第12章预应力混凝土结构的基本概念及其材料.doc

第二篇 预应力混凝土结构 第12章 预应力混凝土结构的基本概念及其材料 12.1 概 述 0.10~0.15）mm，若混凝土伸长值超过该极限值就要出现裂缝。如果要求构件在使用时混凝土不开裂，则钢筋的拉应力只能达到（20~30）MPa；即使允许开裂，为了保证构件的耐久性，常需将裂缝宽度限制在（0.2~0.25）mm以内，此时钢筋拉应力也只能达到（150~250）MPa，可见高强度钢筋是无法在钢筋混凝土结构中充分发挥其抗拉强度的。 由上可知，钢筋混凝土结构在使用中存在如下两个问题：一是需要带裂缝工作，由于裂缝的存在，不仅使构件刚度下降，而且使得钢筋混凝土构件不能应用于不允许开裂的场合；二是无法充分利用高强材料。当荷载增加时，靠增加钢筋混凝土构件的截面尺寸或增加钢筋用量的方法来控制构件的裂缝和变形是不经济的，因为这必然使构件自重（恒载）增加，特别是对于桥梁结构，随着跨度的增大，自重作用所占的比例也增大。这使得钢筋混凝土结构在桥梁工程中的使用范围受到很大限制。要使钢筋混凝土结构得到进一步的发展，就必须克服混凝土抗拉强度低这一缺点，于是人们在长期的工程实践及研究中，创造出了预应力混凝土结构。 12.1.1 预应力混凝土结构的基本原理 所谓预应力混凝土，就是事先人为地在混凝土或钢筋混凝土中引入内部应力，且其数值和分布恰好能将使用荷载产生的应力抵消到一个合适程度的配筋混凝土。例如，对混凝土或钢筋混凝土梁的受拉区预先施加压应力，使之建立一种人为的应力状态，这种应力的大小和分布规律，能有利于抵消使用荷载作用下产生的拉应力，因而使混凝土构件在使用荷载作用下不致开裂，或推迟开裂，或者使裂缝宽度减小。这种由配置预应力钢筋再通过张拉或其他方法建立预应力的结构，就称为预应力混凝土结构。 现以图12-1所示的简支梁为例，进一步说明预应力混凝土结构的基本原理。 设混凝土梁跨径为L，截面为b×h，承受均布荷载q（含自重在内），其跨中最大弯矩为M＝qL2/8，此时跨中截面上、下缘的应力[图12-1c)]为 假如预先在离该梁下缘h/3（即偏心距e＝h/6）处，设置高强钢丝束，并在梁的两端对拉锚固[图12-1a) ]，使钢束中产生拉力Np，其弹性回缩的压力将作用于梁端混凝土截面与钢束同高的水平处[图12-1b)]，回缩力的大小亦为Np，。如令Np=3M/h，则同样可求得Np作用下，梁上、下缘所产生的应力[图12-1d)]为 图12-1 预应力混凝土结构基本原理图 a）简支梁受均布荷载q作用 b）预加力Np作用于梁上 c）荷载q作用下的跨中截面应力分布图 d）预加力Np作用下的跨中截面应力分布图 e）梁在q和Np共同作用下的跨中截面应力分布图 现将上述两项应力叠加，即可求得梁在q和Np共同作用下，跨中截面上、下缘的总应力[图12-1e)]为 由于预先给混凝土梁施加了预压应力，使混凝土梁在均布荷载q作用时在下边缘所产生的拉应力全部被抵消，因而可避免混凝土出现裂缝，混凝土梁可以全截面参加工作。这就相当于改善了梁中混凝土的抗拉性能，而且可以达到充分利用高强钢材的目的。上述概念就是预应力混凝土结构的基本原理。其实，预应力原理的应用早就有了，而且在日常事物中的例子也很多。例如在建筑工地用砖钳装卸砖块，被钳住的一叠水平砖块不会掉落；用铁箍紧箍木桶，木桶盛水而不漏等，这些都是运用预应力原理的浅显事例。 从图12-1还可看出，预压力Np必须针对外荷载作用下可能产生的应力状态有计划地施加。因为要有效地抵消外荷载作用所产生的拉应力，这不仅与Np的大小有关，而且也与Np所施加的位置(即偏心距e的大小)有关。预加力Np所产生的反弯矩与偏心距e成正比例，为了节省预应力钢筋的用量，设计中常常尽量减小Np值，因此在弯矩最大的跨中截面就必须尽量加大偏心距e值。如果沿全梁Np值保持不变，对于外弯矩较小的截面，则需将e值相应地减小，以免由于预加力弯矩过大，使梁的上缘出现拉应力，甚至出现裂缝。预加力Np在各截面的偏心距e值的调整工作，在设计时通常是通过曲线配筋的形式来实现的，这在后面的受弯构件设计中将作进一步介绍。 12.1.2 配筋混凝土结构的分类 国内通常把全预应力混凝土、部分预应力混凝土和钢筋混凝土结构总称为配筋混凝土结构系列。 1）国外配筋混凝土结构的分类 1970年国际预应力混凝土协会（FIP）—欧洲混凝土委员会（CEB）建议，将配筋混凝土按预加应力的大小划分为如下四级： I级：全预应力—在全部荷载最不利组合作用下，正截面上混凝土不出现拉应力； II级：有限预应力—在全部荷载最不利组合作用下，正截面上混凝土允许出现拉应力，但不超过其抗拉强度（即不出现裂缝）；在长期持续荷载作用下，混凝土不出现拉应力； III级：部分预应力—在全部荷载最不利组合作用下，构件正截面上混凝土允许出现裂缝