预应力混凝土的基本概念
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第一讲预应力定义:预应力混凝土是根据需要人为引入某一数值与分布的内应力,用以全部或部分抵消外荷载应力的一种加筋混凝土。
狭义定义:在混凝土构件承受外荷载之前,对其受拉区预先施加压应力,就成为预应力混凝土结构广义定义:预应力混凝土是其中已建立有内应力的混凝土,内应力的大小和分布能够抵消给定的外加荷载所引起的应力至预期的程度。
基本概念:应力概念(预计开裂程度):预应力混凝土是由于预加应力而使混凝土从一种脆性材料转变成为一种弹性材料。
这种概念:“以无拉应力设计准则”为基础的。
特点:1主要设计阶段为正常使用极限状态;2计算方法采用材料力学方法,符合胡克定律和叠加原理。
强度概念(抵抗破坏安全性):预加应力是为了使高强钢筋能够和混凝土结合,它是钢筋混凝土的扩大和改进。
特点:主要表现在提高了构件的抗裂和刚度性能,同时也提高了承载力,充分发挥了张拉对承载力的贡献。
荷载平衡概念(计算挠度):预加应力是为了实现预期的荷载平衡。
特点:使得预应力概念更深入了,给设计计算带来了大大的简化。
早期预应力实践存在的问题:使用的混凝土和钢筋材料的强度较低,对预应力损失的认识不够。
钢筋混凝土与预应力混凝土之间的主要区别钢筋混凝土是将钢筋和混凝土简单地结合在一起,并且任由它们自行地共同工作,而预应力混凝土则不然,它是将高强混凝土和高强钢材“能动”地结合在一起,这种结合是靠张紧钢材并将其锚固于混凝土,从而使混凝土受压来实现。
钢材是延性材料,现在用预加应力的办法使其能在高拉力下工作,混凝土在抗拉能力上是脆性材料,现在由于受到预压而有所改善,同时抗压能力并未真正受到损害。
因此预应力混凝土仍是两种现代高强度材料的一种理想结合。
为什么预应力混凝土能发挥高强钢筋的作用呢?原因在于钢材的弹性模量一般相差不大,而在正常使用状态时,普通钢筋混凝土拉应变不大,因此不能使用高强钢筋,即受到限制。
预应力混凝土是先将钢筋张拉一段应变,即先增加了应力,然后在外加荷载下还能增加一段应变,这样高强钢筋就能使用了。
1第9章 预应力混凝土构件9.1 预应力混凝土的基本概念9.1.1 预应力混凝土的原理普通钢筋混凝土结构或构件,由于混凝土的抗拉强度及极限拉应变很小,其抗拉强度约 为抗压强度的17181~,极限拉应变(约为0.1×10-3~0.15×10-3)也仅为极限压应变的301201~。
因此,在使用荷载作用下,钢筋混凝土受弯构件大偏心受压构件及受拉构件的受拉区混凝土开裂较早,这时受拉钢筋的压力s σ只有20~30N/mm 2。
混凝土开裂后,显著地降低了构件的刚度,导致构件变形过大。
当钢筋应力达到200MP a 时,裂缝宽度已有较大的开展,可达0.2mm 以上。
裂缝的开展,将导致钢筋的锈蚀,使处于高湿度或侵蚀性环境中构件的耐久性降低。
对要求有较高密度性和耐久性的结构物,如水池、油罐、原子能反应堆,受到侵蚀性介质作用的工业厂房、水利、海洋港口工程结构物使用钢筋混凝土结构成为不可能或很不经济。
为了使构件满足变形和裂缝控制的要求,则需增加构件的截面尺寸和用钢量,这将导致截面尺寸和自重过大,使钢筋混凝土构件用于大跨或承受动力荷载的结构如大跨屋盖、重吨位吊车梁、铁路桥梁等成为很不经济、很不合理、甚至是不可能的。
采用高强度混凝土和高强钢筋是减轻结构自重,节省钢材和降低造价的重要措施。
而在钢筋混凝土构件中很难合理利用高强度材料,如第八章所述,提高混凝土强度等级对提高构件的抗裂性、刚度和减小裂缝宽度的作用很小。
采用高强度钢筋,在使用荷载作用下,其应力可提高很多,可达500N/mm 2~1000N/mm 2,但裂缝宽度和挠度将远远超过了允许的限值。
因而,在普通钢筋混凝土结构中采用高强钢筋不能充分发挥作用。
在普通钢筋混凝土构件中,高强钢筋及高强混凝土不能充分发挥作用的主要障碍是:拉区混凝土的过早开裂,使混凝土固有的抗压强度高的优势不能充分发挥。
日常生活中可见到,在木桶或木盆干燥时用几道铁箍箍紧,使桶壁中产生环向预压应力。