预应力混凝土构件的计算

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1、9预应力混凝土构件的计算9．1预应力混凝土的基本概念和一般计算规定9．1．1概述普通钢筋混凝土构件虽已广泛应用于土木工程建筑之中，但由于混凝土的极限拉应变很小，仅有(0.1～0.15)×10-3，故在正常使用条件下构件的受拉区开裂，刚度下降，变形较大，使其适用范围受到限制。为了控制构件的裂缝和变形，可采取加大构件的截面尺寸，增加钢筋用量，采用高强混凝土和高强钢筋等措施。但是如采用增加截面尺寸和用钢量的方法，一般来讲不经济，并且当荷载及跨度较大时不仅不经济而且很笨重；如提高混凝土的强度等级，由于其抗拉强度提高得很小，对提高构件抗裂性和刚度的效果也不明显；如果提高钢筋的强度，则钢筋达

2、到屈服强度时的拉应变很大，约在2×10-3以上，与混凝土的极限拉应变相差悬殊。因此对不允许开裂的构件，使用时受拉钢筋的应力只能为20～30N/mm2左右。由此可见，在普通钢筋混凝土结构中，高强混凝土和高强钢筋是不能充分发挥作用的。为了充分利用高强混凝土及高强钢材，可以在混凝土构件受力前，在其使用时的受拉区内预先施加压力，使之产生预压应力，造成人为的应力状态。当构件在荷载作用下产生拉应力时，首先要抵消混凝土构件内的预压应力，然后随着荷载的增加，混凝土构件受拉并随荷载继续增加才出现裂缝，因此可推迟裂缝的出现，减小裂缝的宽度，满足使用要求。这种在构件受荷前预先对混凝土受拉区施加压应力的

3、结构称为“预应力混凝土结构”。预应力混凝土的构思出现在19世纪末，1886年就有人申请了用张拉钢筋对混凝土施加预压力防止混凝土开裂的专利。但那时材料的强度很低，混凝土的徐变性能尚未被人们充分认识，通过张拉钢筋对混凝土构件施加预压力不久，由于混凝土的收缩、徐变，使已建立的混凝土预压应力几乎完全消失，致使这一新颖的构思未能实现。直到1928年，法国的E．Freyssinet首先用高强度钢丝及高强混凝土成功地设计建造了一座水压机，以后在本世纪三十年代，高强钢材能够大量生产时，预应力混凝土才真正为人们所应用。随着土木工程中混凝土强度等级的不断提高，高强钢筋的进一步使用，预应力混凝土目前已

4、广泛应用于大跨度建筑结构、公路路面及桥梁、铁路、海洋、水利、机场、核电站等工程之中。例如，新建的国际会展中心，广州市九运会的体育场馆，日新月异的众多公路大桥，核电站的反应堆保护壳，上海市的东方明珠电视塔、遍及沿海地区高层建筑、大跨建筑以及量大面广的工业建筑的吊车梁，屋面梁等都采用了现代预应力混凝土技术。现以预应力混凝土简支梁的受力情况为例，说明预应力的基本原理。如图9-1所示，在荷载作用之前，预先在梁的受拉区施加一对大小相等，方向相反的偏心预压力N，使梁截面下边缘混凝土产生预压应力c(图9-l)，当外荷载作用时，截面下边缘将产生拉应力t(图9-l)，最后的应力分布为上述两种情况的

5、叠加，梁的下边缘应力可能是数值很小的拉应力。(图9-1)，也可能是压应力。也就是说，由于预压应力c的作用，可部分抵消或全部抵消外荷载所引起的拉应力t，因而延缓了混凝土构件的开裂或者构件不开裂。图9-2为两根具有相同材料强度、跨度、截面尺寸和配筋量的梁的—(荷载—挠度)曲线对比图。其中一根为普通钢筋混凝土梁，另一根为预应力混凝土梁。可以看出，预应力梁的开裂荷载FpcI，大于钢筋混凝土梁的开裂荷载FpcI；同时在使用荷载作用下，前者并未开裂而后者已开裂，且前者的挠度小于后者的挠度；但两者最终的破坏荷载基本相同。预应力钢筋混凝土结构与普通钢筋混凝士结构相比，其主要优点是：(1)不会过早

6、地出现裂缝，抗裂性好。(2)可合理地利用高强钢材和混凝土，与钢筋混凝土相比，可节约钢材30～50％，减轻结构自重达30％左右，且跨度越大越经济。图9—1预应力梁的受力情况图9—2梁的荷载—绕度曲线对比图（a）（a）      压力作用下；（b）荷载作用下；（c）预压力与荷载共同作用下；(3)由于抗裂性能好，提高了结构的刚度和耐久性，加之反拱作用，减少了结构及构件的变形。(4)扩大了混凝土结构的应用范围。(5)通过预加应力，使结构经受了一次检验。从某种意义上讲，预应力混凝土可称为事先检验过的结构。(6)预加应力还可做为土木工程结构施工中的一种拼装手段和加固措施。预应力混凝土结构的缺

7、点是相对钢筋混凝土而言计算繁杂，施工技术要求高，需要张拉及锚具设备等，故不宜将其用于普通钢筋混凝土结构完全适用的地方。9．1．2预加应力的方法常用的施加预应力的方法主要有两种：1．先张法在浇筑混凝土前先张拉预应力钢筋的方法称为先张法。其主要工序如图9—3所示：先在台座上张拉钢筋，并作临时固定，然后浇灌混凝土，等混凝土达到一定强度后(约为设计强度的70％以上)，放松钢筋，钢筋在回缩时要挤压混凝土，使混凝土获得顶加应力。所以先张法是靠钢筋与混凝土之间的粘结力来传递预加应力的。制作先张