第9章预应力混凝土构件-兰州理工大学土木工程学院.pdf

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 1 1 －3 －3 1 1 为抗压强度的 ~ ，极限拉应变（约为0.1 ×10 ~0.15 ×10 ）也仅为极限压应变的 ~ 。 8 17 20 30 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σ 只有 20~30N/mm2 。混凝土开裂后，显著地降低了构件的 s 刚度，导致构件变形过大。当钢筋应力达到 200MPa 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 2 2 500N/mm ~1000N/mm ，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。 盛水后，木材膨胀在桶壁内产生环向拉应力，只要木板之间的预压应力大于水压产生的环向 拉应力，木桶和木盆就不会漏水。在钢筋混凝土结构中，防止混凝土出裂的一种设想是利用 某些手段，在结构构件受外荷载作用前，预先对由外荷载引起的混凝土受拉区施加预压应力， 用以减小或抵消外荷载所引起的混凝土的拉应力，从而，使结构构件的拉应力不大，甚至处 于受压状态。也就是借助于混凝土较高的抗压能力来弥补其抗拉能力的不足，采用预先加压 的手段来间接地提高混凝土的抗拉强度，从本质上改变混凝土易裂的特性。这种在构件受荷 载以前预先对混凝土受拉区施加压应力的结构称为“预应力混凝土结构”。 预应力混凝土最早是在 1928 年由著名的法国工程师弗来西奈（E ·Freyssinet ）研究成功 1 的。经过数十年的研究开发与推广应用，取得了很大进展，在房屋建筑、桥梁、水利、海洋、 能源、电力及通讯工程中得到了广泛应用，节约了大量的材料与投资，促进了社会生产的发 展。可以说，预应力混凝土结构作为一种先进的结构形式，其应用的范围和数量是衡量一个 国家建筑技术水平的重要指标之一。 现以图 9 －1 所示预应力简支梁为例，说明预应力混凝土的一些重要特性及基本原理。 图9 －1 （a ）所示的无配筋素混凝土梁，当均布荷载q （包括梁自重）作用时，跨中截 面梁的下边缘将产生拉应力σ ，梁上边缘产生压应力σ ，假如混凝土的应力处于弹性范围 ct c 以内，则跨中混凝土正应力沿截面高度呈直线分布。图 9 －1 （b ）为另外一条梁，其截面尺 寸，跨度等同前一根梁。在外荷截作用之前，预先在梁的受拉区施加一对大小相等、方向相 反的偏心预加力，从而使梁跨中截面的下边缘混凝土产生预压应力σ ，梁上边缘产生预拉