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    預應力混凝土的特性

    添加時間:2015/10/15
      預應力結構可以定義為:在結構承受外荷載之前,預先對其在外荷載作用下的受拉區施加壓應力,以改善結構使用性能的這種結構形式稱之為預應力結構。
      1.預應力混凝土的優點及適用性
      預應力混凝土能充分發揮鋼筋和混凝土各自的特性,能提高鋼筋混凝土構件的剛度、抗裂性和耐久性,可有效地利用高強度鋼筋和高強度等級的混凝土。與普通混凝土相比,在同樣條件下具有構件截面小、自重輕、質量好、材料省(可節約鋼材40%~50%、混凝土20%~40%),并能擴大預制裝配化程度。雖然,預應力混凝土施工,需要專門的機械設備,工藝比較復雜,操作要求較高,但在跨度較大的結構中,其綜合經濟效益較好。此外,在一定范圍內,以預應力混凝土結構代替鋼結構,可節約鋼材、降低成本、并免去維修工作。
      近年來,隨著施工工藝不斷發展和完善,預應力混凝土的應用范圍愈來愈廣。除在傳統工業與民用建筑的屋架、吊車梁、托架梁、空心樓板、大型屋面板、檁條、掛瓦板等單個構件上廣泛應用外,還成功地把預應力技術運用到多層工業廠房、高層建筑、大型橋梁、核電站安全殼、電視塔、大跨度薄殼結構、筒倉、水池、大口徑管道、基礎巖土工程、海洋工程等技術難度較高的大型整體或特種結構上。當前,預應力混凝土的使用范圍和數量,已成為一個國家建筑技術水平的重要標志之一。
      預應力混凝土的施工工藝常用的有先張法、后張法和電張法。此外,還有自張法,即用膨脹水泥伴制的混凝土來澆筑構件,利用混凝土硬化時的膨脹力使鋼筋伸長而獲得預應力。
      2.預應力砼的分類
      預應力混凝土按預應力度大小可分為:全預應力混凝土和部分預應力混凝土。全預應力混凝土是在全部使用荷載下受拉邊緣不允許出現拉應力的預應力混凝土,適用于要求混凝土不開裂的結構。部分預應力混凝土是在全部作用荷載下受拉邊緣允許出現一定的拉應力或裂縫的混凝土,其綜合性能較好,費用較低,適用面廣。預應力混凝土按施工方式不同可分為:預制預應力混凝土、現澆預應力混凝土和疊合預應力混凝土等。按預加應力的方法不同可分為:先張法預應力混凝土和后張法預應力混凝土,按是否粘結又可分為無粘結預應力及有粘結預應力。
      3.預應力混凝土預制構件
      經過40多年來的不斷發展,我國在房屋建筑、鐵路、橋梁等方面的預應力混凝土預制構件已形成以下主要系列:
      (1)預應力屋面梁和屋架
      12~18m先張法預應力混凝土屋面大梁;12m預應力托梁;12~21m三鉸屋架;15~36m先張法或后張法的整體式或拼裝式預應力混凝土屋架,有拱形、折線形、梯形和空腹桁架等形式,在深圳赤污完成的60m跨預應力組合屋架,則是目前跨度最大的預應力組合屋架。
      (2)預應力吊車梁
      6mT形預應力吊車梁;9~12m工字形等截面和變截面魚腹式吊車梁;以及超過12m跨的桁架式吊車梁。
      (3)預應力屋面板和樓板
      在預應力混凝土屋面板中,寬2.4m、長9-27m的預應力大型屋面板應用最廣,還有6-18.6m大跨度預應力空心板等。
      6~18m寬1.2米長度6-18.6米先張預應力多孔板(預應力空心樓板)和寬2.4m、長12~19m的預應力雙T承重板(應用最廣,也可作屋面板用)。而預應力雙T承重板亦常用作多層工業廠房的樓板。
      (4)板架合一的預應力屋面構件
      15~33m跨預應力單T板梁,9~27m跨V形折板(在板縫中另加無粘結預應力后張束后可做到30m跨)和9~28m跨馬鞍形殼板。
      (5)預應力簡支梁
      用于房屋樓面結構的9~15m跨預應力薄腹梁;用于鐵路橋梁的6~32m先張預應力簡支梁、16~32m跨超低高度預應力梁(比相應跨度普通高度梁降低高度0.8m左右)、40m分片后張預應力梁和32~56m后張預應力箱形梁;用于公路橋梁的30~50m跨預應力T形簡支梁、30m預應力組合梁,以及用于城市立交橋的20m跨以下的先張預應力空心板梁,27m以下的先張預應力組合箱梁和25~37m的后張預應力T形梁。
      (6)其他預應力預制構件
      三種不同承載能力的預應力軌枕,用于房屋地基工程的預應力方樁和φ300~500預應力管樁,以及用于港口工程的φ1200~1400預應力管樁等。
      4.預應力結構
      (1)整體預應力裝配式板柱建筑體系
      后張整體預應力裝配式抗震結構體系,有矩形、六邊形和梯形等多種柱網(最大柱距達11.7m),采用多跨連續折線配筋預應力,將預制整間或拼裝(有一間2塊、3塊、6塊和9塊)樓板與預制柱(矩形、六邊形)拼裝在一起、澆筑板縫混凝土后形成的大跨度、無梁空間結構,適于建造辦公樓、住宅、多層廠房、商場、書庫等建筑。
      (2)后張預應力混凝土框架結構
      a.采用單向預應力框架梁的橫向框架結構和縱向框架結構;
      b.采用雙向預應力框架梁的框架結構。
      (3)高層建筑
      由于采用預應力可降低樓面結構高度、擴大梁的支承跨度和解決大荷載、大懸挑結構的合理設計等突出的優勢,使得預應力結構在高層建筑中的應用越來越多。如:無梁無柱的框筒結構;帶扁梁預應力平板的框筒結構;內框外筒結構;大跨度、大空間預應力混凝土結構等。
      (4)其他特種結構
      a.電視塔
      豎向預應力混凝土筒體結構;預應力塔身、錐殼基礎和裙房大跨度懸挑梁結構;豎向預應力和環向預應力等
      b.特種工程
      核電站的安全殼;原煤筒倉;煉油廠爆氣池;污水處理廠爆氣池、濃縮池、污泥消化池等。
      c.大跨度結構
      預應力主次梁屋蓋結構;地下室頂板的整體預應力板柱結構;預制塊體預應力拼裝梁;索束桁屋蓋結構和雙曲拋物面薄殼結蓋等。
      d.大懸挑結構
      懸挑梁是懸挑長度可達到10m左右。
      e.大型橋梁
      大型預應力橋梁,其主要結構形式有:①簡支梁、板橋:跨度比一般為1/5~1/20,低高度者可達1/25,多跨簡支橋可采用連續橋面;②T型剛構橋:上下部結構固結,上部從墩頂向兩側伸出懸壁呈T形,其間設剪力鉸形成超靜定結構(或設掛梁成靜定結構),跨度從50m到270m,最適于采用懸臂對稱平衡法施工;③連續梁橋:連續箱梁跨蓋結構跨徑可達200m左右,箱梁則有單箱、雙箱、單室和多室等;④連續剛橋:可由多個等跨或不等跨的T構固接形成,或由斜腿剛構預制板、現澆混凝土組成,或中部的連續剛構、邊部為連續梁;⑤拱橋:由上、下弦桿、腹桿和中央實腹段組成的拱片與橫聯接系和橋面組成。桁拱跨度一般為50~80m,由桁式懸臂剛架與桁拱組成的江界河橋的跨度達330m;⑥斜拉橋:采用塔支承的斜索拉著加勁梁、即由塔、梁、索組成。其經濟跨已達900m,邊中跨比為0.3~0.5,橋面之上的塔高為0.15~0.3跨度;⑦懸索橋:以主纜為承重主體,加勁梁由等間距的吊桿懸掛在主纜上,主纜受力后呈非線性變形彎曲;⑧彎、坡、斜橋:有板式、梁式和箱式并設置抗扭橫梁。
      5.預應力鋼材應力—應變曲線和應力松弛
      (1)應力—應變曲線
      碳素鋼絲或鋼絞線均屬硬鋼,其應力—應變曲線見下圖。當鋼絲拉伸到超過比例極限σp(習慣上采用殘余應變為0.01%時的應力)后,σ-ε關系呈非線性變化,沒有明顯的屈服點。當鋼絲拉伸超過σ0.2(殘余應變為0.2%)后,應變ε增加較快;當拉伸至最大應力σb時,應變ε繼續發展,在σ-ε曲線上呈現為一水平段,然后斷裂。
      (2)應力松弛
      應力松弛是指鋼材受到一定的張拉力之后,在長度保持不變的條件下,鋼材的應力隨時間的增長而降低的現象,其降低值稱為應力松弛損失。產生應力松弛的原因主要是由于金屬內部位錯運動使一部分彈性變形轉達化為塑性變形引起的。
      預應力鋼材的松弛試驗,應按國際預應力混凝土協會(FIP)等單位編制的《預應力鋼材等溫松弛試驗實施規程》進行。試件的初應力取0.6σb、0.7σb和0.8σb,環境溫度為20±1℃,在松弛試驗機上分別讀出不同時間的松弛損失率,試驗應持續1000h或持續一個較短的期間推算至1000h的松弛率。下圖示出預應力鋼絲和熱處理鋼筋的應力松弛試驗算據,其松弛率與時間、鋼種、溫度的關系如下:①應力松弛初期發展較快,第一小時相當于1000h的15%~35%,以后逐漸減慢。鋼絲應力松弛損失率Rt=Algt+B,與時間t有較好的對數線性關系。一年松弛損失率相當于1000h的12.5倍,50年松弛損失率為1000h的1.725倍;②鋼絲和鋼絞線的應力松弛率比熱處理鋼筋和精軋螺紋鋼筋大;③初應力大,松弛損失也大。當σi>0.7σb時,松弛損失率明顯增大,呈非線性變化;④隨著溫度的升高,松弛損失率急劇增加。根據國外試驗資料,40°C時1000h松弛損失率約為20°的1.5倍。
      預應力鋼材的應力松弛試驗數據
     ?、僖淮螐埨绦?→σi;②超張拉程序;③超張拉程序0→1.03σi
      減少松弛損失的措施為:
      a.采取超張拉程序
      比一次張拉程序0→σi,可關少松弛損失10%;也可采用0→1.03σi超張拉程序,松弛損失率雖然增大了,但剩余預應力仍比0→σi程序大。
      b.采用低松弛鋼絞線或鋼絲,其松弛損失可減少70%~80%。

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