预应力混凝土结构设计原理.docx

1、上 海 市 普 通 高 校 “九 五 ”重 点 教 材预 应 力 混 凝 土 结 构 设 计 原 理(土 木 工 程 专 业 用 )世 界 银 行 贷 款 资 助 项 目 上 海 市 教 育 委 员 会 组 编李 国 平 主 编人 民 交 通 出 版 社内 容 提 要本书 以 预 应 力 混 凝 土 结 构 为 主要 内 容 ,分 十章 详 细 阐 述 了 先 张 与 后 张 、 有 粘 结 和 无 粘结 、 体 内 及体 外 等 工 艺 、 构 造 与 受 力 特 点 的 预 应 力 混 凝 土 结 构 设 计 的 基 本 原 理 和 方 法 ,反 映 了 土 木 工 程 专 业 有 关 领

2、 域 各 种 预 应 力 混 凝 土 结 构 的 特 点 ,为 一 本 较 完 整 描 述 预 应 力 混 凝 土 结 构 设 计 原 理 的 书 籍 。本 书 是 根 据 教 育 部 1998 年 新 编 专 业 目 录 有 关 土 木 工 程 专 业 教 学 大 纲 的 要 求 而 编 写 的 ,主 要 作 为 土 木 工 程 专 业本 科 学 生 的 教 材 ,也 可 作 为 土 木 工 程 相 关领 域 的 工 程 技 术 人 员 、 大 专 院 校 学 生 和 教师 的 参 考 用 书 。上 海 市 普 通 高 校 “九 五 ”重 点 教 材 预 应 力 混 凝 土 结 构 设 计

3、原 理 (土 木 工 程 专 业 用 ) 世 界 银 行 贷 款 资 助 项 目 上 海 市 教 育 委 员 会 组 编李 国 平 主 编 责 任 印 制 : 责 任 校 对 :刘 高 彤人 民 交 通 出 版 社 出 版 发 行( 1 00 0 13 北 京 和 平 里 东 街 1 0 号 0 10 - 6 4 2 16 6 02 ) 各 地 新 华 书 店 经 销北 京 鑫 正 大 印 刷 厂 印 刷开 本 : 7 87 10 9 2 1/ 1 6 印 张 : 字 数 : 千 2 0 00 年 1 0 月 第 1 版2 0 00 年 1 0 月 第 1 版 第 1 次 印 刷 总 第 1

4、次 印 刷 印 数 : 0 00 1 4 5 00 册 定 价 : 2 5. 0 0 元IS B N 7-11 4 -1前 言预 应 力 混 凝 土 结 构 设 计 原 理 为 土 木 工 程 专 业 的 专 业 基 础 课 ,是 根 据 教 育 部 1998 年 新 编 专 业 目 录 有 关 土 木 工 程 专 业 教 学 大 纲 的 要 求 而 编 写 的 教 材 ,它 包 含 了 原 交 通 土 建 工 程 、 建 筑 工程 等 土 建 类 专 业 中 有 关 预 应 力 混 凝 土 结 构 部 分 的 教 学 内 容 。本 教 材 的 内 容 以 预 应 力 混 凝 土 结 构 设

5、计 理 论 、 原 理 及 设 计 方 法 为 主 。 根 据 土 木 工 程 专 业 涉 及 工 程 领 域 广 、 适 应 性 强 的 特 点 ,本 教 材 在 内 容 方 面 作 了 较 大 改 变 :首 先 ,教 材 内 容 的 覆 盖 面 扩 大 ,收 入 了 一 些 预 应 力 混 凝 土 结 构 发 展 的 最 新 成 果 ,添 加 了 原土 建 类 有 关 教 材 中 未 包 含 的 内 容 ,如 体 外 预 应 力 混 凝 土 结 构 、 预 应 力 混 凝 土 结 构 的 抗 震 性 能 , 细 化 了 如 无 粘 结 预 应 力 混 凝 土 结 构 等 内 容 。 这 些

6、 内 容 的 扩 展 ,使 本 教 材 能 够 适 应 土 木 工 程 专 业宽 口 径 的 教 学 要 求 ,在 具 体 教 学 过 程 中 ,教 材 中 部 分 内 容 也 可 根 据 需 要 作 为 学 生 自 学 、 扩 展 知 识 之 用 。其 次 ,重 点 突 出 原 理 、 方 法 ,构 筑 土 木 工 程 宽 口 径 专 业 共 同 的 知 识 平 台 ;基 本 解 决 了 原 土 建 类 各 专 业 领 域 规 范 及 教 材 中 计 算 公 式 、 符 号 等 的 不 统 一 问 题 ,并 统 一 在 以 国 标 (G B J 1089) 为 基 础 、 适 当 考 虑 目

7、 前 使 用 习 惯 的 范 围 内 。 本 教 材 在 这 方 面 的 特 点 ,增 强 了 土 木 工 程 专 业 毕 业生 对 土 建 类 各 工 程 领 域 的 适 应 性 ,也 为 我 国 在 这 些 工 程 领 域 逐 步 建 立 统 一 的 技 术 标 准 、 规 范 , 并 与 国 际 惯 例 接 轨 创 造 了 基 本 条 件 。值 得 注 意 的 是 ,由 于 目 前 我 国 土 木 工 程 专 业 各 工 程 领 域 的 技 术 标 准 、 规 范 不 统 一 ,且 所 涉 及 的 基 本 理 论 、 方 法 也 不 尽 相 同 ,这 给 本 教 材 的 编 写 带 来

8、了 困 难 。 为 此 ,本 教 材 在 一 些 差 异 较 大 的 基 本 理 论 、 方 法 叙 述 中 ,采 取 了 先 进 性 、 广 泛 性 相 结 合 的 选 择 原 则 。 为 了 提 高 学 生 的 动 手 能力 ,熟 悉 有 关 技 术 标 准 、 规 范 ,加 深 对 实 际 工 程 设 计 的 认 识 ,以 及 巩 固 教 材 阐 述 的 基 础 理 论 、 原 理 及 方 法 ,本 教 材 应 配 以 与 土 木 工 程 专 业 各 工 程 领 域 技 术 标 准 、 规 范 相 结 合 的 习 题 和 课 程 设 计或 大 型 习 题 ,而 预 应 力 混 凝 土 结

9、 构 设 计 则 是 与 本 教 材 配 套 的 后 续 教 材 。本 教 材 共 有 十 章 和 一 个 附 录 ,主 要 内 容 如 下 : 第 一 章 主 要 阐 述 了 预 应 力 混 凝 土 结 构 的 基 本 概 念 、 历 史 与 发 展 ,以 及 本 课 程 的 任 务 和 学 习要 求 。第 二 章 介 绍 了 预 应 力 混 凝 土 结 构 对 材 料 性 能 的 要 求 ,列 出 了 国 内 外 常 用 的 预 应 力 混 凝 土材 料 ;同 时 介 绍 了 预 应 力 混 凝 土 结 构 的 预 应 力 工 艺 及 相 应 的 设 备 ,包 括 国 内 外 常 用 的

10、预 应 力 锚 具 类 型 等 。第 三 章 叙 述 了 预 应 力 筋 的 张 拉 控 制 应 力 、 预 应 力 损 失 计 算 及 有 效 预 应 力 的 计 算 原 理 和 方法 ,并 介 绍 了 减 少 预 应 力 损 失 的 措 施 。第 四 章 至 第 六 章 以 预 应 力 混 凝 土 构 件 为 基 础 ,从 基 本 原 理 出 发 分 别 阐 述 了 下 列 计 算 内 容 : 受 弯 构 件 正 截 面 、 斜 截 面 承 载 能 力 的 计 算 方 法 ,偏 心 拉 、 压 构 件 截 面 承 载 能 力 的 计 算 方 法 ;构 件 截 面 正 应 力 、 剪 应 力

11、 、 主 应 力 及 考 虑 截 面 开 裂 的 应 力 的 计 算 方 法 ;构 件 各 阶 段 变 形 的 计 算 方 法 ; 构 件 的 裂 缝 、 疲 劳 强 度 的 计 算 方 法 ,预 应 力 筋 锚 固 区 计 算 方 法 。2第 七 章 以 预 应 力 混 凝 土 构 件 的 设 计 为 主 ,叙 述 了 构 件 设 计 的 基 本 思 路 ,构 件 内 力 计 算 中 预1应 力 效 应 计 算 的 几 个 基 本 概 念 ,以 及 构 件 设 计 的 基 本 方 法 和 步 骤 。 第 八 章 主 要 介 绍 了 无 粘 结 预 应 力 混 凝 土 结 构 的 基 本 概

12、况 ,受 弯 构 件 的 受 力 性 能 、 计 算 和 设计 方 法 。第 九 章 的 主 要 内 容 为 体 外 预 应 力 混 凝 土 结 构 的 基 本 概 况 、 结 构 的 组 成 包 括 构 造 特 点 以 及 结 构 的 力 学 性 能 等 。第 十 章 以 预 应 力 混 凝 土 结 构 的 抗 震 问 题 为 基 本 内 容 ,介 绍 了 地 震 对 预 应 力 混 凝 土 结 构 的影 响 、 抗 震 性 能 研 究 的 成 果 、 抗 震 设 计 方 法 以 及 抗 震 构 造 措 施 。附 录 集 中 给 出 了 本 教 材 有 关 章 节 的 计 算 示 例 和 习

13、 题 ,以 帮 助 读 者 加 深 对 教 材 内 容 的 理 解 , 巩 固 所 学 知 识 。本 教 材 第 四 章 至 第 七 章 内 容 主 要 以 体 内 有 粘 结 预 应 力 混 凝 土 结 构 为 主 。 在 教 学 过 程 中 ,各 章 、 节 内 容 顺 序 安 排 可 由 教 师 根 据 具 体 情 况 决 定 。本 教 材 由 同 济 大 学 李 国 平 主 编 ,各 章 节 均 由 同 济 大 学 教 师 编 写 。 其 中 第 一 章 由 李 国 平 编写 ;第 二 章 由 郑 步 全 、 张 国 泉 编 写 ;第 三 章 由 张 国 泉 编 写 ;第 四 章 由

14、薛 二 乐 编 写 ;第 五 章 由 柳 惠芬 编 写 ;第 六 章 由 柳 惠 芬 、 李 国 平 编 写 ;第 七 章 由 周 宗 泽 、 熊 学 玉 、 张 国 泉 编 写 ;第 八 章 由 薛 伟 辰 编 写 ;第 九 章 由 徐 栋 编 写 ;第 十 章 由 薛 伟 辰 编 写 ;附 录 由 李 国 平 编 写 。 全 书 由 李 国 平 统 一 修 改 定稿 ,由 周 玉 生 主 审 。本 书 为 土 木 工 程 专 业 预 应 力 混 凝 土 结 构 设 计 原 理 统 一 化 教 材 的 首 次 编 写 实 践 ,由 于 作 者水 平 有 限 ,加 之 编 写 时 间 紧 张

15、,故 不 可 避 免 地 存 在 一 些 缺 点 和 错 误 ,敬 请 使 用 者 给 予 批 评 、 指 正 。 有 关 意 见 可 径 寄 上 海 四 平 路 1239 号 同 济 大 学 桥 梁 工 程 系 (200092),以 便 再 版 时 修 正 。编 者2000 年 8 月2目 录第 一 章 绪 论 1第 一 节 预 应 力 混 凝 土 结 构 的 基 本 概 念 1第 二 节 预 应 力 混 凝 土 结 构 的 历 史 与 发 展 8第 三 节 本 课 程 的 任 务 与 学 习 要 求 11第 二 章 预 应 力 混 凝 土 材 料 和 预 应 力 工 艺 及 设 备 12第

16、 一 节 预 应 力 混 凝 土 材 料 12第 二 节 预 应 力 工 艺 及 设 备 23第 三 章 预 应 力 及 预 应 力 损 失 计 算 30第 一 节 预 应 力 筋 张 拉 控 制 应 力 30第 二 节 预 应 力 损 失 计 算 31第 三 节 有 效 预 应 力 计 算 40第 四 节 减 少 预 应 力 损 失 的 措 施 41第 四 章 预 应 力 混 凝 土 构 件 截 面 承 载 能 力 计 算 43第 一 节 预 应 力 混 凝 土 受 弯 构 件 正 截 面 承 载 能 力 计 算 43第 二 节 预 应 力 混 凝 土 受 弯 构 件 斜 截 面 承 载 能

17、 力 计 算 52第 三 节 预 应 力 混 凝 土 偏 心 受 压 构 件 截 面 承 载 能 力 计 算 57第 四 节 预 应 力 混 凝 土 偏 心 受 拉 构 件 截 面 承 载 能 力 计 算 65第 五 章 预 应 力 混 凝 土 构 件 截 面 应 力 及 变 形 计 算 68第 一 节 预 应 力 混 凝 土 构 件 截 面 正 应 力 计 算 68第 二 节 预 应 力 混 凝 土 构 件 截 面 剪 应 力 与 主 应 力 计 算 71第 三 节 预 应 力 混 凝 土 构 件 考 虑 截 面 开 裂 的 应 力 计 算 73第 四 节 预 应 力 混 凝 土 构 件 变

18、 形 计 算 77第 六 章 预 应 力 混 凝 土 构 件 的 裂 缝 、 疲 劳 及 锚 固 区 计 算 81第 一 节 预 应 力 混 凝 土 构 件 的 裂 缝 计 算 81第 二 节 预 应 力 混 凝 土 构 件 的 疲 劳 强 度 计 算 83第 三 节 预 应 力 筋 锚 固 区 计 算 85第 七 章 预 应 力 混 凝 土 构 件 设 计 92第 一 节 预 应 力 混 凝 土 构 件 设 计 的 基 本 思 路 92第 二 节 预 应 力 效 应 计 算 的 几 个 基 本 概 念 94第 三 节 预 应 力 混 凝 土 构 件 的 设 计 方 法 99第 八 章 无 粘

19、 结 预 应 力 混 凝 土 结 构 107第 一 节 概 述 107第 二 节 无 粘 结 预 应 力 混 凝 土 受 弯 构 件 的 受 力 性 能 1111第 三 节 无 粘 结 预 应 力 混 凝 土 受 弯 构 件 计 算 116第 四 节 无 粘 结 预 应 力 混 凝 土 受 弯 构 件 设 计 120第 九 章 体 外 预 应 力 混 凝 土 结 构 126第 一 节 引 言 126第 二 节 体 外 预 应 力 混 凝 土 结 构 的 组 成 128第 三 节 体 外 预 应 力 混 凝 土 结 构 的 力 学 性 能 132第 十 章 预 应 力 混 凝 土 结 构 的 抗

20、 震 性 能 138第 一 节 概 述 138第 二 节 预 应 力 混 凝 土 结 构 抗 震 性 能 研 究 139第 三 节 预 应 力 混 凝 土 结 构 抗 震 设 计 方 法 143第 四 节 预 应 力 混 凝 土 结 构 抗 震 构 造 措 施 147附 录 计 算 示 例 与 习 题 149第 一 节 计 算 示 例 149第 二 节 习 题 174主 要 参 考 文 献 1772第 一 章 绪 论第 一 节 预 应 力 混 凝 土 结 构 的 基 本 概 念现 代 混 凝 土 结 构 工 程 发 展 的 总 趋 势 ,是 通 过 不 断 改 进 设 计 、 施 工 方 法

21、和 采 用 高 强 、 高 性 能 的 轻 质 材 料 建 造 更 为 经 济 合 理 的 结 构 。 高 强 、 高 性 能 轻 质 材 料 的 发 展 ,对 加 筋 混 凝 土 结 构 来 说尤 为 重 要 。 然 而 ,混 凝 土 是 一 种 抗 压 强 度 高 、 抗 拉 强 度 低 的 结 构 材 料 ,它 的 抗 拉 强 度 不 仅 很 低 , 只 有 抗 压 强 度 的 1/ 10 1/ 15,而 且 还 很 不 可 靠 ;它 的 抗 拉 变 形 能 力 也 很 小 ,脆 性 破 坏 没 有 明 显 预 兆 。 钢 筋 混 凝 土 结 构 利 用 钢 筋 来 承 受 混 凝 土

22、的 拉 应 力 ,如 果 假 设 不 允 许 混 凝 土 开 裂 ,则 钢 筋 的 拉 应 力 只 能 达 到 20 30M P a 左 右 ;而 将 裂 缝 宽 度 限 制 在 容 许 的 0.2 0.25m m 范 围 ,钢 筋 的 拉 应 力 也 只 能 达 到 约 150 250M P a。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 不 能 解 决 的 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 材 料 不 能 充 分 利 用 、 结 构 刚 度

23、 下 降 和自 重 比 例 上 升 ,而 且 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 开 展 的 宽 度 ,这 就 使 高 强 度 钢 筋 无 法 在 钢 筋 混 凝 土 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 。 因 此 ,当 荷 载 或 跨 度 增 加 时 ,钢 筋 混 凝 土 结 构 只 有 靠 增 加 构 件 的 截 面 尺 寸 或 增 加 钢 筋 用 量 的 方 法 来 控 制 裂 缝 和 变 形 。 显 然 ,这

24、 种 做 法 既 不 经 济 又 必 然 增 加结 构 的 自 重 ,因 而 使 钢 筋 混 凝 土 结 构 的 使 用 范 围 受 到 很 大 限 制 。 为 了 使 钢 筋 混 凝 土 结 构 能 得 到 进 一 步 发 展 ,就 必 须 解 决 混 凝 土 抗 拉 性 能 弱 这 一 缺 陷 。 预 应 力 混 凝 土 结 构 就 是 为 克 服 钢 筋 混 凝土 结 构 的 缺 点 ,经 人 们 长 期 实 践 而 创 造 出 来 的 一 种 具 有 广 泛 发 展 潜 力 、 性 能 优 良 的 结 构 。一 、 预 应 力 的 概 念预 应 力 是 预 加 应 力 的 简 称 。

25、这 一 名 字 出 现 的 历 史 虽 不 很 长 ,但 预 应 力 的 思 想 是 古 老 的 ,其 基 本 原 理 在 几 世 纪 以 前 就 已 被 聪 明 的 祖 先 所 运 用 。木 桶 是 预 加 压 应 力 抵 抗 拉 应 力 的 一 个 典 型 的 例 子 。 采 用 藤 、 竹 或 铁 箍 的 木 桶 ,当 箍 套 紧 时 便 对 桶 壁 产 生 环 向 的 压 应 力 ,如 施 加 的 环 向 压 应 力 超 过 水 压 力 引 起 的 拉 应 力 ,木 桶 就 不 会 开 裂 和 漏 水 。 现 代 预 应 力 混 凝 土 圆 形 水 池 的 原 理 与 上 述 套 箍

26、木 桶 是 一 样 的 ,所 以 套 箍 木 桶 实 质 上 是一 种 预 应 力 木 结 构 。木 锯 是 利 用 预 拉 应 力 抵 抗 压 应 力 的 一 个 典 型 的 例 子 。 采 用 线 绳 绞 拧 而 拉 紧 的 木 锯 给 锯 条 施 加 了 一 个 拉 应 力 ,使 其 挺 直 而 能 承 受 锯 木 来 回 运 动 中 受 到 重 复 变 化 的 拉 、 压 力 ,避 免 抗 弯 能 力 很 低 的 锯 条 受 压 失 稳 、 弯 折 破 坏 。现 实 生 活 和 工 作 中 利 用 预 应 力 原 理 的 例 子 也 很 多 ,如 拧 紧 的 螺 丝 、 钢 丝 收 紧

27、 的 自 行 车 车 轮 的 钢 圈 ,以 及 为 稳 定 烟 囱 、 电 线 杆 、 桅 杆 的 拉 索 等 等 。上 述 例 子 和 许 多 实 践 都 表 明 ,既 可 以 用 预 压 应 力 来 抵 抗 结 构 承 受 的 拉 应 力 或 弯 矩 ,又 可 用 预 拉 应 力 来 抵 抗 结 构 承 受 的 压 应 力 。 因 此 ,只 要 善 于 运 用 预 应 力 原 理 和 技 术 ,就 可 能 获 得 改 善1c结 构 性 能 和 提 高 结 构 承 载 能 力 的 效 果 。 在 预 应 力 原 理 和 技 术 运 用 最 广 泛 的 预 应 力 混 凝 土 结 构 中 ,

28、通 常 是 以 预 拉 的 高 强 钢 筋 的 弹性 回 缩 力 对 混 凝 土 结 构 施 加 一 个 预 设 的 应 力 , 使 混 凝 土 在 荷 载 作 用 下 以 最 适 合 的 应 力 状 态 工 作 , 从 而 克 服 混 凝 土 性 能 的 弱 点 , 充 分 发 挥 材 料 强 度 , 达 到 结 构 轻 型 、 大 跨 、 高 强 、 耐 久 的 目 的 。 对 于 采 用 高 强 钢 材 作 配 筋 的 预 应 力 混 凝 土 ,可 以 用 三 种 不 同 的 概 念 或 三 种 不 同 的 角 度 来理 解 和 分 析 其 性 状 。 设 计 者 同 时 理 解 这 三

29、 种 概 念 及 其 相 应 的 计 算 方 法 是 十 分 重 要 的 ,只 有 这 样才 能 更 灵 活 有 效 地 去 选 择 和 设 计 预 应 力 混 凝 土 结 构 。(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 土 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

30、 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 。如 图 1-1 在 一 根 混 凝 土 梁 轴 线 以 下 偏 心 距 e 处 预 留 孔 道 ,穿 以 高 强 钢 筋 后 将 其 张 拉 并 锚 固 在 梁 端 ,给 梁 施 加 的 预 加 力 为 N p 。 在 预 加 力 N p 的

31、 作 用 下 ,混 凝 土 截 面 的 正 应 力 (应 力 以 压为 正 )为 : c = N p +AcN p ey I c(1-1)外 荷 载 弯 矩 M (包 括 梁 自 重 )产 生 的 混 凝 土 截 面 正 应 力 为 : = - MyI c(1-2)混 凝 土 截 面 的 最 终 正 应 力 为 : c = N p +AcN p ey -I cM y I c(1-3)式 中 : Ac、 I c 混 凝 土 截 面 面 积 和 抗 弯 惯 性 矩 ;y 应 力 计 算 点 至 截 面 形 心 轴 的 距 离 ,在 截 面 形 心 轴 以 下 取 正 。 (2)第 二 种 概 念

32、预 加 应 力 能 使 高 强 钢 材 和 混 凝 土 共 同 工 作 并 发 挥 两 者 的 潜 力图 1 -1 偏 心 预 加 力 和 外 荷 载 作 用 下 的 应 力 分 布3q = p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

33、作 用 下 混 凝 土 势 必 严 重 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

34、 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 应 力 实 现 荷 载 平 衡预 加 应 力 的 作 用 可 以 认 为 是 对 混 凝 土 构 件 预 先 施 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 。 以 采 用 抛 物 线 形 的 预 应 力 筋 (图 1-2)为 例 ,预 应

35、 力 筋 对 混 凝 土 梁 的 作 用 可 近 似 为 梁 端 的集 中 力 N p 和 方 向 向 上 、 集 度 为 q 的 均 布 荷 载 :8N l2 (1-4)图 1 -2 采 用 抛 物 线 形 配 筋 的 预 应 力 混 凝 土 梁如 果 在 梁 上 作 用 方 向 向 下 、 集 度 为 q 的 外 荷 载 ,那 么 ,两 种 荷 载 对 梁 产 生 的 弯 曲 效 应 相 互 抵 消 ,即 梁 不 发 生 挠 曲 也 不 产 生 反 拱 ,成 为 仅 受 轴 力 N p 的 状 态 。 如 果 外 荷 载 超 过 预 加 力 所 产 生 的 反 向 荷 载 效 应 ,则 可

36、 用 荷 载 差 值 来 计 算 梁 截 面 增 加 的 应 力 。 这 种 把 预 加 力 看 成 实 现 荷 载 平 衡的 概 念 是 由 林 同 炎 教 授 提 出 的 。预 应 力 混 凝 土 三 个 不 同 的 概 念 ,是 从 不 同 的 角 度 来 解 释 预 应 力 混 凝 土 的 原 理 。 第 一 种 概 念 是 预 应 力 混 凝 土 弹 性 分 析 的 依 据 ,指 出 了 预 应 力 混 凝 土 的 主 要 工 作 状 态 ;第 二 种 概 念 反 映 了 预 加 应 力 对 发 挥 高 强 钢 材 和 混 凝 土 潜 力 的 必 要 性 ,也 指 出 了 预 应 力

37、 混 凝 土 的 强 度 界 限 ;第 三 种 概 念 则 在 揭 示 预 加 力 和 外 荷 载 效 应 相 互 关 系 的 同 时 ,也 为 预 应 力 混 凝 土 结 构 设 计 与 分 析 提 供 了一 种 简 捷 的 方 法 。二 、 预 应 力 混 凝 土 的 等 级 与 分 类由 于 预 应 力 技 术 及 其 应 用 的 不 断 发 展 ,国 际 上 对 预 应 力 混 凝 土 迄 今 还 没 有 一 个 统 一 的 定义 。 一 个 概 括 性 较 强 、 由 美 国 混 凝 土 协 会 (A C I)作 出 的 广 义 的 定 义 是 “预 应 力 混 凝 土 是 根 据

38、需 要 人 为 地 引 入 某 一 分 布 与 数 值 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 ”。以 钢 材 为 配 筋 和 施 加 预 应 力 的 预 应 力 混 凝 土 ,实 际 上 与 普 通 钢 筋 混 凝 土 同 属 于 一 个 统 一的 加 筋 混 凝 土 系 列 。 国 际 上 对 整 个 加 筋 混 凝 土 系 列 按 照 其 受 力 性 能 及 变 形 情 况 分 为 若 干 个 等 级 。1.国 外 对 加 筋 混 凝 土 的 分 类1970 年 国 际 预 应 力 协 会 (F IP )、 欧 洲 混 凝

39、 土 委 员 会 (C E B )根 据 预 应 力 程 度 大 小 的 不 同 ,建4议 将 加 筋 混 凝 土 分 为 四 个 等 级 : (1)I 级 全 预 应 力在 全 部 荷 载 最 不 利 组 合 作 用 下 ,混 凝 土 不 出 现 拉 应 力 。 (2)II 级 有 限 预 应 力在 全 部 荷 载 最 不 利 组 合 作 用 下 ,混 凝 土 允 许 出 现 拉 应 力 ,但 不 超 过 其 强 度 容 许 值 ;在 长 期持 续 荷 载 作 用 下 ,混 凝 土 不 出 现 拉 应 力 。(3)III 级 部 分 预 应 力 在 全 部 荷 载 最 不 利 组 合 作 用

40、 下 ,混 凝 土 允 许 出 现 裂 缝 ,但 裂 缝 的 宽 度 不 超 过 规 定 值 。 (4)IV 级 普 通 钢 筋 混 凝 土 。以 上 分 类 是 以 全 预 应 力 混 凝 土 与 普 通 钢 筋 混 凝 土 为 两 个 边 界 ,设 计 者 可 以 根 据 对 结 构 功能 的 要 求 和 结 构 所 处 的 环 境 条 件 ,合 理 选 用 预 应 力 等 级 ,以 求 最 优 的 结 构 设 计 方 案 。2.中 国 对 加 筋 混 凝 土 的 分 类中国 土 木 工 程 学 会 部 分 预 应 力 混 凝 土 结 构 设 计 建 议 (1986 年 ,以 下 简 称

41、P P C 建 议 ), 根 据 预 应 力 程 度 的 不 同 ,把 加 筋 混 凝 土 分 为 全 预 应 力 、 部 分 预 应 力 和 钢 筋 混 凝 土 三 类 。 其 中 部分 预 应 力 包 括 国 际 分 类 法 中 II 级 的 有 限 预 应 力 和 III 级 的 部 分 预 应 力 。 对 于 部 分 预 应 力 混 凝 土 ,我 国 又 将 其 分 为 A 类 和 B 类 。 A 类 指 在 正 常 使 用 极 限 荷 载 状 态 下 ,构 件 预 压 区 混 凝 土 正 截 面 的 拉 应 力 不 超 过 规 定 的 容 许 值 ;B 类 则 指 在 正 常 使 用

42、 极 限 荷 载 状 态 下 ,构 件 预 压 区 混 凝 土 正 截 面 的 拉 应 力 允 许 超 过 规 定 的 限 值 ,但 当 裂 缝 出 现 时 ,其 宽 度 不 超 过 容 许 值 。3.预 应 力 度 的 定 义 及 表 达 方 式不 管 对 预 应 力 混 凝 土 如 何 进 行 分 类 ,它 都 与 预 应 力 混 凝 土 构 件 被 施 加 的 预 应 力 的 程 度 有关 。 因 此 ,近 年 来 国 际 上 逐 步 统 一 在 用 预 应 力 度 进 行 分 类 的 方 法 。(1)预 应 力 比 率 及 预 应 力 指 标在 极 限 状 态 下 ,由 预 应 力 筋

43、 所 提 供 的 抵 抗 弯 矩 与 由 预 应 力 和 非 预 应 力 筋 共 同 提 供 的 抵 抗弯 矩 的 比 值 ,称 为 预 应 力 比 率 P P R 。 这 是 美 国 的 内 曼 (A .E .N aam an)教 授 首 先 提 出 的 ,即 :P P R = (M u )p(M u )p + s(1-5)式 中 : (M u )p 由 预 应 力 筋 提 供 的 抵 抗 弯 矩 ;(Mu )p+ s 由 预 应 力 和 非 预 应 力 筋 共 同 提 供 的 抵 抗 弯 矩 。根 据 混 凝 土 构 件 抗 弯 强 度 设 计 理 论 ,当 材 料 充 分 发 挥 其 强

44、 度 时 ,式 (1-5)可 表 示 成 如 下 的形 式 :P P R =xAp f py hp - 2x x (1-6)Ap f py hp -2 + As f sy hs - 2式 中 : Ap 、 A s 预 应 力 和 非 预 应 力 筋 的 截 面 面 积 ;f p y 、 f sy 预 应 力 和 非 预 应 力 筋 的 抗 拉 强 度 设 计 值 ;hp 、 hs 预 应 力 和 非 预 应 力 筋 截 面 形 心 至 混 凝 土 受 压 区 最 外 边 缘 的 距 离 ; x 混 凝 土 受 压 区 高 度 。如 果 hp = hs,则 式 (1-6)简 化 为 :P P R

45、 = Ap f pyApf p y + Asf sy (1-7)5高 强 预 应 力 钢 材 没 有 显 著 的 流 限 平 台 , 瑞 士 的 瑟 尔 利 曼 (T hrlim an )建 议 采 用 预 应 力 指 标 为 :A pf 0 .2 ip = Ap f py + Asf sy(1-8)式 中 : f 0. 2 预 应 力 钢 筋 取 0.2% 残 余 应 变 时 的 屈 服 强 度 ;其 余 符 号 意 义 同 前 。 (2)预 应 力 度印 度 学 者 拉 曼 斯 瓦 迈 (G .S.R am asw am y)在 他 的 著 作 中 提 出 了 预 应 力 度 (D .P

46、.)的 新 概念 ,他 认 为 D .P .应 定 义 为 :D .P . =M oM (1-9)式 中 : M o 消 压 弯 矩 ,即 使 构 件 控 制 截 面 受 拉 边 缘 预 加 应 力 抵 消 至 零 时 的 弯 矩 ;M 使 用 荷 载 (不 包 括 预 加 力 )短 期 组 合 作 用 下 控 制 截 面 的 弯 矩 。式 (1-9)把 预 应 力 度 和 预 压 受 拉 区 是 否 出 现 拉 应 力 或 开 裂 联 系 了 起 来 ,当 M o / M 大 于 或 等 于 1 时 ,构 件 不 出 现 拉 应 力 ;当 M o / M 小 于 1 时 ,则 构 件 出 现

47、 拉 应 力 ,甚 至 可 能 开 裂 。我 国 的 P P C 建 议 将 式 (1-9)定 义 为 受 弯 构 件 的 预 应 力 度 ,用 表 示 ,并 将 轴 向 受 拉 构 件 的 预 应 力 度 定 义 为 : = N oN式 中 : N o 消 压 轴 向 力 ,即 把 构 件 控 制 截 面 预 应 力 抵 消 到 零 时 的 轴 向 拉 力 ;N 使 用 荷 载 (不 包 括 预 加 力 )短 期 组 合 作 用 下 控 制 截 面 的 轴 向 拉 力 。(1-10)预 应 力 度 的 范 围 可 以 从 全 预 应 力 混 凝 土 变 化 到 钢 筋 混 凝 土 。 P P

48、 C 建 议 认 为 :当 预 应 力 度 1.0 时 为 全 预 应 力 混 凝 土 ,当 预 应 力 度 = 0 时 为 普 通 钢 筋 混 凝 土 ,预 应 力 度 在 0 时 的 徐 变 应 变 ; s (t) 收 缩 应 变 ; T (t) 温 度 应 变 ; (t) 由 应 力 产 生 的 应 变 (t)= i( )+ c (t); n (t) 不 由 应 力 产 生 的 应 变 n (t)= s(t)+ T (t)。 在 不 包 括 温 度 应 变 时 ,混 凝 土 的 典 型 应 力 应 变 过 程 (见 图 2-1)可 进 一 步 分 解 为 : (t) = e + v +

49、a + f,g + f,tr + s (2-2) 式 中 : e 初 始 瞬 时 弹 性 应 变 ; v 滞 后 弹 性 应 变 ,属 可 恢 复 应 变 ; a 初 始 瞬 时 流 塑 应 变 ,主 要 不 可 恢 复 ; f,g 基 本 徐 变 应 变 ,不 可 恢 复 ; f, tr 干 燥 徐 变 应 变 ,部 分 可 能 恢 复 ; s 收 缩 应 变 。图 2-1 混 凝 土 的 典 型 应 力 应 变 过 程从 混 凝 土 的 典 型 应 力 应 变 过 程 图 2-1 可 见 :在 时 刻 承 受 单 轴 向 、 不 变 应 力 为 ( )时 ,混14s凝 土 产 生 初 始 瞬 时 弹 性 应 变 ;随 着 时 间 的 延 续 ,混 凝 土 将 产 生 与 应 力 无 关 的 收 缩 应 变 和 与 应 力 有 关