章预应力混凝土结构构件.PDF

第10章 预应力混凝土构件 现代结构工程发展趋势是通过不断改进设计方法、采用强度更高、质量更轻的材料建造 更为经济合理的结构。强度提高可以减小截面尺寸，减轻结构自重，混凝土结构也不例外。 然而，因混凝土抗拉强度低而引起的裂缝问题，限制了高强材料在普通混凝土结构中的应用， 因此，采用高强钢材与高强混凝土制作的预应力混凝土，已成为当前加筋混凝土结构发展的 主要方向。 10.1 预应力的概念 10.1.1 普通混凝土的主要缺陷及预应力的作用 混凝土是抗压强度高而抗拉强度低的一种结构材料，它的抗拉强度只有抗压强度的 1/10～1/15。钢筋混凝土结构中的钢筋虽能弥补混凝土抗拉强度低的缺点，提高混凝土结构 的承载能力，但仍不能解决由于混凝土抗拉能力低下而引起的另一个缺陷——裂缝问题。所 有钢筋混凝土受弯、受拉构件，无论配筋多少，在使用状态下，受拉区混凝土均已开裂。而 受拉区混凝土的开裂，不仅限制了钢筋混凝土构件的使用环境和应用范围，也使构件的刚度 降低，变形增大，从而影响结构的正常使用。在钢筋混凝土结构中采用高强钢材与高强混凝 土，其强度的充分利用同样也受到混凝土开裂的限制。这是因为高强度等级混凝土的抗拉强 度依然很低，构件开裂时钢筋的应力与普通强度混凝土构件开裂时钢筋应力相差无几，都很 低。即使使用时允许裂缝宽度为0.2～0.3mm 的构件，在正常使用状态受拉钢筋应力也只能 达到150～250N/mm2左右，与各种热轧钢筋的正常工作应力相近，即在钢筋混凝土结构中， 2 采用高强度的钢筋（建筑工程中使用的高强钢筋的强度设计值已超过1000N/mm ）不能充分 发挥其作用。另外，若钢筋混凝土构件正常工作时处于开裂状态，提高混凝土强度等级和钢 筋强度对改善构件变形性能效果也不大。因此，常规工艺的钢筋混凝土结构难以发挥高强钢 材与高强混凝土的强度。 由于混凝土抗拉强度低、易开裂以及随之引起的缺陷，常规钢筋混凝土结构技术已无能 为力。克服这种缺陷最有效的方法是对混凝土施加预压应力，即对混凝土结构中将要出现拉 应力的部位，预先人为地施加预压应力，以抵消或减少其使用过程中所产生的拉应力，使该 部位在正常使用过程中，处于受压状态或其拉应力小于某一限值。通过对施加的预压应力值 大小的控制，使混凝土结构或结构构件在使用条件下，混凝土不受拉、不开裂或裂缝宽度小 于限值。这就基本上克服了混凝土抗拉强度低和钢筋混凝土结构难以避免开裂的缺点。由于 预加应力一般都是通过张拉高强预应力钢筋的方法实现的，而预加压应力的大小随混凝土强 度提高而增加，使高强钢材和高强混凝土的强度得以充分发挥。采用预应力混凝土可以减少 混凝土截面、减轻结构自重、避免开裂或限制裂缝宽度，从而扩大了混凝土结构的应用范围。 10.1.2 预应力的一般概念 预加应力是改善混凝土构件抗裂性能的有效途径，在混凝土构件承受外荷载之前，对其 受载后的受拉区预先施加压应力，就成为了预应力混凝土结构。由于预应力技术与应用的不 断发展，目前国际上对预应力混凝土还没有一个统一的定义。美国混凝土协会（ACI ）作出 的广义的定义是：“预应力混凝土是根据需要人为地引入某一数值与分布的内应力，用以部 分或全部抵消外荷载应力的一种加筋混凝土”。 304 现以一混凝土简支梁为例说明预应力的基本原理，如图10.1。假设梁承受均布荷载，受 载后梁的跨中截面弯矩最大，该截面下边缘的拉应力为σctq 。如果在荷载作用之前，预先在 梁的受拉区施加一对压力Np ，使梁跨中截面下边缘产生压应力σctp 。该简支梁受载后，其跨 中截面下边缘产生的应力为σct σctq-σctp 。可见，梁下边缘的拉应力随着预加压力的增大而减 小，如果预加压力较大（σctq ＜σctp ），则梁下边缘混凝土处于受压状态。因此，通过控制 预压力Np 的大小，可使梁截面受拉边缘混凝土处于压应力、零应力或很小的拉应力状态，以 满足对混凝土构件不同的裂缝控制要求。 另外需要注意，在施加预压力时，梁截面上边缘的应力可能为压应力，也可能为拉应力， 其大小与所施加预压力的大小和偏心距有关。因此，在施加预压力过程中为避免截面上边缘 开裂，应对施加的预压力的大小和作用点的位置进行控制。