国在预应力混凝土结构领域的研究及应用有了相当的进展。一方面设计理论在应用与研究的过程中, 得到了不断的深化和改进;另一方面, 为满足新的建筑使用要求, 各种新的预应力结构体系、工艺、材料等在实际工程中得到运用, 并进行了相关的研究。

　　 总的来说, 当前两部新规范中全面考虑次内力的设计方法更为安全可靠, 充分考虑了约束对预应力混凝土结构受力性能的影响。另外, 与以往的预应力混凝土结构设计标准相比, 两部规范涵盖了更多的新型预应力混凝土结构体系, 其适用范围更加全面, 符合当前预应力混凝土结构的发展趋势。当然, 相关规范中也存在不足, 待进一步改进和完善。