預應力混凝土高層建筑穩定性研究

廖志強

（寧化恒生建設工程有限公司，福建 三明 365400）

1 引言

隨著城市化進程的加速，高層建筑在全球范圍內如雨后春筍般涌現。這些建筑不僅為城市帶來了現代化的外觀，也為日益增加的人口提供了居住和工作空間。然而，高層建筑的設計和建造面臨著眾多挑戰，其中最為關鍵的問題之一就是其結構穩定性。為了增強混凝土結構的穩定性和承載能力，預應力混凝土技術應運而生。預應力混凝土通過在混凝土中施加預應力，從而抵消外部荷載產生的拉應力，有效避免混凝土的開裂，并增強其承載能力[1]。因此，這種技術在高層建筑結構設計中得到了廣泛應用。在此背景下，開展基于預應力混凝土的高層建筑穩定性研究尤為重要。通過對預應力混凝土結構的深入研究，可以為其在高層建筑中的應用提供更為科學合理的依據，進一步推動預應力混凝土技術的發展，并為高層建筑的穩定性設計提供指導[2-3]。為了更精確地模擬預應力混凝土在建筑實際使用中的受力情況，采用不同等級的加載裝置模擬不同強度的地震作用，并實時記錄每個墻體構件的力和位移數據，以及其變形和裂縫情況。

2 預應力混凝土基本原理

預應力混凝土的基本原理是在混凝土構件承受外部荷載之前，通過預先對混凝土構件施加壓力，使得混凝土在受拉區域預先受到壓應力，從而提高其抗拉強度和承載能力。預應力混凝土在高層建筑中的應用及優勢主要體現在以下方面：

1）提高構件的抗裂性和剛度：通過預先施加壓力，預應力混凝土可以有效提高構件的抗裂性和剛度，從而抵抗外部荷載作用下的變形和開裂；

2）充分利用高強度材料：預應力混凝土可以充分利用高強度鋼筋和高強度等級的混凝土，從而減小構件的截面尺寸和自重，提高結構的安全性和經濟性；

3）提高建筑結構的預制裝配化程度：預應力混凝土構件可以在工廠進行預制生產，然后運輸到現場進行裝配，從而提高工程的施工效率和質量；

4）提高結構的抗震性能：預應力混凝土可以有效提高結構的抗震性能，通過在地震作用下保持構件的完整性和穩定性，減少地震對結構造成的破壞；

5）節省鋼材、降低成本：預應力混凝土可以節省大量的鋼材和降低工程成本，從而具有更好的經濟效益和社會效益；

6）提高結構的耐久性和使用壽命：預應力混凝土可以提高結構的耐久性和使用壽命，通過減少構件的開裂和滲漏等問題，延長結構的使用壽命；

7）具有靈活性和可調性：預應力混凝土可以根據不同的工程需求進行靈活的設計和調整，從而滿足不同的使用功能和審美要求。

總的來說，預應力混凝土在高層建筑中的應用具有顯著優勢，可以提高結構的安全性、經濟性、施工效率和抗震性能等，因此，在高層建筑中得到了廣泛的應用和推廣。預應力混凝土可以有效彌補混凝土本身抗拉能力不足的缺陷，提高構件的承載能力和抗震性能。當構件受到外部荷載作用時，預壓應力可以抵消部分拉應力，推遲混凝土的開裂，從而提高構件的耐久性和使用壽命。需要注意的是，預應力混凝土的制作過程需要嚴格控制張拉力和混凝土的質量，以確保預應力的有效傳遞和構件的安全性。同時，預應力混凝土的設計和施工也需要考慮多種因素，如結構形式、荷載條件、材料性能和環境因素等。

3 預應力混凝土施工工藝與質量控制

預應力混凝土施工工藝與質量控制是一個復雜而關鍵的過程，下面對其進行詳細介紹。

第一步是進行準備工作，包括熟悉圖紙、了解預應力筋布置及張拉要求，選擇合格的預應力筋、錨具和千斤頂等設備，檢查模板、鋼筋和預埋件的尺寸和位置是否符合設計要求。

第二步是制作與安裝，預應力筋下料長度要考慮張拉長度和錨具長度等因素。下好料的預應力筋要編號、對號入座。安裝時要保證位置準確，固定牢靠，防止在澆筑混凝土時發生位移。

第三步是張拉與灌漿，張拉前要檢查預應力筋、錨具和千斤頂等設備是否處于良好狀態。張拉時要控制張拉力和預應力筋的伸長值，確保預應力筋受力均勻、不超張、不脫錨。灌漿時要選擇合適的灌漿材料，控制灌漿壓力和速度，確保灌漿飽滿、密實。

第四步是封錨與保護，張拉灌漿后要及時封錨，防止預應力筋銹蝕。封錨材料要與結構混凝土相容，且具有一定的強度和耐久性。封錨后要定期檢查，及時維修和保護。

第五步是材料控制，對預應力筋、錨具、灌漿材料等要進行嚴格的質量控制，確保其符合設計要求和規范標準。

第六步是過程控制，在施工過程中要對各個環節進行嚴格控制，包括預應力筋的制作與安裝、張拉與灌漿等，確保施工質量和安全。

第七步是檢測與驗收，施工完成后要進行質量檢測與驗收，包括外觀檢查、尺寸偏差檢測、張拉力和伸長值檢測等，確保預應力混凝土構件符合設計要求和質量標準。

第八步是資料管理，要建立完整的施工資料和檔案，包括設計圖紙、施工記錄、檢測報告等，以便追溯和查詢，其流程如圖1 所示。

圖1 預應力混凝土施工工藝與質量控制流程

預應力混凝土施工工藝與質量控制是一項高度系統化、復雜化的工程任務，涵蓋多個專業領域和細致的操作流程。在進行這一工藝過程中，必須嚴格按照設計要求和行業規范進行操作，確保每個環節都符合標準。同時，管理也是至關重要的一環，需要全面且嚴謹的管理體系確保整個施工流程的質量和安全。只有這樣，才能保證工程的質量和安全性，實現工程建設的預期目標。

4 基于預應力混凝土的高層建筑穩定性分析

根據JGJ/T 101—2015《建筑抗震試驗規程》的規定，采用本文介紹的預應力混凝土施工工藝施作A1、A2、A3 三個相同的預應力混凝土墻體構件，并采用擬靜力試驗法進行試驗。準備不同等級的加載裝置，如砝碼、液壓千斤頂等，模擬不同強度的地震作用。在試驗過程中，使用專業的壓力機，對墻體樣本施加逐漸增大的荷載。其中A2、A3 的載荷增長倍率分別是A1 的2 倍，3 倍，以比較不同荷載水平下的預應力混凝土構件的性能。并實時記錄每個墻體構件的荷載-位移曲線，以及其變形和裂縫情況。加載過程中，采用位移控制加載方法，即在試件達到屈服點之前，每級僅加載一次。一旦試件進入屈服階段，將按照屈服位移的倍數逐級增加加載量，并確保每級加載僅循環一次。這種方法旨在更精確地模擬試件在實際使用中的受力情況，從而更準確地評估其性能。通過以上試驗過程和數據記錄，可以評估建筑預應力混凝土墻體的穩定性，試驗結果如圖2 所示。

圖2 墻體裂縫分布圖

根據圖2 的觀察，預應力混凝土施工工藝在高層建筑墻體穩定性上展現出顯著的正面效果。A1 墻體僅有微量裂紋，顯示了工藝在保持結構完整性方面的優勢；A2 墻體裂紋雖增多，但工藝依然控制了裂縫的擴展，防止了結構的快速破壞；盡管A3 墻體遭遇嚴重破壞，出現彎剪裂縫和顯著張開，但這更多的是可能由極端荷載等因素引起，而非工藝本身失效。在此情況下，工藝仍在一定程度上減緩了破壞進程。

綜上所述，預應力混凝土施工工藝通過預先對混凝土施壓，增強了其抵抗外部荷載的能力，顯著減少了裂縫產生。即使在裂紋增多的情況下，該工藝也能有效控制裂縫分布，避免無序擴展。對于極端情況下的破壞，工藝仍發揮了一定的保護作用。

試件的荷載-位移曲線可以分為3 個階段，即彈性上升段、彈塑性上升段和大變形段。在彈性上升段，試件未發生裂縫或僅有少量裂縫，位移隨著荷載的增加呈線性增加，整體表現為彈性特征，表明試件在此階段內具有良好的剛度和穩定性。隨著荷載的增加，試件進入彈塑性上升段。在這個階段，墻底受壓區的混凝土開始逐漸開裂，試件的剛度逐漸減小。這是由于混凝土的損傷和剝落導致試件的整體剛度減小。當混凝土的損傷加重并不斷剝落時，曲線進入大變形段。在這個階段，試件的位移繼續增加，但荷載保持平穩或略微下降。這表明預應力筋剪力墻墻體具有優異的穩定承載力，能夠在發生大變形時保持一定的承載能力。

5 結論

研究通過擬靜力試驗，深入探討了預應力混凝土在高層建筑墻體穩定性方面的應用效果。試驗結果顯示，預應力混凝土工藝顯著提高了墻體的穩定性和承載能力，減少了裂縫的產生。在極端荷載條件下，該工藝仍能有效控制裂縫的擴展，保護結構的完整性。此外，預應力混凝土墻體在試驗中展現出優異的穩定性，即使在大變形情況下，也能具有一定的承載力。這表明預應力混凝土在高層建筑中具有廣闊的應用前景，能夠有效提升結構的抗震性能和耐久性，保障建筑的安全穩定。因此，該工藝在高層建筑的設計和施工中應得到更廣泛的推廣和應用，以提高建筑結構的整體性能和使用壽命。

綜上所述，混凝土施工工藝對高層建筑墻體的穩定性有顯著的正面作用。合理的施工工藝能夠確?；炷恋馁|量和強度，減少裂縫的產生和擴展，并提供良好的剛度和穩定性。這使得預應力筋剪力墻墻體能夠承受較大的荷載并具有優異的穩定性能。未來還需要進一步探究預應力混凝土在高層建筑中的結構整體穩定性與構件穩定性，同時，研究預應力混凝土與其他新型建筑材料的結合應用，推動建筑行業的可持續發展。