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预应力混凝土原理及应用概念
- 分类:预应力技术
- 作者:
- 来源:
- 发布时间:2019-10-08 20:26
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【概要描述】预应力混凝土结构是混凝土结构领域内的一门新兴的科学技术。40年代开始,在世界各国比较普遍地推广起来。我国自50年代中期以来,随着国家大规模经济建设的发展与要求,预应力混凝土结构技术也得到了相应的重视和应用。
预应力混凝土原理及应用概念
【概要描述】预应力混凝土结构是混凝土结构领域内的一门新兴的科学技术。40年代开始,在世界各国比较普遍地推广起来。我国自50年代中期以来,随着国家大规模经济建设的发展与要求,预应力混凝土结构技术也得到了相应的重视和应用。
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预应力混凝土结构是混凝土结构领域内的一门新兴的科学技术。40年代开始,在世界各国比较普遍地推广起来。我国自50年代中期以来,随着国家大规模经济建设的发展与要求,预应力混凝土结构技术也得到了相应的重视和应用。
所谓预应力混凝土结构,即对混凝土结构在受荷载以前预先预加应力的结构。
预应力混凝土是在解决钢筋混凝土生产实践中存在的缺点而产生和发展的。普通钢筋混凝土的主要缺点如下:
(1)结构抗裂性低,混凝土这种材料其抗压强度较高,但抗拉强度很低,约为抗压强度的1/10,所以抗裂性差,出现裂缝早,在使用阶段受拉区出现裂缝较多也较宽。
(2)结构自重比较大,结构开裂以后因裂缝开展所以变形也大,见图1-1。
图 1—1
由于这些缺点,往往影响了钢筋混凝土结构在抗裂性要求较高的结构、承受疲劳荷重作用的结构以及大跨度、承重结构中的应用。
另外,在结构中如采用高强度钢筋,能大量节约钢材,如用1t高强度钢筋往往可代替3~4t普通钢筋;如用1t中强钢材可代替普通钢筋1.5~2t,但是由于混凝土的极限拉伸应变很小,约为0.1x10³~0.15x10³,如果要求构件在使用时不出现裂缝,则钢筋中的拉应力最多为:
可见,钢筋强度没有充分利用,故使得高强钢筋在钢筋混凝土中不能被应用。
如果允许构件在使用时出现裂缝,当控制裂缝开展宽度小于0.2~0.3mm以内时,相应钢筋中的拉应力最多能达到170~250MPa
这对于Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级热处理钢筋强度仍不能充分利用,否则就会使裂缝开展过大,影响结构正常使用和耐久性。
总之,要使钢筋混凝土构件不出现裂缝,则钢筋强度就不能充分利用;要想充分利用钢筋强度,则裂缝开展就会过大而影响耐久性。因此要解决普通钢筋混凝土存在的上述各种问题,关键就在于消除受拉区混凝土的裂缝出现与过大的问题。解决的主要办法,就是在结构构件承受外荷载之前,预先施加一个预应力,使在荷载作用下的受拉区混凝土预先存在着预压应力,由于下部混凝土有预压应力而产生一定的压缩变形,使梁向上弯曲(称为反拱)如图1-2(a);受荷载后,梁开始向下弯曲(称为挠度),使下部混凝土中的预应力随之减小,也就是说由外荷载在构件中所引起的拉应力,被预压应力抵消了一部分,梁的反拱也随之减少;随着荷载的增加,梁继续向下弯曲,当预压应力全部被抵消时,混凝土中的应力等于零,梁恢复平直状态,如图1-2(b);继续增加荷载,梁继续向下弯曲,使下部混凝土出现拉应力,如图1-2(c),当拉应力超过混凝土抗裂强度的限值后,结构将出现裂缝,如图1-2(d)。这就说明预应力混凝土结构在承受外荷载后可以不致开裂,或开裂的裂缝宽度较小,亦即是提高了结构构件的抗裂性与改善了裂缝性能。
图1-2 预应力混凝土梁
预应力混凝土与普通钢筋混凝土相比,在节约工程材料、增加抗裂与耐久性、提高刚度减少变形、改善结构疲劳等均有优越性,具体分述如下:
由于预应力混凝土结构构件可采用高强度预应力筋,其强度的发挥不再受混凝土极限伸长值过小的约束,使钢材耗用量大幅度降低。如采用低合金钢和冷拔低碳钢丝或中强钢丝作预应力主筋,一般可比普通钢筋混凝土构件节省钢材20%~50%;若采用高强度预应力主筋,则可节省钢材60%~70%。同时,由于预应力混凝土构件能减小断面和做成薄壁构件,因此一般能节省10%~30%的混凝土的耗用量。如果采用预应力叠合板现浇结构,则还能节约大量的木材。
由于对结构构件的受拉区可能开裂的部位施加了预应压力,这就避免了钢筋混凝土使用情况下出现裂缝。如钢筋混凝土屋架的下弦和水池、消化池、油罐、压力管等,当采用预应力后,便可增强结构的抗裂和抗渗的性能。
由于设计的预应力混凝土构件在使用荷载下不产生裂缝,因此使结构中的应力筋免受外界有害因素的侵蚀,从而大大提高了构件的耐久性。如有侵蚀介质环境的结构化工厂房与冶金厂房、高温度车间等,均适宜采用预应力混凝土构件。
结构构件开裂后,刚度很快下降,但预应力混凝土构件在使用荷载下可使设计避免裂缝产生,这就使结构的弹性范围增大,变形减小,相对地提高了刚度。同时,还可使梁等构件产生一定的反拱(即向上产生的反挠度)。所以,在使用荷载下,预应力混凝土梁的挠度与变形比同样的普通钢筋混土要小许多,故特别适用于大跨度结构、大悬臂等有控制变形要求的结构。
由于预应力混凝土可以应用高强度混凝土及高强度应力筋等高效材料,因而能减小构件的截面,减轻结构自重,还可做成薄壁构件。以1.5m×6.0m大型屋面板为例,普通钢筋混凝土屋面板的主肋高为30cm,而预应力混凝土屋面板的主肋仅为18~24cm。薄壁构件的腹板厚度,在普通钢筋混凝土中一般常在10~12cm,而预应力混凝土中则常在6~8cm因此就大大地减轻了结构的自重。通常可减轻自重20%~30%左右。由于自重的减轻,因此大跨、重载、超高层等结构便于应用发展。
承受重复动荷载的结构与构件,如吊车梁、桥梁或有悬挂吊车的结构等,因为荷载是经常往复地作用,结构长期处于加荷与卸荷的变化之中。当这种反复变化并超过一定次数时材料就会低于静力强度而破坏。预应力混凝土吊车梁由于预应力筋经过张拉有了初始应力,在重复荷载作用下,应力筋应力的变化一般小于10%的初始应力,即疲劳应力变化的幅度较小。这种小幅度的应力变化,不会造成钢材的疲劳。这就提高了构件抗疲劳的性能。
随着大跨、薄壁构件的应用发展,如薄壁箱型、T型、工字型等截面构件,如采用普通钢筋混凝土构件,则在使用荷载下,靠近搁置处的薄壁,往往由于剪力或扭力作用而产生斜向裂缝,因而影响了这类构件广泛采用。若在薄壁结构中配置一些预应力筋,则可提高构件斜截面抗裂性、抗扭性,并可延迟裂缝出现,约束裂缝宽度开展,提高了抗剪能力。对于竖向的结构则提高了抗侧力能力。
为防止大柔度受压构件在受到一定压力后会有出平面弯曲,过早发生失稳,可以对混凝土受压构件施加一定预应力,由于预应力筋已被张拉建立应力,这就提高了混凝土抗裂、抗弯的能力,从而不易发生出平面弯曲,提高了构件的稳定性,增加了大柔度构件抗压能力。
通过预应力筋还可将预制构件拼装成整体构件,如后张拼块梁、预应力板柱或梁柱结构就是这类工程的实例,从而为大型预制整体预应力建筑、桥梁或水池、油罐等建筑物,提供了在工厂预制块体运往现场现浇整体或拼装整体的结构应用发展,致使预应力结构工业化与工厂化程度大大提高。
(10)一种加固手段
当钢筋混凝土结构开裂过大时,可施加预应力以减小或恢复裂缝,也可将小跨度结构抽柱改变为大跨度结构或加层,通过预应力以提高承载力。
因预应力可以减小结构厚度,则可使房屋净空增加,或净空不变增加了层数,或者层数不变以降低房屋总高度。
预应力混凝土结构的应用概念,重要的是需要明确对哪些混凝土结构与受力部位施加预应力比较合理。
如前所述,在混凝土结构与构件上施加预应力的目的,就是为了改善与增强结构的抗裂性能与减小裂缝宽度、减薄结构、加大跨度,控制变形与挠度,从而使高强应力筋的强度得到充分发挥。基于这个原理,适宜施加预应力的结构构件就是那些在使用荷载下可能发生开裂与裂缝较宽的部位,现按易开裂的结构构件受力特性与受力部位及结构用途与类型分述如下:
(1)按受力特性与受力部位适宜预加应力
1、轴心受拉构件
这类构件的受力特征是拉力(外力)正好作用在构件的轴线上,如屋架、吊车桁架与桁架式桥梁中的拉腹杆、下弦及拱拉杆吊杆等。这些构件在这些外力作用下,全横截面都产生拉应力。混凝土一旦开裂,则在全截面内有贯串裂缝。为了防止这种裂缝的产生,通过布置预应力筋使横截面产生均匀的预压应力。这样就可抵消由外力产生的拉应力,以提高构件抗裂性与减小裂缝宽度。
这类构件在竖向外力作用下,发生弯曲,截面的下缘产生拉应力,截面的上缘产生压应力,这种构件的混凝土一旦被拉裂,裂缝将下宽上窄。为防止这种裂缝,而将预应力筋布置在梁的下缘,受拉区建立的预压应力以平衡拉应力抵消拉应力,从而达到提高结构构件抗裂性与减小裂缝宽度、控制挠度(及减少截面尺寸、加大跨度)的目的。
偏心受拉构件系在受有偏心的外力作用下,在构件横截面上产生的拉应力,其分布与偏心距的大小有关,截面靠近拉力的一侧,产生最大的拉应力;截面远离拉力的一侧,产生较小的拉应力,或转为压应力。因此,当这种构件的混凝土一旦拉裂时,将出现一侧宽另一侧窄的贯串裂缝,或仅一侧有裂缝。为了提高构件抗裂性能,防止构件裂缝,可设置预应力钢筋并布置在截面靠近拉力作用的一侧,而另一侧则可少配预应力筋或配非预应力筋。
4.偏心受压构件
该类构件承受的是偏心压力作用,即在截面靠近压力的一侧产生最大的压应力,截面远离压力的一侧产生较小的压应力或拉应力。因此,这种构件的混凝土只有在大偏心受压时才会被拉裂。裂缝形式是仅在一侧有裂缝。因此,为了防止大偏心受压构件裂缝的产生,预应力筋应布置在构件的受拉一侧,以产生预压应力抵消拉应力。对于构件的受压一侧,可配置非预应力钢筋,或可酌配一定的构造预应力筋。
对于轴心受压和小偏心受压的预制钢筋混凝土构件,为避免在运输、堆放、吊装过程中,可能受到弯曲、振动,甚至冲击等作用而产生的开裂现象,在设计一般受荷不大的中心受压柱或摩擦桩时,构件的配筋往往取决于运输、堆放和吊装的需要,而不是实际使用时的受力需要。可将构造配置的轴心受压或小偏心受压非预应力筋改变为预应力筋,不仅可提高运输、吊装过程中的抗裂性及使用中的稳定性等,而且还可节省大量钢材。
1.单层厂房结构中的大、中跨度的屋面承重结构,屋面梁,屋架,吊车梁,地基梁等适宜预加应力。
2.多层与高层工业与民用建筑结构、大柱网、大空间的框架、网格大梁、交叉大梁、扁梁、转换层的传力桁架或大梁、(单向与双向连续)长跨板、屋面板等。
3.公共建筑、大跨空间结构、悬索结构、斜拉结构、悬挂结构,如体育建筑、车库、仓库、商场、啤酒屋、舞厅、剧院、多功能厅、购物中心等承重结构。
4.大悬臂结构,如看台、挑台、长雨篷、大阳台等,以及悬臂楼层。
5.中、小构件,如小梁、小板、檩条、椽子、楼板、平板、空心板等,以节约木材。
6.特种结构,如高耸结构的电视塔、架,压力容器、压力管道,池、罐、储仓、电杆、桩,轨枕,跑道、路面、桥梁、斜拉桥、悬挂、悬吊、悬索等结构,以及水工结构的坝、墩和各类板、墙梁基础等。
7.土锚、岩锚均可施加预应力。
此外,剪力墙、挡土墙、筒体、柱子、采油平台及其预应力腿柱、漂浮与抗浮结构、房屋加固与基础加固等均可预加应力。
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