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结构“养生师”——预应力技术

      钢筋混凝土虽然改善了混凝土抗拉强度过低的缺点,但仍存在两个问题:一是在带裂缝工作状态下,裂缝的存在不仅造成受拉区混凝土结构刚度下降,还限制了它的使用范围;二是从保证结构耐久性的要求出发,必须限制混凝土裂缝宽度的开展,这就使高强度钢筋无法在钢筋混凝上结构中充分发挥其作用,相应也不可能使高强混凝土的作用发挥出来。


     一、预应力概念
     (1)第一种概念—预加应力能使混凝土在使用状态下成为弹性材料。经过预压混凝土,使原先抗拉弱、抗压强的脆性材料变为一种既能抗压又能抗拉的弹性材料。由此,混凝上被看作承受两个力系,即内部预应力和外部荷载。若预应力所产生的压应力将外荷载所产生的拉应力全部抵消,则在正常使用状态下混凝土没有裂缝甚至不出现拉应力。在这两个力系的作用下,混凝土构件的应力、应变及变形均可按材料力学公式计算,并可在需要时采用叠加原理。



     (2)第二种概念—预加应力能使高强钢材和混凝土共同上作并发挥两者的潜力。这种概念是将预应力混凝土看作高强钢材和混凝土两种材料的一种协调结合。在混凝土构件中采用高强钢筋,要使高强钢筋的强度充分发挥,就必须使其有很大的伸长变形。如果高强钢筋只是简单地浇筑在混凝土体内,那么在使用荷载作用下混凝土势必产生开裂,构件将出现不能允许的宽裂缝和大挠度。预应力混凝土构件中的高强钢筋只有在与混凝土结合之前预先张拉,使在使用荷载作用下受拉的混凝土预压、储备抗拉能力,才能使受拉的高强钢筋的强度进一步发挥、因此,预加应力是一种充分利用高强钢材的能力、改变混凝土工作状态的有效手段,预应力混凝土可看作钢筋混凝土应用的扩展,但也应明确,预应力混凝土不能超越材料本身的强度极限。
     (3)第三种概念—预加或后加应力实现荷载平衡。预加或后加应力的作用可以认为是对混凝土构件预先施加或后加与使用荷载(外力)方向相反的荷载,用以抵消部分或全部使用荷载效应的一种方法。预应力筋位置的调整可对混凝土构件造成横向力。

 

 


     

     二、预应力混凝土结构的优点
     (1)提高了构件的抗裂性和刚度。构件施加预应力之后,裂缝的出现将大大推迟;在使用荷载作用下,构件可不出现裂缝或推迟出现,因而构件的刚度相应提高,结构的耐久性增强。

     (2)可以节省材料,减少自重。预应力混凝上由于必须采用高强度材料,因而可以减少钢筋用量和减小构件截面尺寸,节省钢材和混凝土,从而降低结构物的自重。对于自重占总荷载比例很大的大跨径公路桥梁来说,采用预应力混凝土有着显著的优越性。一般大跨度或重荷载结构,采用预应力混凝土是比较经济合理的。
     (3)可以减小混凝上梁的剪力和主拉应力。预应力混凝土梁的曲线筋(束),可使混凝土梁在支座附近承受的剪力减小,又由于混凝土截面上预压应力的存在,使荷载作用上的主拉应力也相应减小,有利于减薄混凝土梁腹的厚度,这也是预应力混凝上梁能减轻自重的原因之一。
     (4)结构安全、质量可靠。施加预应力时,预应力筋(束)与混凝土都将经受一次强度检验。如果在预应力筋张拉时预应力筋和混凝土都表现出良好的质量,那么,在使用时一般也可以认为是安全可靠的。
      此外,预应力混凝土还能提高结构的耐劳性能。因为具有预应力筋、混凝上全截面或基本全截面参加工作的构件,在使用阶段因加荷或卸荷所引起的应力相对变化很小,因而引起疲劳破坏的可能性也小。这对于承受动荷载的结构来说是很有利的。

 
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