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中图分类号：K826.16 文献标识码：A 文章编号：
体外预应力结构体系是指对布置于原有混凝土结构或其他结构之外的钢索施加预应力所形成的预应力结构体系,它既可以用于预应力混凝土桥梁、特种结构和建筑工程结构等新建结构,也可用于原有建筑物的改造工程。体外预应力作为后张预应力体系的重要分支之一，近年来重新成为预应力技术的热点。体外预应力经过十余年来的发展和工程应用，目前已形成两种主要体系：体系一：钢绞线穿入高密度聚乙烯管（HDPE）或钢管孔道内，张拉后，灌入水泥浆。这种体系为有粘结体外预应力体系。体系二：体外预应力筋由单根无粘结筋平行穿入HDPE管或钢管孔道内，张拉前先完成灌浆工艺，由水泥浆体将单根无粘结筋定位。这种体系为无粘结体外预应力体系。
一、体外预应力的特点首先，由于预应力筋布置在构件截面以外，预应力筋套管的布置、调整容易并简化后张法操作，从而大大缩短了施工时间，对工程经济效益有积极影响。其次，预应力筋与结构无接触，减少了预应力摩擦损失，即使混凝土受拉出现裂缝也不会影响预应力筋的防护。第三，体外预应力筋的预应力作为外部作用，不受有关预应力混凝土标准的约束，设计、计算、构造和施工基本上按普通混凝土构件要求进行，可有效减小截面尺寸，保证混凝土部分施工质量。第四，由于预应力筋设在套管中，灌浆和监理修补均容易进行，也便于检查灌浆质量和预应力筋锈蚀状况。
二、体外预应力混凝土结构应用技术要点
1、体外预应力混凝土结构的力学特性 体外预应力混凝土结构一般采用折线形预应力束，预应力筋仅在锚固区域和转向块处与结构相连，受力特性与无粘结预应力结构类似。在正常使用极限状态下，可采用弹性分析方法设计；在极限承载力状态下，体外预应力混凝土结构一般应按无粘结预应力混凝土结构分析设计。但两者也有区别，一般的无粘结预应力混凝土结构预应力筋是位于混凝土截面内的，预应力筋的偏心矩固定，而体外预应力结构的预应力筋在构件截面上的相对位置仅在锚固点和转向块处不变，其它位置上偏心矩是变化的，从而产生体外预应力的偏心矩损失，或称为二次效应。2、体外预应力的耐久性 体外预应力混凝土结构的关键技术之一是体外预应力筋的耐久性防护。早期体外预应力混凝土桥梁结构的失效或损坏大多数是由于预应力筋的锈蚀引起的。鉴于耐久性在工程中的重要性，各国规范和各种体外预应力体系对于预应力筋的防护提出了一系列要求及指标。 3、转向块的设计 体外预应力混凝土结构必须通过转向块导管改变预应力筋方向，从而形成折线配筋形式。如果转向块设计不合理或构造措施不当，在转向块导管与预应力筋的接触区域，由于摩擦和横向挤压作用，预应力筋容易产生局部硬化和摩擦损失过大。转向块的设计要求预应力筋的折角点位置必须高度精确，避免产生附加应力；转向块导管曲线过渡平滑，在结构使用期内不应对预应力筋造成损害。4、对预应力筋的要求 ①高强度，低松弛。钢材强度越高，损失率越小，经济效果越好。②较好的塑性和良好的加工性能。
③对腐蚀不敏感，特别是应尽量避免应力腐蚀的影响。 ④在几何尺寸方面，要求横截面特征值的误差小，便于控制预加应力。⑤对钢绞线还要求伸直性好，使穿束方便，利于施工。
三、在工程中的应用
某工程为满足使用要求，需截掉房屋顶层一榀框架结构的中柱，原结构为跨度8m的两跨框架，截去中柱后将成为跨度16m的单跨框架，原框架梁的截面尺寸与配筋均难以满足要求。设计人员综合考虑有关的工程经验，采用了“托梁截柱”的改造方案，如图1所示。即在原有框架梁的上方增加1根跨度16m的有粘结预应力混凝土变截面大梁，在框架中柱以及2根次梁所在位置，用体外精轧螺纹预应力筋紧密连接原框架梁和新梁（其连接构造如图2所示），从而在中柱截断之后，荷载通过精轧螺纹钢筋传递给新梁，并作用于两框架边柱上。因此，结构不会由于原框架梁的承载力不够而产生损坏。
图1“托梁截柱”方案示意 图2预应力梁与框架梁连接构造
对精轧螺纹钢筋施加预应力，可以使新预应力梁与原框架梁的接合面保持一定的压应力，有利于竖向荷载下新、旧梁的协同工作；但是，施加预应力的同时，也消耗了精轧螺纹钢筋的强度储备，因此，张拉控制应力既不能太小，也不能太大。本工程中采用了Ф32的精轧螺纹钢筋，其抗拉强度标准值为1000MPa，张拉控制应力取为200MPa。“托梁截柱”施工的主要步骤如下：（1）浇筑变截面预应力混凝土梁浇筑前，先对该层屋盖进行支撑。在此基础上，绑扎预应力梁中的纵向钢筋和箍筋，铺设预应力波纹管定位筋和波纹管，在波纹管中穿入预应力钢绞线，安装预应力筋节点，支梁侧模板和梁端模板。上述施工过程与普通有粘结预应力混凝土梁相同。区别在于，在浇筑混凝土前还应插入精轧螺纹预应力筋套管，定位精轧螺纹预应力筋端节点。浇筑混凝土时，采用泵送混凝土一次性浇捣完成，对于梁端钢筋较密且局部承压荷载较大的部位，进行了专门振捣，填入粗骨料，保证了该处混凝土的强度和密实度。（2）张拉体外精轧螺纹预应力筋混凝土强度达到设计值后，开始预应力张拉和截柱的施工。由于精轧螺纹钢筋起到连接新、旧梁的作用，首先安装精轧螺纹钢筋并施加预应力。张拉时，考虑到张拉力偏离梁的中心平面，如果一次张拉力过大，有可能使框架梁下角被压碎，钢托梁也可能偏离原位，因此，张拉分4级进行，每级张拉应力50MPa。每张拉1级，随时用扳手将锚固螺母拧紧。（3）张拉纵向有粘结预应力筋和截柱纵向有粘结预应力筋的张拉与截柱同时进行。为了与截柱工作相配合，纵向有粘结预应力筋的张拉分8级进行：0.2、0.4、0.6、0.7、0.8、0.9、0.95、1.0σcon，相应的截柱工作也分8次进行，柱中纵向受力主筋共24根，分6次截断，每次截断4根，在截断全部钢筋后，柱核心混凝土分2次剔鑿完成。具体施工时，每张拉一级预应力，进行一次截柱施工，每一级张拉和截柱施工间隔1h，以保证结构有较长的时间实现受力体系的转换。从张拉精轧螺纹钢筋起，对施工全过程进行实时监测，监测包括框架梁的挠度、框架中柱和边柱的应变、精轧螺纹钢筋的应变、新预应力梁与框架梁接合面的压应力等。图3为梁跨中挠度随柱截断后时间的变化曲线。由图可见，截柱后，梁跨中挠度的增长较为缓慢，在40h后基本趋于稳定，到70h时，梁跨中的挠度约为3.6mm，这与用有限元分析计算得到的4.2mm结果较为接近。除了梁的挠度外，精轧螺纹钢筋的应力增长幅度也很有限，这意味着各精轧螺纹钢筋的受力较为均匀，不存在由于部分精轧螺纹钢筋受力不均而导致应力过大情况。
图3梁跨中挠度—时间曲线
四、结语
在我国，体外预应力技术的研究工作相对滞后，与此相对应的却是道路交通和城市建设的蓬勃发展。所以，研究体外预应力桥梁和房屋结构相关计算理论已成为当务之急，同时还应对所涉及的设计施工方面问题进行深入探讨，以提出可改善结构性能的建议，从而为体外预应力技术在我国的广泛应用打下坚实基础。
体外预应力结构体系是指对布置于原有混凝土结构或其他结构之外的钢索施加预应力所形成的预应力结构体系,它既可以用于预应力混凝土桥梁、特种结构和建筑工程结构等新建结构,也可用于原有建筑物的改造工程。体外预应力作为后张预应力体系的重要分支之一，近年来重新成为预应力技术的热点。体外预应力经过十余年来的发展和工程应用，目前已形成两种主要体系：体系一：钢绞线穿入高密度聚乙烯管（HDPE）或钢管孔道内，张拉后，灌入水泥浆。这种体系为有粘结体外预应力体系。体系二：体外预应力筋由单根无粘结筋平行穿入HDPE管或钢管孔道内，张拉前先完成灌浆工艺，由水泥浆体将单根无粘结筋定位。这种体系为无粘结体外预应力体系。
一、体外预应力的特点首先，由于预应力筋布置在构件截面以外，预应力筋套管的布置、调整容易并简化后张法操作，从而大大缩短了施工时间，对工程经济效益有积极影响。其次，预应力筋与结构无接触，减少了预应力摩擦损失，即使混凝土受拉出现裂缝也不会影响预应力筋的防护。第三，体外预应力筋的预应力作为外部作用，不受有关预应力混凝土标准的约束，设计、计算、构造和施工基本上按普通混凝土构件要求进行，可有效减小截面尺寸，保证混凝土部分施工质量。第四，由于预应力筋设在套管中，灌浆和监理修补均容易进行，也便于检查灌浆质量和预应力筋锈蚀状况。
二、体外预应力混凝土结构应用技术要点
1、体外预应力混凝土结构的力学特性 体外预应力混凝土结构一般采用折线形预应力束，预应力筋仅在锚固区域和转向块处与结构相连，受力特性与无粘结预应力结构类似。在正常使用极限状态下，可采用弹性分析方法设计；在极限承载力状态下，体外预应力混凝土结构一般应按无粘结预应力混凝土结构分析设计。但两者也有区别，一般的无粘结预应力混凝土结构预应力筋是位于混凝土截面内的，预应力筋的偏心矩固定，而体外预应力结构的预应力筋在构件截面上的相对位置仅在锚固点和转向块处不变，其它位置上偏心矩是变化的，从而产生体外预应力的偏心矩损失，或称为二次效应。2、体外预应力的耐久性 体外预应力混凝土结构的关键技术之一是体外预应力筋的耐久性防护。早期体外预应力混凝土桥梁结构的失效或损坏大多数是由于预应力筋的锈蚀引起的。鉴于耐久性在工程中的重要性，各国规范和各种体外预应力体系对于预应力筋的防护提出了一系列要求及指标。 3、转向块的设计 体外预应力混凝土结构必须通过转向块导管改变预应力筋方向，从而形成折线配筋形式。如果转向块设计不合理或构造措施不当，在转向块导管与预应力筋的接触区域，由于摩擦和横向挤压作用，预应力筋容易产生局部硬化和摩擦损失过大。转向块的设计要求预应力筋的折角点位置必须高度精确，避免产生附加应力；转向块导管曲线过渡平滑，在结构使用期内不应对预应力筋造成损害。4、对预应力筋的要求 ①高强度，低松弛。钢材强度越高，损失率越小，经济效果越好。②较好的塑性和良好的加工性能。
③对腐蚀不敏感，特别是应尽量避免应力腐蚀的影响。 ④在几何尺寸方面，要求横截面特征值的误差小，便于控制预加应力。⑤对钢绞线还要求伸直性好，使穿束方便，利于施工。
三、在工程中的应用
某工程为满足使用要求，需截掉房屋顶层一榀框架结构的中柱，原结构为跨度8m的两跨框架，截去中柱后将成为跨度16m的单跨框架，原框架梁的截面尺寸与配筋均难以满足要求。设计人员综合考虑有关的工程经验，采用了“托梁截柱”的改造方案，如图1所示。即在原有框架梁的上方增加1根跨度16m的有粘结预应力混凝土变截面大梁，在框架中柱以及2根次梁所在位置，用体外精轧螺纹预应力筋紧密连接原框架梁和新梁（其连接构造如图2所示），从而在中柱截断之后，荷载通过精轧螺纹钢筋传递给新梁，并作用于两框架边柱上。因此，结构不会由于原框架梁的承载力不够而产生损坏。
图1“托梁截柱”方案示意 图2预应力梁与框架梁连接构造
对精轧螺纹钢筋施加预应力，可以使新预应力梁与原框架梁的接合面保持一定的压应力，有利于竖向荷载下新、旧梁的协同工作；但是，施加预应力的同时，也消耗了精轧螺纹钢筋的强度储备，因此，张拉控制应力既不能太小，也不能太大。本工程中采用了Ф32的精轧螺纹钢筋，其抗拉强度标准值为1000MPa，张拉控制应力取为200MPa。“托梁截柱”施工的主要步骤如下：（1）浇筑变截面预应力混凝土梁浇筑前，先对该层屋盖进行支撑。在此基础上，绑扎预应力梁中的纵向钢筋和箍筋，铺设预应力波纹管定位筋和波纹管，在波纹管中穿入预应力钢绞线，安装预应力筋节点，支梁侧模板和梁端模板。上述施工过程与普通有粘结预应力混凝土梁相同。区别在于，在浇筑混凝土前还应插入精轧螺纹预应力筋套管，定位精轧螺纹预应力筋端节点。浇筑混凝土时，采用泵送混凝土一次性浇捣完成，对于梁端钢筋较密且局部承压荷载较大的部位，进行了专门振捣，填入粗骨料，保证了该处混凝土的强度和密实度。（2）张拉体外精轧螺纹预应力筋混凝土强度达到设计值后，开始预应力张拉和截柱的施工。由于精轧螺纹钢筋起到连接新、旧梁的作用，首先安装精轧螺纹钢筋并施加预应力。张拉时，考虑到张拉力偏离梁的中心平面，如果一次张拉力过大，有可能使框架梁下角被压碎，钢托梁也可能偏离原位，因此，张拉分4级进行，每级张拉应力50MPa。每张拉1级，随时用扳手将锚固螺母拧紧。（3）张拉纵向有粘结预应力筋和截柱纵向有粘结预应力筋的张拉与截柱同时进行。为了与截柱工作相配合，纵向有粘结预应力筋的张拉分8级进行：0.2、0.4、0.6、0.7、0.8、0.9、0.95、1.0σcon，相应的截柱工作也分8次进行，柱中纵向受力主筋共24根，分6次截断，每次截断4根，在截断全部钢筋后，柱核心混凝土分2次剔鑿完成。具体施工时，每张拉一级预应力，进行一次截柱施工，每一级张拉和截柱施工间隔1h，以保证结构有较长的时间实现受力体系的转换。从张拉精轧螺纹钢筋起，对施工全过程进行实时监测，监测包括框架梁的挠度、框架中柱和边柱的应变、精轧螺纹钢筋的应变、新预应力梁与框架梁接合面的压应力等。图3为梁跨中挠度随柱截断后时间的变化曲线。由图可见，截柱后，梁跨中挠度的增长较为缓慢，在40h后基本趋于稳定，到70h时，梁跨中的挠度约为3.6mm，这与用有限元分析计算得到的4.2mm结果较为接近。除了梁的挠度外，精轧螺纹钢筋的应力增长幅度也很有限，这意味着各精轧螺纹钢筋的受力较为均匀，不存在由于部分精轧螺纹钢筋受力不均而导致应力过大情况。
图3梁跨中挠度—时间曲线
四、结语
在我国，体外预应力技术的研究工作相对滞后，与此相对应的却是道路交通和城市建设的蓬勃发展。所以，研究体外预应力桥梁和房屋结构相关计算理论已成为当务之急，同时还应对所涉及的设计施工方面问题进行深入探讨，以提出可改善结构性能的建议，从而为体外预应力技术在我国的广泛应用打下坚实基础。