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第十章:预应力混凝土结构
10.1预应力混凝土的基本概念与分类
预应力混凝土已广泛应用于工业与民用建筑及交通运输建筑中。如,预应力楼板、Ⅱ形屋面板、屋面大梁、屋架、吊车梁、预应力桥梁、铁路轨枕等已被大量采用。在水工建筑中也用来修建码头、栈桥、桩、闸墩、调压室、压力水管、输水隧洞、渡槽、圆形水池、工作桥、水电站厂房的屋面梁等结构构件,也可用预加应力的方法来加固大坝、船闸等结构。
普通钢筋混凝土的主要缺点是抗裂性能差。一般情况下,配筋率适中的普通钢筋混凝土受弯构件和轴心受拉构件是带裂缝工作的,虽然裂缝宽度一般不超过0.20~0.40mm,不影响构件的使用和耐久性。但是,对于某些使用上需要严格限制裂缝宽度或者不允许出现裂缝的构件,普通钢筋混凝土就无法满足要求,混凝土开裂后,构件刚度降低,变形增大但是如果要限制构件的裂缝和变形,势必加大构件截面尺寸和增加钢筋用量,导致自重过大,这显然不经济也不合理,使钢筋混凝土结构用于大跨度或承受动力荷载的结构成为不可能。
虽然采用高强度钢筋是节省钢材和降低工程造价的有效措施,但是在普通钢筋混凝土中采用高强度钢筋是不合理的,因为这时高强度钢筋的强度无法充分利用。
采用预应力混凝土结构是解决上述问题的良好方法。
所谓预应力就是在结构尚未承受外荷载作用前,预先对构件受拉区混凝土施加一个预压应力,造成一种人为的应力状态。它能部分或全部抵消外荷载所引起的拉应力。这样,在外荷载作用下,裂缝就能延缓或不致发生,即使发生了,裂缝宽度也不会开展过宽,从而提高结构的抗裂性能,扩大其使用领域。
预应力混凝土结构与普通混凝土结构相比,其主要优点是:
①提高构件的抗裂度,改善了构件的受力性能。因此适用于对裂缝要求严格的结构;
②由于采用了高强度混凝土和钢筋,从而节省材料和减轻结构自重,因此适用于跨度大或承受重型荷载的构件;
③提高了构件的刚度,减少构件的变形,因此适用于对构件的刚度和变形控制较高的结构构件;
④提高了结构或构件的耐久性、耐疲劳性和抗震能力。
预应力混凝土的缺陷或需要加以解决的问题:
施工工序多,工艺复杂,锚具和张拉设备以及预应力筋等材料较贵;
完全采用预应力筋配筋的构件,由于预加应力过大而使得构件的开裂荷载与破坏荷载国语接近,破坏前无明显预兆;
某些结构构件,如大跨度桥梁结构施加预拉力时会产生过大的反拱,在预压力的长期作用下还会继续增大,以致影响正常使用。
预应力混凝土的分类
按照使用荷载下对截面拉应力控制要求的不同,预应力混凝土结构构件可分为三种:
①全预应力混凝土
全预应力混全凝土是指在各种荷载组合下构件截面上均不允许出现拉应力的预应力混凝土构件。大致相当于裂缝控制等级为一级的构件。
②有限预应力混凝土
有限预应力混凝土是按在短期荷载作用下,容许混凝土承受某一规定拉应力值,但在长期荷载作用下,混凝土不得受拉的要求设计。相当于裂缝控制等级为二级的构件。
③部分预应力混凝土
部分预应力混凝土是按在使用荷载作用下,容许出现裂缝,但最大裂宽不超过允许值的要求设计。相当于裂缝控制等级为三级的构件。
全预应力混凝土构件具有抗裂性和抗疲劳性好、刚度大等优点,但也存在构件反拱值过大,延性差,预应力钢筋配筋量大,施加预应力工艺复杂、费用高等主要缺点。因此适当降低预应力,做成有限或部分预应力混凝土构件,即克服了上述全预应力的缺点,同时又可以用预应力改善钢筋混凝土构件的受力性能。
有限或部分预应力混凝土介于全预应力混凝土和钢筋混凝土之间,有很大的选择范围,设计者可根据结构的功能要求和环境条件,选用不同的预应力值以控制构件在使用条件下的变形和裂缝,并在破坏前具有必要的延性,因而是当前预应力混凝土结构的一个主要发展趋势。
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