现代预应力结构设计的原理

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摘 要预应力在发展的初期,很多情况下都是应用于粗略的静定构件.随着现代科学技术的发展,预应力结构在建筑工程实践以及理论研究方面都有了很大的发展.目前,现代预应力结构的性能在使用中更为优越,经济方面也变的更为合理.本文主要结合现代预应力在建筑工程中的应用情况分析预应力结构的原理,并期望通过合理的探讨,能为工程建设中预应力结构的应用有一定的指导作用.

关 键 词预应力；混凝土；结构设计；预应力筋

中图分类号TU378.04文献标识码A文章编号1674-6708（2013）85-0091-02

预应力结构混凝土结构和钢筋混凝土结构相比,具有优良的抗裂性能,承载力强,刚度大的特点,因而在建筑工程领域获得了广泛的应用.预应力结构的出现带动了建筑工程施工技术的飞速发展,为建筑物带来了既经济又美观的结构形式,带动了土木工程科学（领域）的飞速发展.在预应力混凝土结构的带动下,一座座跨江大桥建造起来,城市中高耸入云的摩天大楼平地而起,预应力已经应用到了建筑工程的各行各业,为人们的生产生活做出了极大的贡献.

1预应力结构的概述

预应力结构是建筑工程中利用配置受力的预应力筋,通过张拉或其他方法建立预加应力的混凝土结构.通过张拉预应力筋产生的应力和使用过程中荷载产生的反方向的应力,这时就会出现抵消局部或者全部荷载出现的应力,用来提升结构使用性能的一种结构形式.

1.1现代预应力结构的特征

预应力结构在现代的工程建设中,得到了广泛的推广和应用.使用它可以提升混凝土结构的使用性能；可以使构件的截面高度得到一定程度的减少,从而减轻了自身的重量；可以使高强度的钢材等建筑材料得到充分的利用；当出现裂缝或者变形的状况时,预应力结构有着优良的闭合功能,并可以使结构的变形很好的恢复性能；在抗剪承载力以及抗疲劳度方面都将得到很大的提升；可以带来很好的经济效益.不过预应力结构使用中具备许多的优良特性,在工程施工中它所使用的材料价格也比较高,而且设计以及施工都比较复杂,需要很高的技术水平.

1.2预应力混凝土的分类

建筑工程中,预应力结构的使用收到了优良的效果,预应力混凝土可以在刚度上使构件得到明显的提升,尤其是抗裂能力的提升,扩大了构件的使用范围.根据设计过程以及施工工艺的不同,预应力混凝土可以分为全预应力、部分预应力、有粘结和无粘结预应力、线和环预应力、体内和体外预应力以及预制、现浇以及组合式结构等.

2现代预应力结构设计的原理

2.1预应力结构设计理论

预应力结构设计采用可靠度理论和概率极限状态设计的方法,利用这种理论可以有效的研究部分和无粘结预应力混凝土结构,抗震效果以及结构的耐久性也是预应力结构设计中需要着重考虑的要点.

2.2预应力结构的材料性能

第一,预应力筋.随着现代科学技术的发展,与预应力技术相关的器械也得到了很大的改善,反过来又带动了预应力结构的研究以及应用.预应力钢筋需要有很高的强度,强度大小主要与它的张拉控制应力有关.预应力筋提高强度的方式有冷拔或冷拉,在材料的成分中加入碳、锰等合金元素,也可以通过调制热处理等方式来提高强度.预应力筋要有良好的塑性,粘结强度要好,在加工方面要有优良的性能,便于加工.

预应力筋主要包括以下几种：高强钢筋、高强度的钢丝、钢绞线以及非金属预应力筋.预应力筋在力学方面有着高强度的标准值、松弛度以及抗疲劳的特性.钢丝标矩一般为100mm,钢绞线一般为600mm等等,在松弛度方面一般把1000小时出现的松弛情况作为一个研究的依据,通常松弛度随着初应力的加大而提升,温度也是一个产生影响的重要因素.预应力混凝土结构在不断的荷载作用影响下,应力会在一定的幅度内波动,也就是平常所说的抗疲劳能力,影响因素一般为所使用钢材料的物理性质和化学性质等.

第二,混凝土.预应力混凝土在使用中要具备强度高以及变形小的特征.高强度的混凝土可以减少自身的重量,充分展现材料的强度,有利于使预应力的损失降低.混凝土变形收缩主要与水泥用量、骨料、减水剂和养护条件等有关.工程中通过混凝土的快速变硬,可以提升工程的进度以及相关设备的利用率,并可以早点施放出预应力.

混凝土分为普通型、高强度型、高性能型以及轻骨料型四种类型.混凝土随着自身强度的提高,脆性在破坏时的效果就越明显,它的变形与受力和非受力应变有关.混凝土的体积缩小与自身水分蒸发以及相关物理和化学变化有关.检验混凝土在抗疲劳方面的效果,通常以重复荷载200万次以上产生的情况来比较研究.

第三,灌浆材料.在设计现代预应力结构中,要提前做好制孔工具,等到混凝土初步凝固后,从中抽出制孔工具,形成孔道.浇筑混凝土之前,根据后张法的使用方式,应该提前设置好排水孔、灌浆孔等.

2.3预应力的施工工艺

预应力技术的主要工具有：锚具、连接器、锚下支撑系统以及夹具等.使用先张法时,锚具可以在结构做好之后取下来,而后张法不可以再取下.锚具分为锥形锚具、镦头锚具、轧丝锚具以及夹片锚具,工程施工时应用比较普遍的是镦头以及夹片锚具.

配置受力的预应力筋,通过张拉或其他方法建立预加应力的混凝土构件,这种施工方法就是预应力的施工工艺.按照工程中施工的时间顺序,可以把施工工艺分为先张法和后张法两种形式,后张法又可以分为有、无粘结预应力和体外预应力.

采用先张法施工工艺时,锚夹具可以再结构做好后取下,并再次使用,有利地提高了施工的效率,而且操作比较简单.有粘结预应力脱离了专门的台座,在大型构件方面有着很好的使用价值,但是这种方式的工艺比较复杂,而其施工中会耗费许多的锚具,提高了工程的成本.无粘结预应力操作过程比较简单易行,节省了预留孔道以及灌浆的环节,传力时对锚具有很大的依赖性,而且要高精准的锚具.在建筑工程施工时,浇筑构件时要预先埋好钢筋转向块,等到混凝土的强度达到一定程度后把预应力筋穿入其中,然后在进行位置的固定,张拉,最后再用锚具固定.工程施工时,要求施工人员灵活的布置预应力筋,方便以后需要时的更换.在建筑工程施工时,预应力筋本身的拉应力在张拉方式、材料以及环境因素的影响下,会逐渐下降,这就造成了预应力损失.预应力损失通常分为预应力筋摩擦孔道带来的损失,通过加热养护混凝土时,由于钢筋和台座之间的温度差带来的损失,混凝土由于时间就发生收缩带来的损失,以及预应力筋由于长久使用而松弛带来的损失等.所以在预应力结构设计中,要结合建筑工程的施工及将来的使用情况,减少预应力相应的损失.

3现代预应力结构的发展与应用

19世纪60年代,美国的工程师杰克逊在混凝土结构中第一次采用了预应力技术,然而由于当时技术的限制,收到的效果很不明显.随着科学技术的发展,预应力结构逐渐得到改善,二战后开始大规模使用.新中国建立后,我国的预应力技术也得到了快速的发展并应用.

由于预应力结构有着许多优良的性质,所以它的应用范围也很广泛.在房屋建筑方面,主要有预应力结构的混凝土建构的框架、平板结构、门架结构、空间结构以及钢筋混凝土结构等等.在桥梁工程方面,主要有预应力结构的桥梁、拱桥以及斜拉桥等.在特种结构方面,主要有预应力结构的混凝土简仓和储液池、核安全壳以及看台等.在进行改造的加固结构方面,有加层改造和托梁抽柱等.

目前,由于有粘结预应力技术已经成熟,所以在工程的使用中已经占了主导地位,无粘结预应力结构等其他预应力结构也在快速发展.随着技术的逐渐完善,预应力结构必将在工程领域得到更为广泛的使用.在我国科研人员的努力研究与实践下,我国的预应力结构应用终将进入世界先进国家的行列.

4结论

现代预应力结构设计是一个比较复杂的问题,在对它进行设计时要综合考虑众多的因素,像施工技术、环境、材料以及预期使用时间等.随着科学技术的发展,预应力技术也得到了很大的提高,在建筑工程中已经得到广泛的应用,尤其是像跨度大的桥梁、高层建筑等,更是凸显了预应力结构的重要性.我们相信随着社会的进步,预应力技术将得到长足的发展,新的结构会不断的涌现,预应力结构也会越来越多的在工程中使用.