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1、现代预应力设计现代预应力设计 参考书：1.现代预应力混凝土结构，中国建筑出版社，杜拱辰著 1988.92.现代预应力设计， 中国建筑工业出版社， 吕志涛等编著1998年 12 月3. 预应力混凝土结构设计，中国铁道出版社，林同炎著 1983.3 译本第第一一章章 预应力总论预应力总论 1.1 1.1 预应力结构的定义预应力结构的定义 普通混凝土存在的问题 1. 混凝土抗拉强度低，带裂缝工作。2. 在防渗、抗腐蚀时易出现问题。3. 为满足变形和裂缝要求，截面尺寸，自重过大。4. 不能充分利用高强度钢筋 国外最常用的定义定义为： 在结构承受外荷载之前，预先对其在外荷载作用下的受拉区施加压应力，以改
2、善结构使用性能的这种结构形式为预应力结构 。预应力的例子 1.21.2预应力结构的发展简史预应力结构的发展简史 1.2.1国外预应力结构的发展初期阶段1886年前后，加利福尼亚旧金山工程师杰克森申请了在混凝土拱内进行钢筋张拉作楼板的专利1888年，德国的陶林取得了加有预应力的钢丝浇入混凝土中以制作板和梁的专利，这也是采用预应力筋制作混凝土预制构件的首次创意1908年，美国的斯坦纳提出了二次张拉的建议1925年 ，美国的迪尔试用无粘结的做法工程实用阶段工程实用阶段 1928年法国工程师弗莱西奈指出了预应力混凝土必须采用高强钢材和高强混凝土，这一点对预应力混凝土的发展在理论上起到了关键性的作用。1
3、939 年，弗莱西奈发明了短部锚固用的锥形契等，在工艺上提供了切实可行的方法， 使预应力结构得到工程应用的真正推广。40 年代，弗莱西奈 设计跨越法国马恩河 ，孔径为55 m 的 预应力桥，人们才接受预应力损失可以控制和计算的见解。 迅速发展阶段 40年代：大规模的预应力混凝土的推广，是第二次世界大战结束后，由于西欧对工业 、交通 、城市建设急待恢复和重建 ，钢材供应十分紧张的情况下 ，原先钢结构的工程纷纷改为预应力混凝土结构 ，应用范围 ，也从桥梁 、工厂扩大到土木 、建筑工程的各个领域。1.2.2 我国预应力的发展我国预应力的发展 我国预应力混凝土是在五十年代中期开始发展的，预应力技术在我
4、国桥梁建设中发展较快。应为当时的公路和铁路桥梁大量采用标准化的后张预应力梁。近二三十年来，预应力混凝土的应用逐步扩大到居住建筑、大跨和大空间公共建筑、高层建筑、高耸建筑和地下结构等各个领域。1.31.3现代预应力结构体系现代预应力结构体系 1.3.1房屋建筑结构预应力混凝土框架结构：预应力混凝土框架结构是预应力结构中运用最广泛的结构形式。上海色织四厂六层双跨框架结构我国最早的预应力混凝土框架结构 深圳车港1#楼结构为大跨度的预应力梁板结构，是我国柱网尺寸最大的预应力工程预应力混凝土平板结构：一般这种结构预应力筋为无粘结形式，因此又常称为无粘结预应力平板结构。广州国际大厦筒中筒结构从第7层到63
5、层均为无粘结预应力混凝土平板结构 同济大学设计的上海福源商厦，所有楼板均为无粘结预应力混凝土平板结构 预应力门架结构预应力门架结构： 预应力门架结构的特点是，梁柱合一，结构简单，施工方便。适用于大跨度、大柱网的工业厂房。 预应力混凝土转换层结构，预应力混凝土转换层结构，预应力钢结构体系，桁架结构、空间钢结构：预应力钢结构体系，桁架结构、空间钢结构： 可以改善结构的内力分布，减小变形。预应力钢混凝土组合结构，预应力钢混凝土组合结构，预应力砌体结构。预应力砌体结构。 预应力可以增加砌体结构的抗弯和抗剪承载力，提高砌体结构的变形能力与延性从而改善砌体结构的抗震性能。北京西客站主站房为钢行架结构1.3
6、.21.3.2桥梁工程桥梁工程 与建筑结构相比大多数的桥梁结构均采用的是预应力结构，有预应力刚构桥、预应力简支和连续梁桥、预应力拱桥、预应力斜拉和悬索桥。 润杨大桥主跨部分为预应力悬索桥，副跨为预应力斜拉桥 南京长江二桥预应力索塔试验南京长江二桥预应力索塔试验1.3.31.3.3预应力特种结构预应力特种结构 储液池、仓筒、安全壳、看台建筑和高耸建筑1.3.41.3.4路面结构路面结构1.3.51.3.5加固改造结构加固改造结构优点：加固改造后与原结构的整体工作性比较好，同时施工也较方便用的最多的是体外预应力来加固。预应力加固改造的主要目的有以下几个方面：1.恢复和提高结构的承载力和刚度2.托梁
7、抽柱3.加层改造1.41.4预应力混凝土原理预应力混凝土原理美国混凝土协会（ACI）的定义为： 预应力混凝土是根据需要人为的引入某一数值与分布的内应力，用以部分和全部抵消外荷载应力的一种加筋混凝土。杜拱辰书上重新定义为： 预应力混凝土是按照需要预先引入某种量值与分布的内应力，以局部或全部抵消使用荷载应力的一种混凝土 。 预应力混凝土特点简单的可以概括为两句话：1.在结构物内产生希望得到的应变和应力。2.抵消不希望出现得应力和应变。 在预应力混凝土中，钢筋是预先拉长以防止在使用荷载下过分伸长，而混凝土是受压防止在拉应力下开裂，可以说预应力混凝土结构实现了钢筋和混凝土两种材料得理想结合。林同炎老先
8、生的预应力混凝土结构设计书中，用三种不同的概念分析了预应力混凝土的性能。 (19122003) 1912年生于中国福建省福州市。1931年毕业于交通大学唐山学院，1933年获美国加州柏克利大学硕士学位，并获国内外四所大学名誉博士学位。19461976他任美国加州柏克利大学教授，结构工程系主任，1967年当选为美国工程研究院院士。1996年，当选为中国科学院的外籍院士。 1954年在美国创办“林同炎工程事务所”，并在南北美及亚洲各国设立分公司，在我国比如上海、北京就有其创办的“林同炎国际咨询公司”，为我国许多城市建设了不少出色的建筑。 提出的三个概念。第一种概念：预应力将混凝土材料变为弹性材料
9、预加应力的目的是为了改变混凝土的性能，变脆性材料为弹性材料，预应力筋的作用不是配筋，而是施加预压应力以改变混凝土性能的一种手段，即把抗压强度高抗拉强度低的脆性材料转变为弹性材料。如果预压应力超过荷载产生的拉应力，则混凝土就不承受拉应力，当然也不会开裂。这就是采用“无拉应力”和“零应力”作为预应力混凝土设计原则的原因。 作为均质的弹性材料，就可以运用材料力学的理论公式来计算混凝土的应力。在预应力混凝土梁中，截面受有两组力的作用，一组为预加力，另一组为荷载（包括自重）。由这两种力引起的应力、应变和挠度都可以分开考虑，也可以根据需要叠加。1.轴心压应力预加力及外荷载下的简支梁由轴心预加力P和外力矩M
10、引起的应力分布预应力筋设置于截面的中心，如不考虑梁的自重和外荷载作用，则在预加力P的单独作用下对混凝土截面引起的压力作用于截面的中心，轴心压力对截面混凝土造成的均匀压力为 Ap11如外荷载（包括梁自重）对梁截面产生的力矩为M，则该截面中任意一点处由M引起的应力为IMy12当y位于中性轴以上时为压应力，当y位于中性轴以下时为拉应力。这样，在预加力和外荷载共同作用下的应力可以由公式11，12叠加IMyAp132 偏心预压力加有偏心预加力和外力矩的简支梁由偏心预加力和外力矩引起的截面应力分布如预应力筋对截面重心有一偏心距e,偏心预加力对截面混凝土产生的压应力的合力也作用于预应力筋重心的位置上，这一偏
11、心压力的大小于预加力相等，但方向相反，它的作用可以分解为一个轴心力P和一个力矩Pe两部分。由轴心预加力对截面引起的均匀压应力Ap14由力矩Pe对截面中任意一点引起的纤维弯曲应力为15这样偏心预加力对截面引起的应力分布为16IPeyIPeyAp如外荷载（包括梁自重）对梁某一截面引起的力矩为M，则在外力矩M和偏心预加力共同作用下，该截面的任意一点处应力将为IMyIPeyAp17第二种概念预加应力充分发挥了高强钢筋的作用，使其与混凝第二种概念预加应力充分发挥了高强钢筋的作用，使其与混凝 土能共同工作土能共同工作 第三种概念预加应力为了实现荷载平衡第三种概念预加应力为了实现荷载平衡荷载平衡法的概念是林
12、同炎老先生首先提出的，这种方法大大简化了复杂预应力混凝土结构的设计与分析，尤其适用与超静定预应力混凝土梁。 1.5 1.5 预应力混凝土的等级及分类预应力混凝土的等级及分类1.5.1按施工工艺分类先张法 ：先张拉预应力筋后浇筑混凝土的一种方法后张法：先浇筑混凝土，等构件达到强度后再张拉钢筋的施工方法1.5.2按预应力度分类国际上对整个加筋混凝土按照受力性能以及变形情况分为若干等级：全预应力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有限预应力有限预应力（限值预应力）在全部荷载最不利组合作用下，混凝土允许出现拉应力，但不超过其弯拉强度，在长期持续荷载作用下，混凝土不出现拉应力部分预应力
13、部分预应力在全部荷载最不利组合作用下，混凝土允许出现裂缝，但裂缝宽度不得超过其规定值普通钢筋混凝土普通钢筋混凝土 我国对加筋混凝土的分类基本和国外相同，分为三类：我国对加筋混凝土的分类基本和国外相同，分为三类：全预应力全预应力部分预应力部分预应力A类构件是指在正常使用极限状态下，构件的预压受拉区混凝土的正截面拉应力不超过规定的限值。B类构件则是混凝土正截面拉应力允许超过规定限值，但当出现裂缝其宽度不超过允许限值。普通钢筋混凝土普通钢筋混凝土预应力度的概念及其表达式1.基于抗弯承载力的预应力度含义在极限状态下，由预应力筋提供的抵抗弯矩与由预应力筋和非预应力筋共同提供的抵抗弯矩的比值称为PPR（P
14、artial Prestressing Ratio）预应力比率）（）（MuMusppPPR 如果用材料强度与截面特性来表示，公式可改为）（）（）（222xhfAxhfAxhfAsysppypppypPPR18192.基于钢筋拉力的预应力度定义fAfAfAyspyppypPPR由于高强预应力钢材没有明显的屈服台阶，瑞士的瑟尔利曼建议预应力度为 fAfAfAysppPPR2 . 02 . 0f2 . 0预应力筋的名义屈服强度，取预应力筋的残余应变为0.2 时对应的应力值1101113.基于消压弯矩和消压轴力的预应力度定义印度学者拉曼斯瓦迈提出预应力度PPR的新概念为MMPPR0NN0或10MM10
15、0MM00MM截面不出现拉应力为全预应力混凝土截面出现拉应力，甚至可能开裂，属于部分预应力混凝土普通混凝土1121.5.31.5.3按预应力筋的位置分类按预应力筋的位置分类1.体内预应力混凝土 无粘结 有粘结2.体外预应力混凝土： 体外预应力混凝土结构是后张法无粘结预应力混凝土结构的分支,是一种.用完全位于混凝土截面以外的预应力束来对混凝土纵向施加预应力的结构体系，体外预应力应用最成熟最广泛的领域是桥梁结构，在房屋建筑方面用来加固的也很多。 体外预应力技术主要有以下优越性，预应力筋设在结构外部,减小了截面.尺寸,尤其是腹板的尺寸,从而减轻了结构自重;可更换预应力筋,便于在使用期内检测和维护;体外筋仅在锚固区和转向块处与结构相连,摩阻损失明显减少。1.6 1.6 预应力混凝土与普通钢筋混凝土相比较的优越预应力混凝土与普通钢筋混凝土相比较的优越 性及发展趋势性及发展趋势 1.改善结构使用性能2.减小构件截面高度，减轻自重 3.充分利用高强钢材4.具有良好的裂缝闭合性能与变形恢复性能 5.提高抗剪承载力 6.提高抗疲劳强度 7.具有良好的经济件 不利因素1.工艺比较复杂，质量要求高，因而对施工人员的技术要求很高2.需要专业的设备如千斤顶、张拉设备以及灌浆设备3.预应力反拱不易控制 它将随混凝土徐变的增加而增加，可能影响结构的使用效果
