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在結(jié)構(gòu)承受外荷載之前,預(yù)先對其在外荷載作用下的受拉區(qū)施加壓應(yīng)力,以改善結(jié)構(gòu)使用的性能的結(jié)構(gòu)型式稱之為預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。

如木桶,在還沒裝水之前采用鐵箍或竹箍套緊桶壁,便對木桶壁產(chǎn)生一個環(huán)向的壓應(yīng)力,若施加的壓應(yīng)力超過水壓力引起的拉應(yīng)力,木桶就不會開裂漏水。在圓形水池上作用預(yù)應(yīng)力就像木桶加箍一樣。同樣,在受彎構(gòu)件的荷載加上去之前給構(gòu)件施加預(yù)應(yīng)力就會產(chǎn)生一個和與荷載作用產(chǎn)生的變形相反的變形,荷載要構(gòu)件沿作用方向發(fā)生變形之前必須最先把這個與荷載相反的變形抵消,才能繼續(xù)使構(gòu)件沿荷載方向發(fā)生變形。這樣,預(yù)應(yīng)力就像給構(gòu)件多施加了一道防護(hù)一樣。

膜結(jié)構(gòu)設(shè)計時,可采用下列方法合理施加預(yù)應(yīng)力:在邊緣直接張緊膜面(如圖a);拉緊周圍邊索(如圖b);拉緊穩(wěn)定索(如圖c);頂升中間支柱(如圖d)。

力砼結(jié)構(gòu)有很多優(yōu)點,預(yù)應(yīng)力筋套管布置簡單,調(diào)整容易,簡化了后張法的操作程序,大大縮短了施工時間;同時由于預(yù)應(yīng)力筋布置于腹板外面,使得澆筑砼方便;由于預(yù)應(yīng)力筋的位置,減少了施工過程中的摩擦損失且更換預(yù)應(yīng)力筋方便易行。但目前國內(nèi)對這一方面的研究很少,對于體外預(yù)應(yīng)力筋的受力性能研究不多,因此為了使得體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)得到更大的使用,有必要對這一結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行研究。

體外和體內(nèi)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)構(gòu)造上的根本區(qū)別就是預(yù)應(yīng)力筋位于混凝土結(jié)構(gòu)的外部,僅在錨固及轉(zhuǎn)向塊處可能與結(jié)構(gòu)相連,因此,體外索的應(yīng)力是由結(jié)構(gòu)的整體變形所決定的;而在體內(nèi)有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中,力筋位于混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部,與結(jié)構(gòu)完全粘結(jié),在任意截面處都與結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào),因此力筋的應(yīng)力是與某個混凝土截面息息相關(guān)的。傳統(tǒng)上來說,體內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋是不被看作一個單獨構(gòu)件的。而體外筋在混凝土體外,自然成為一個相對于組成結(jié)構(gòu)整體的單獨構(gòu)件,其較體內(nèi)筋要重要許多。所以在承受動力荷載的體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計中,必須考慮到體外筋與結(jié)構(gòu)是獨立振動的,應(yīng)防止二者共振,而且當(dāng)體外預(yù)應(yīng)力筋在動力荷載(如車輛等)作用下發(fā)生共振時,就易發(fā)生錨具的疲勞破壞和轉(zhuǎn)向構(gòu)件處的預(yù)應(yīng)力筋的彎折疲勞破壞。在地震區(qū)時設(shè)計還必須考慮采取相應(yīng)措施,提高體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的抗震性能。如圖為某橋體外預(yù)應(yīng)力的布置形式。

計算特點

1、截面計算和預(yù)應(yīng)力損失計算

體外預(yù)應(yīng)力鋼筋與混凝土截面變形不協(xié)調(diào),在應(yīng)力計算中不能將體外預(yù)應(yīng)力鋼束面積計入換算截面的特征。

由于管道在結(jié)構(gòu)體外,直線段體外預(yù)應(yīng)力鋼束的摩阻損失小,幾乎可以忽略不計,而曲線段體外預(yù)應(yīng)力鋼束的摩擦系數(shù)與采用的體外預(yù)應(yīng)力鋼束類型有關(guān)。

由于截面變形造成的預(yù)應(yīng)力損失需根據(jù)體外預(yù)應(yīng)力體系與結(jié)構(gòu)的粘結(jié)關(guān)系來計算。這部分包括混凝土彈性壓縮損失和混凝土徐變、收縮引起的預(yù)應(yīng)力損失。若體外預(yù)應(yīng)力鋼束為無粘結(jié)形式,則這部分損失計算與錨固點間相對位移差有關(guān)。故其計算方法與體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束不同。

2、體外預(yù)應(yīng)力鋼束在轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)處的滑移

體外預(yù)應(yīng)力鋼束在轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)處是否產(chǎn)生滑移以及由于滑移引起的應(yīng)力重分布,需根據(jù)體外預(yù)應(yīng)力體系與結(jié)構(gòu)的粘結(jié)關(guān)系來判斷。若鋼束在轉(zhuǎn)向點固定,則體外預(yù)應(yīng)力鋼束在轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)處無滑移發(fā)生;若在轉(zhuǎn)向處可以滑移,則需要根據(jù)轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)兩端的鋼束拉力差和鋼束在轉(zhuǎn)向處的摩阻來判斷是否發(fā)生滑移。

3、體外預(yù)應(yīng)力鋼束的二次效應(yīng)

體外預(yù)應(yīng)力鋼束僅在錨固和轉(zhuǎn)向位置處,才能與結(jié)構(gòu)的豎向位移相協(xié)調(diào),豎向約束點越少,結(jié)構(gòu)變形時體外預(yù)應(yīng)力鋼束偏離原位置就越多,這就是體外預(yù)應(yīng)力鋼束的二次效應(yīng)。二次效應(yīng)是體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在彈性階段區(qū)別于體內(nèi)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的特征之一。由于二次效應(yīng)考慮的是體外預(yù)應(yīng)力鋼束與結(jié)構(gòu)豎向變形的差異,故這種效應(yīng)是非線性的,對二次效應(yīng)的研究必須考慮結(jié)構(gòu)的非線性影響。

體外預(yù)應(yīng)力在有限元計算中的實現(xiàn)

目前體外預(yù)應(yīng)力的有限元計算主要有兩種方法:

1、以等效荷載的形式添加體外預(yù)應(yīng)力;

2、單獨建立體外束單元的方式實現(xiàn)。

方法1能近似的計算預(yù)應(yīng)力損失,但無法考慮轉(zhuǎn)向塊的作用(粘結(jié)滑移),且由于方法1是以荷載形式表達(dá)的(沒有實際的結(jié)構(gòu)),所以難以考慮鋼束的二次效應(yīng)。

方法2用結(jié)構(gòu)來模擬預(yù)應(yīng)力,因此能較好的考慮鋼束的二次效應(yīng),但預(yù)應(yīng)力損失的計算與轉(zhuǎn)向塊的模擬存在一定的技術(shù)門檻,但是這并不是不能克服的,這一點在WISEPLUS中已經(jīng)提供了相關(guān)技術(shù)的實現(xiàn)。

疲勞評價

體外預(yù)應(yīng)力鋼束體系疲勞評價是決定鋼束在使用階段應(yīng)力限值的最主要因素。目前,世界各國對此應(yīng)力限值的規(guī)定有較大的不同:如美國AASHTO規(guī)范規(guī)定對于后張的低松弛鋼絞線,使用極限狀態(tài)的體外預(yù)應(yīng)力鋼束應(yīng)力不超過0.72fPU;日本規(guī)范的體外預(yù)應(yīng)力鋼束限定值為0.70fpu,德國規(guī)范原規(guī)定體外預(yù)應(yīng)力鋼束限定值為0.55fpu,后將該值修訂成0.70fpu,為預(yù)應(yīng)力鋼束的極限抗拉強(qiáng)度;法國規(guī)定除合同指定外,體外預(yù)應(yīng)力鋼束限定值為0.60 GUTS(Guaranteed Ultimate Tensile Strength 保證極限抗拉強(qiáng)度)。我國《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG D62-2004)尚沒有對體外預(yù)應(yīng)力鋼束的應(yīng)力限值做規(guī)定,對于體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束規(guī)定的預(yù)應(yīng)力限值為0.65,為預(yù)應(yīng)力鋼筋抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。由此可見,結(jié)合我國工程實際,確定合理的體外預(yù)應(yīng)力鋼束使用階段應(yīng)力限值是很有必要的。而體外預(yù)應(yīng)力鋼束使用階段應(yīng)力限值一旦確定,便也可以使體外預(yù)應(yīng)力鋼束張拉控制應(yīng)力、體外預(yù)應(yīng)力鋼束有效應(yīng)力及極限應(yīng)力均有了取用基礎(chǔ)。

體外預(yù)應(yīng)力鋼束疲勞性能的研究分為兩個方面:一是通過對體外預(yù)應(yīng)力鋼束在活載作用下的應(yīng)力變化幅度的分析,來研究體外預(yù)應(yīng)力鋼束組件(包括錨夾具、連接器)的整體疲勞性能;二是分析在轉(zhuǎn)向處體外預(yù)應(yīng)力鋼束的局部應(yīng)力變化,來研究體外預(yù)應(yīng)力鋼束本身的局部疲勞特性。另外,對于由單根無粘結(jié)鋼束組成的體外預(yù)應(yīng)力體系(如OVM-TJ.E),尚有另外一種特殊的局部問題,即鋼束在轉(zhuǎn)向處由于來回滑動,造成鋼絞線會對外包PE在高壓應(yīng)力情況下不斷摩擦,可能導(dǎo)致外包PE層磨損甚至損壞,從而失去對鋼絞線的保護(hù)。這個現(xiàn)象雖然與真正的疲勞無關(guān),但卻與活載作用下體外預(yù)應(yīng)力鋼束在轉(zhuǎn)向處的局部滑移密切相關(guān),也屬于使用性能范疇。

五十年代初,大量工業(yè)廠房和民用建筑需要興建,而結(jié)構(gòu)材料,特別是型鋼和木材奇缺,由于難以解決廠房鋼結(jié)構(gòu)屋蓋與鋼吊車梁的型鋼用料,迫切需要改用預(yù)應(yīng)力混凝土來代替。按照預(yù)應(yīng)力經(jīng)典理論,生產(chǎn)預(yù)應(yīng)力混凝土必須要用高強(qiáng)鋼材(鋼絲和鋼筋)和高強(qiáng)混凝土,要用專門的張拉千斤頂、錨夾具及其配套的專用機(jī)械與零部件。要從國外進(jìn)口,既缺外匯,又受技術(shù)封鎖,沒有國家愿意在人力物力上無償對我援助。在這一艱難時刻,原建筑工程部建筑科學(xué)技術(shù)研究所(中國建筑科學(xué)研究院前身)接受了國家計委的任務(wù),沿著自力更生、土法上馬、走不同于國外的具有中國特色的低強(qiáng)鋼材預(yù)應(yīng)力的發(fā)展道路,開始了預(yù)應(yīng)力混凝土的研究。

從五十年代初至七十年代末,我國房屋結(jié)構(gòu)中開發(fā)研制了一整套預(yù)制預(yù)應(yīng)力砼構(gòu)件技術(shù),如屋面梁、屋架、吊車梁、大型屋面板、空心樓板等,其中預(yù)應(yīng)力空心板年產(chǎn)量達(dá)一千萬立方米以上。這一時期的預(yù)應(yīng)力技術(shù)特點是采用中、低強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼材,采用中國特色的預(yù)應(yīng)力砼張拉錨固工藝技術(shù)。

從八十年代初至九十年代末,房屋建筑中預(yù)應(yīng)力砼技術(shù)得到巨大發(fā)展,其顯著特點是采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力砼鋼材及相應(yīng)工藝技術(shù),對整體結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力,技術(shù)水平接近發(fā)達(dá)國家先進(jìn)水平。二十年間建設(shè)了一大批預(yù)應(yīng)力砼工程,其中有代表性的工程有63層預(yù)應(yīng)力砼樓面的廣東國際大廈;241米高的青島中銀大廈;單體預(yù)應(yīng)力砼面積最大的首都國際機(jī)場新航站樓等。

橋梁結(jié)構(gòu)中的預(yù)應(yīng)力砼發(fā)展歷史

1955年,鐵路部門研制成功我國第一片跨度12米的預(yù)應(yīng)力混凝土鐵路橋梁,1956年建成28孔24米跨的新沂河大橋,從而開始了預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)在我國鐵路上應(yīng)用的篇章。四十多年來,經(jīng)過鐵路系統(tǒng)工程技術(shù)人員的辛勤努力,預(yù)應(yīng)力砼技術(shù)不斷擴(kuò)大,技術(shù)水平不斷提高,制造架設(shè)跨度32米以下橋梁三萬多孔,橋梁跨度不斷突破,大跨徑橋梁不斷涌現(xiàn),其中有代表性的工程有主跨為168米的攀枝花金沙江鐵路連續(xù)鋼構(gòu)橋,頂推法施工的跨度80米連續(xù)箱梁橋杭州錢塘江二橋,此外在南昆鐵路線上新建了一大批各種類型的鐵路橋梁。

1957年,公路部門在北京周口店建造第一座預(yù)應(yīng)力混凝土公路試驗橋,為單跨20米簡支T梁橋。1959年在蘭州建成七里河黃河橋,為7孔主跨37.5米懸臂梁橋。后又建成新城黃河橋,橋型為5孔33米T型簡支梁和孔66米系桿拱橋,奠定了我國建造預(yù)應(yīng)力混凝土橋的基礎(chǔ)。

隨著我國交通運輸?shù)呐畈�發(fā)展,四十多年來,公路上建造了大量預(yù)應(yīng)力混凝土橋,尤以大跨徑橋梁居多數(shù)。如我國已建成主跨400以上斜拉橋七座,連續(xù)鋼構(gòu)橋繼黃石大橋250米主跨后,虎門大橋達(dá)270米,主跨為世界之冠,這些橋型和其它橋型無論在跨度還是在施工方法上都已接近發(fā)達(dá)國家的先進(jìn)水平。

城市立交橋中的預(yù)應(yīng)力砼技術(shù)主要是七十年代開始起步的,目前僅北京修建的立交橋就已達(dá)200座,其中最早的立交橋是1974年建成的復(fù)興門橋,采用先簡支后連續(xù)方法施工;層次最多最高的是天寧寺立交橋;規(guī)模最大的是首都機(jī)場高速路上的四元橋。

特種工程中的預(yù)應(yīng)力砼技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

預(yù)應(yīng)力砼技術(shù)在我國各種工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中均得到廣泛應(yīng)用,其中主要有水利工程中的邊坡加固,建筑物基坑開挖的支護(hù)等所采用的土層、巖層預(yù)應(yīng)力錨桿技術(shù),代表工程為云南漫灣水電站左岸巖質(zhì)高邊坡加固和北京京城大廈深基坑支護(hù);有豎向超長預(yù)應(yīng)力砼技術(shù)的應(yīng)用,代表性工程有中央、天津、南京、上海等電視塔的預(yù)應(yīng)力砼技術(shù);有環(huán)形預(yù)應(yīng)力砼技術(shù)的應(yīng)用,代表性工程有阿爾及利亞球形水塔,秦山、大亞灣核電站安全殼,柴里煤礦煤倉,各種圓形及蛋形污水處理池,各種輸、排水管道;有超重、超高物體提升預(yù)應(yīng)力砼技術(shù),代表性工程有北京西客站主站房大跨鋼梁提升、上海歌劇院鋼屋蓋提升、虎門大橋鋼箱梁節(jié)段提升等。

五十年代中期,我國研制成功有中國特色的冷拉鋼筋預(yù)應(yīng)力砼成套技術(shù),主要有鋼筋冷拉工藝、設(shè)備、錨固技術(shù)及冷拉鋼筋物理力學(xué)性能的研究,冷拉鋼筋制作預(yù)應(yīng)力砼構(gòu)件的生產(chǎn)工藝,冷拉鋼筋預(yù)應(yīng)力砼構(gòu)件性能研究及設(shè)計方法。

冷拔鋼絲

六十年代前后,我國研制成功冷拔低

碳鋼絲預(yù)應(yīng)力成套技術(shù),生產(chǎn)預(yù)制預(yù)應(yīng)力空心樓板,由于冷拔絲費用低廉、工藝簡單,預(yù)應(yīng)力空心樓板在全國得到廣泛應(yīng)用。

中強(qiáng)預(yù)應(yīng)力筋

七十年代初期至八十年代中期,我國相繼開發(fā)出熱軋低合金預(yù)應(yīng)力鋼筋、熱處理預(yù)應(yīng)力鋼筋和精軋螺紋預(yù)應(yīng)力鋼筋,進(jìn)一步促進(jìn)了我國預(yù)應(yīng)力技術(shù)的發(fā)展。

其他

高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絲、鋼絞線技術(shù)

八十年代以后,我國相繼從國外引進(jìn)了十多條低松弛、高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絲、鋼絞線生產(chǎn)線,生產(chǎn)能力目前己達(dá)到年產(chǎn)量三十萬噸,這一技術(shù)的引進(jìn)極大地促進(jìn)了我國預(yù)應(yīng)力工程技術(shù)的發(fā)展。