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预应力混凝土的特性

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预应力结构可以定义为:在结构承受外荷载之前,预先对其在外荷载作用下的受拉区施加压应力,以改善结构使用性能的这种结构形式称之为预应力结构。
1.预应力混凝土的优点及适用性 
预应力混凝土能充分发挥钢筋和混凝土各自的特性,能提高钢筋混凝土构件的刚度、抗裂性和耐久性,可有效地利用高强度钢筋和高强度等级的混凝土。与普通混凝土相比,在同样条件下具有构件截面小、自重轻、质量好、材料省 ( 可节约钢材 40%~50% 、混凝土 20%~40%) ,并能扩大预制装配化程度。虽然,预应力混凝土施工,需要专门的机械设备,工艺比较复杂,操作要求较高,但在跨度较大的结构中,其综合经济效益较好。此外,在一定范围内,以预应力混凝土结构代替钢结构,可节约钢材、降低成本、并免去维修工作。
近年来,随着施工工艺不断发展和完善,预应力混凝土的应用范围愈来愈广。除在传统工业与民用建筑的屋架、吊车梁、托架梁、空心楼板、大型屋面板、檩条、挂瓦板等单个构件上广泛应用外,还成功地把预应力技术运用到多层工业厂房、高层建筑、大型桥梁、核电站安全壳、电视塔、大跨度薄壳结构、筒仓、水池、大口径管道、基础岩土工程、海洋工程等技术难度较高的大型整体或特种结构上。当前,预应力混凝土的使用范围和数量,已成为一个国家建筑技术水平的重要标志之一。
预应力混凝土的施工工艺常用的有先张法、后张法和电张法。此外,还有自张法,即用膨胀水泥伴制的混凝土来浇筑构件,利用混凝土硬化时的膨胀力使钢筋伸长而获得预应力。
2.预应力砼的分类 
预应力混凝土按预应力度大小可分为:全预应力混凝土和部分预应力混凝土。全预应力混凝土是在全部使用荷载下受拉边缘不允许出现拉应力的预应力混凝土,适用于要求混凝土不开裂的结构。部分预应力混凝土是在全部作用荷载下受拉边缘允许出现一定的拉应力或裂缝的混凝土,其综合性能较好,费用较低,适用面广。预应力混凝土按施工方式不同可分为:预制预应力混凝土、现浇预应力混凝土和叠合预应力混凝土等。按预加应力的方法不同可分为:先张法预应力混凝土和后张法预应力混凝土,按是否粘结又可分为无粘结预应力及有粘结预应力。
3.预应力混凝土预制构件 
经过 40 多年来的不断发展,我国在房屋建筑、铁路、桥梁等方面的预应力混凝土预制构件已形成以下主要系列:
(1) 预应力屋面梁和屋架
12~18m 先张法预应力混凝土屋面大梁; 12m 预应力托梁; 12~21m 三铰屋架; 15~36m 先张法或后张法的整体式或拼装式预应力混凝土屋架,有拱形、折线形、梯形和空腹桁架等形式,在深圳赤污完成的 60m 跨预应力组合屋架,则是目前跨度最大的预应力组合屋架。
(2) 预应力吊车梁
6mT 形预应力吊车梁; 9~12m 工字形等截面和变截面鱼腹式吊车梁;以及超过 12m 跨的桁架式吊车梁。
(3) 预应力屋面板和楼板
在预应力混凝土屋面板中,宽2.4m 、长9-27m 的预应力大型屋面板应用最广,还有6-18.6m 大跨度预应力空心板等。
6~18m 宽1.2米长度6-18.6米先张预应力多孔板(预应力空心楼板)和宽 2.4m 、长 12~19m 的预应力双T承重板( 应用最广,也可作屋面板用 ) 。而预应力双T承重板亦常用作多层工业厂房的楼板。
(4) 板架合一的预应力屋面构件
15~33m 跨预应力单 T 板梁, 9~27m 跨 V 形折板 ( 在板缝中另加无粘结预应力后张束后可做到 30m 跨 ) 和 9~28m 跨马鞍形壳板。
(5) 预应力简支梁
用于房屋楼面结构的 9~15m 跨预应力薄腹梁;用于铁路桥梁的 6~32m 先张预应力简支梁、 16~32m 跨超低高度预应力梁 ( 比相应跨度普通高度梁降低高度 0.8m 左右 ) 、 40m 分片后张预应力梁和 32~56m 后张预应力箱形梁;用于公路桥梁的 30~50m 跨预应力 T 形简支梁、 30m 预应力组合梁,以及用于城市立交桥的 20m 跨以下的先张预应力空心板梁, 27m 以下的先张预应力组合箱梁和 25~37m 的后张预应力 T 形梁。
(6) 其他预应力预制构件
三种不同承载能力的预应力轨枕,用于房屋地基工程的预应力方桩和φ 300~500 预应力管桩,以及用于港口工程的φ 1200~1400 预应力管桩等。
4.预应力结构 
(1) 整体预应力装配式板柱建筑体系
后张整体预应力装配式抗震结构体系,有矩形、六边形和梯形等多种柱网 ( 最大柱距达 11.7m) ,采用多跨连续折线配筋预应力,将预制整间或拼装 ( 有一间 2 块、 3 块、 6 块和 9 块 ) 楼板与预制柱 ( 矩形、六边形 ) 拼装在一起、浇筑板缝混凝土后形成的大跨度、无梁空间结构,适于建造办公楼、住宅、多层厂房、商场、书库等建筑。
(2) 后张预应力混凝土框架结构
a .采用单向预应力框架梁的横向框架结构和纵向框架结构;
b .采用双向预应力框架梁的框架结构。
(3) 高层建筑
由于采用预应力可降低楼面结构高度、扩大梁的支承跨度和解决大荷载、大悬挑结构的合理设计等突出的优势,使得预应力结构在高层建筑中的应用越来越多。如:无梁无柱的框筒结构;带扁梁预应力平板的框筒结构;内框外筒结构;大跨度、大空间预应力混凝土结构等。
(4) 其他特种结构
a .电视塔
竖向预应力混凝土筒体结构;预应力塔身、锥壳基础和裙房大跨度悬挑梁结构;竖向预应力和环向预应力等
b .特种工程
核电站的安全壳;原煤筒仓;炼油厂爆气池;污水处理厂爆气池、浓缩池、污泥消化池等。
c .大跨度结构
预应力主次梁屋盖结构;地下室顶板的整体预应力板柱结构;预制块体预应力拼装梁;索束桁屋盖结构和双曲抛物面薄壳结盖等。
d .大悬挑结构
悬挑梁是悬挑长度可达到 10m 左右。
e .大型桥梁
大型预应力桥梁,其主要结构形式有:①简支梁、板桥:跨度比一般为 1/5~1/20 ,低高度者可达 1/25 ,多跨简支桥可采用连续桥面;② T 型刚构桥:上下部结构固结,上部从墩顶向两侧伸出悬壁呈 T 形,其间设剪力铰形成超静定结构 ( 或设挂梁成静定结构 ) ,跨度从 50m 到 270m ,最适于采用悬臂对称平衡法施工;③连续梁桥:连续箱梁跨盖结构跨径可达 200m 左右,箱梁则有单箱、双箱、单室和多室等;④连续刚桥:可由多个等跨或不等跨的 T 构固接形成,或由斜腿刚构预制板、现浇混凝土组成,或中部的连续刚构、边部为连续梁;⑤拱桥:由上、下弦杆、腹杆和中央实腹段组成的拱片与横联接系和桥面组成。桁拱跨度一般为 50~80m ,由桁式悬臂刚架与桁拱组成的江界河桥的跨度达 330m ;⑥斜拉桥:采用塔支承的斜索拉着加劲梁、即由塔、梁、索组成。其经济跨已达 900m ,边中跨比为 0.3~0.5 ,桥面之上的塔高为 0.15~0.3 跨度;⑦悬索桥:以主缆为承重主体,加劲梁由等间距的吊杆悬挂在主缆上,主缆受力后呈非线性变形弯曲;⑧弯、坡、斜桥:有板式、梁式和箱式并设置抗扭横梁。
5.预应力钢材应力—应变曲线和应力松弛 
(1) 应力—应变曲线
碳素钢丝或钢绞线均属硬钢,其应力—应变曲线见下图。当钢丝拉伸到超过比例极限 σ p ( 习惯上采用残余应变为 0.01% 时的应力 ) 后, σ-ε 关系呈非线性变化,没有明显的屈服点。当钢丝拉伸超过 σ 0.2 ( 残余应变为 0.2%) 后,应变 ε 增加较快;当拉伸至最大应力 σ b 时,应变 ε 继续发展,在 σ-ε 曲线上呈现为一水平段,然后断裂。

 (2) 应力松弛
应力松弛是指钢材受到一定的张拉力之后,在长度保持不变的条件下,钢材的应力随时间的增长而降低的现象,其降低值称为应力松弛损失。产生应力松弛的原因主要是由于金属内部位错运动使一部分弹性变形转达化为塑性变形引起的。
预应力钢材的松弛试验,应按国际预应力混凝土协会 (FIP) 等单位编制的《预应力钢材等温松弛试验实施规程》进行。试件的初应力取 0.6 σ b 、 0.7 σ b 和 0.8 σ b ,环境温度为 20 ± 1 ℃ ,在松弛试验机上分别读出不同时间的松弛损失率,试验应持续 1000h 或持续一个较短的期间推算至 1000h 的松弛率。下图示出预应力钢丝和热处理钢筋的应力松弛试验算据,其松弛率与时间、钢种、温度的关系如下: ①应力松弛初期发展较快,第一小时相当于 1000h的15%~35%,以后逐渐减慢。钢丝应力松弛损失率 R t = A lgt+ B ,与时间 t有较好的对数线性关系。一年松弛损失率相当于1000h的12.5倍, 50年松弛损失率为1000h的1.725倍;②钢丝和钢绞线的应力松弛率比热处理钢筋和精轧螺纹钢筋大 ;③初应力大,松弛损失也大。当σi>0.7σb 时,松弛损失率明显增大,呈非线性变化;④随着温度的升高,松弛损失率急剧增加。根据国外试验资料,40°C时1000h松弛损失率约为20°的1.5倍。 
预应力钢材的应力松弛试验数据
①一次张拉程序 0→ σ i ;②超张拉程序 ;③超张拉程序0→1.03σi
减少松弛损失的措施为:
a. 采取超张拉程序 
比一次张拉程序 0→ σ i ,可关少松弛损失 10%;也可采用 0→1.03 σ i 超张拉程序,松弛损失率虽然增大了,但剩余预应力仍比 0→ σ i 程序大。
b .采用低松弛钢绞线或钢丝,其松弛损失可减少 70%~80% 。

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