预应力

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,以改善结构使用的性能的结构型式称之为预应力结构。

如木桶,在还没装水之前采用铁箍或竹箍套紧桶壁,便对木桶壁产生一个环向的压应力,若施加的压应力超过水压力引起的拉应力,木桶就不会开裂漏水。在圆形水池上作用预应力就像木桶加箍一样。同样,在受弯构件的荷载加上去之前给构件施加预应力就会产生一个和与荷载作用产生的变形相反的变形,荷载要构件沿作用方向发生变形之前必须最先把这个与荷载相反的变形抵消,才能继续使构件沿荷载方向发生变形。这样,预应力就像给构件多施加了一道防护一样。

膜结构设计时,可采用下列方法合理施加预应力:在边缘直接张紧膜面(如图a);拉紧周围边索(如图b);拉紧稳定索(如图c);顶升中间支柱(如图d)。

力砼结构有很多优点,预应力筋套管布置简单,调整容易,简化了后张法的操作程序,大大缩短了施工时间;同时由于预应力筋布置于腹板外面,使得浇筑砼方便;由于预应力筋的位置,减少了施工过程中的摩擦损失且更换预应力筋方便易行。但目前国内对这一方面的研究很少,对于体外预应力筋的受力性能研究不多,因此为了使得体外预应力技术得到更大的使用,有必要对这一结构形式进行研究。

体外和体内预应力结构在结构构造上的根本区别就是预应力筋位于混凝土结构的外部,仅在锚固及转向块处可能与结构相连,因此,体外索的应力是由结构的整体变形所决定的;而在体内有粘结预应力结构中,力筋位于混凝土结构的内部,与结构完全粘结,在任意截面处都与结构变形协调,因此力筋的应力是与某个混凝土截面息息相关的。传统上来说,体内预应力筋是不被看作一个单独构件的。而体外筋在混凝土体外,自然成为一个相对于组成结构整体的单独构件,其较体内筋要重要许多。所以在承受动力荷载的体外预应力结构设计中,必须考虑到体外筋与结构是独立振动的,应防止二者共振,而且当体外预应力筋在动力荷载(如车辆等)作用下发生共振时,就易发生锚具的疲劳破坏和转向构件处的预应力筋的弯折疲劳破坏。在地震区时设计还必须考虑采取相应措施,提高体外预应力结构的抗震性能。如图为某桥体外预应力的布置形式。

计算特点

1、截面计算和预应力损失计算

体外预应力钢筋与混凝土截面变形不协调,在应力计算中不能将体外预应力钢束面积计入换算截面的特征。

由于管道在结构体外,直线段体外预应力钢束的摩阻损失小,几乎可以忽略不计,而曲线段体外预应力钢束的摩擦系数与采用的体外预应力钢束类型有关。

由于截面变形造成的预应力损失需根据体外预应力体系与结构的粘结关系来计算。这部分包括混凝土弹性压缩损失和混凝土徐变、收缩引起的预应力损失。若体外预应力钢束为无粘结形式,则这部分损失计算与锚固点间相对位移差有关。故其计算方法与体内预应力钢束不同。

2、体外预应力钢束在转向结构处的滑移

体外预应力钢束在转向结构处是否产生滑移以及由于滑移引起的应力重分布,需根据体外预应力体系与结构的粘结关系来判断。若钢束在转向点固定,则体外预应力钢束在转向结构处无滑移发生;若在转向处可以滑移,则需要根据转向结构两端的钢束拉力差和钢束在转向处的摩阻来判断是否发生滑移。

3、体外预应力钢束的二次效应

体外预应力钢束仅在锚固和转向位置处,才能与结构的竖向位移相协调,竖向约束点越少,结构变形时体外预应力钢束偏离原位置就越多,这就是体外预应力钢束的二次效应。二次效应是体外预应力结构在弹性阶段区别于体内预应力结构的特征之一。由于二次效应考虑的是体外预应力钢束与结构竖向变形的差异,故这种效应是非线性的,对二次效应的研究必须考虑结构的非线性影响。

体外预应力在有限元计算中的实现

目前体外预应力的有限元计算主要有两种方法:

1、以等效荷载的形式添加体外预应力;

2、单独建立体外束单元的方式实现。

方法1能近似的计算预应力损失,但无法考虑转向块的作用(粘结滑移),且由于方法1是以荷载形式表达的(没有实际的结构),所以难以考虑钢束的二次效应。

方法2用结构来模拟预应力,因此能较好的考虑钢束的二次效应,但预应力损失的计算与转向块的模拟存在一定的技术门槛,但是这并不是不能克服的,这一点在WISEPLUS中已经提供了相关技术的实现。

疲劳评价

体外预应力钢束体系疲劳评价是决定钢束在使用阶段应力限值的最主要因素。目前,世界各国对此应力限值的规定有较大的不同:如美国AASHTO规范规定对于后张的低松弛钢绞线,使用极限状态的体外预应力钢束应力不超过0.72fPU;日本规范的体外预应力钢束限定值为0.70fpu,德国规范原规定体外预应力钢束限定值为0.55fpu,后将该值修订成0.70fpu,为预应力钢束的极限抗拉强度;法国规定除合同指定外,体外预应力钢束限定值为0.60 GUTS(Guaranteed Ultimate Tensile Strength 保证极限抗拉强度)。我国《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)尚没有对体外预应力钢束的应力限值做规定,对于体内预应力钢束规定的预应力限值为0.65,为预应力钢筋抗拉强度标准值。由此可见,结合我国工程实际,确定合理的体外预应力钢束使用阶段应力限值是很有必要的。而体外预应力钢束使用阶段应力限值一旦确定,便也可以使体外预应力钢束张拉控制应力、体外预应力钢束有效应力及极限应力均有了取用基础。

体外预应力钢束疲劳性能的研究分为两个方面:一是通过对体外预应力钢束在活载作用下的应力变化幅度的分析,来研究体外预应力钢束组件(包括锚夹具、连接器)的整体疲劳性能;二是分析在转向处体外预应力钢束的局部应力变化,来研究体外预应力钢束本身的局部疲劳特性。另外,对于由单根无粘结钢束组成的体外预应力体系(如OVM-TJ.E),尚有另外一种特殊的局部问题,即钢束在转向处由于来回滑动,造成钢绞线会对外包PE在高压应力情况下不断摩擦,可能导致外包PE层磨损甚至损坏,从而失去对钢绞线的保护。这个现象虽然与真正的疲劳无关,但却与活载作用下体外预应力钢束在转向处的局部滑移密切相关,也属于使用性能范畴。

五十年代初,大量工业厂房和民用建筑需要兴建,而结构材料,特别是型钢和木材奇缺,由于难以解决厂房钢结构屋盖与钢吊车梁的型钢用料,迫切需要改用预应力混凝土来代替。按照预应力经典理论,生产预应力混凝土必须要用高强钢材(钢丝和钢筋)和高强混凝土,要用专门的张拉千斤顶、锚夹具及其配套的专用机械与零部件。要从国外进口,既缺外汇,又受技术封锁,没有国家愿意在人力物力上无偿对我援助。在这一艰难时刻,原建筑工程部建筑科学技术研究所(中国建筑科学研究院前身)接受了国家计委的任务,沿着自力更生、土法上马、走不同于国外的具有中国特色的低强钢材预应力的发展道路,开始了预应力混凝土的研究。

从五十年代初至七十年代末,我国房屋结构中开发研制了一整套预制预应力砼构件技术,如屋面梁、屋架、吊车梁、大型屋面板、空心楼板等,其中预应力空心板年产量达一千万立方米以上。这一时期的预应力技术特点是采用中、低强预应力钢材,采用中国特色的预应力砼张拉锚固工艺技术。

从八十年代初至九十年代末,房屋建筑中预应力砼技术得到巨大发展,其显著特点是采用高强预应力砼钢材及相应工艺技术,对整体结构施加预应力,技术水平接近发达国家先进水平。二十年间建设了一大批预应力砼工程,其中有代表性的工程有63层预应力砼楼面的广东国际大厦;241米高的青岛中银大厦;单体预应力砼面积最大的首都国际机场新航站楼等。

桥梁结构中的预应力砼发展历史

1955年,铁路部门研制成功我国第一片跨度12米的预应力混凝土铁路桥梁,1956年建成28孔24米跨的新沂河大桥,从而开始了预应力混凝土技术在我国铁路上应用的篇章。四十多年来,经过铁路系统工程技术人员的辛勤努力,预应力砼技术不断扩大,技术水平不断提高,制造架设跨度32米以下桥梁三万多孔,桥梁跨度不断突破,大跨径桥梁不断涌现,其中有代表性的工程有主跨为168米的攀枝花金沙江铁路连续钢构桥,顶推法施工的跨度80米连续箱梁桥杭州钱塘江二桥,此外在南昆铁路线上新建了一大批各种类型的铁路桥梁。

1957年,公路部门在北京周口店建造第一座预应力混凝土公路试验桥,为单跨20米简支T梁桥。1959年在兰州建成七里河黄河桥,为7孔主跨37.5米悬臂梁桥。后又建成新城黄河桥,桥型为5孔33米T型简支梁和孔66米系杆拱桥,奠定了我国建造预应力混凝土桥的基础。

随着我国交通运输的蓬勃发展,四十多年来,公路上建造了大量预应力混凝土桥,尤以大跨径桥梁居多数。如我国已建成主跨400以上斜拉桥七座,连续钢构桥继黄石大桥250米主跨后,虎门大桥达270米,主跨为世界之冠,这些桥型和其它桥型无论在跨度还是在施工方法上都已接近发达国家的先进水平。

城市立交桥中的预应力砼技术主要是七十年代开始起步的,目前仅北京修建的立交桥就已达200座,其中最早的立交桥是1974年建成的复兴门桥,采用先简支后连续方法施工;层次最多最高的是天宁寺立交桥;规模最大的是首都机场高速路上的四元桥。

特种工程中的预应力砼技术发展现状

预应力砼技术在我国各种工程结构领域中均得到广泛应用,其中主要有水利工程中的边坡加固,建筑物基坑开挖的支护等所采用的土层、岩层预应力锚杆技术,代表工程为云南漫湾水电站左岸岩质高边坡加固和北京京城大厦深基坑支护;有竖向超长预应力砼技术的应用,代表性工程有中央、天津、南京、上海等电视塔的预应力砼技术;有环形预应力砼技术的应用,代表性工程有阿尔及利亚球形水塔,秦山、大亚湾核电站安全壳,柴里煤矿煤仓,各种圆形及蛋形污水处理池,各种输、排水管道;有超重、超高物体提升预应力砼技术,代表性工程有北京西客站主站房大跨钢梁提升、上海歌剧院钢屋盖提升、虎门大桥钢箱梁节段提升等。

五十年代中期,我国研制成功有中国特色的冷拉钢筋预应力砼成套技术,主要有钢筋冷拉工艺、设备、锚固技术及冷拉钢筋物理力学性能的研究,冷拉钢筋制作预应力砼构件的生产工艺,冷拉钢筋预应力砼构件性能研究及设计方法。

冷拔钢丝

六十年代前后,我国研制成功冷拔低

碳钢丝预应力成套技术,生产预制预应力空心楼板,由于冷拔丝费用低廉、工艺简单,预应力空心楼板在全国得到广泛应用。

中强预应力筋

七十年代初期至八十年代中期,我国相继开发出热轧低合金预应力钢筋、热处理预应力钢筋和精轧螺纹预应力钢筋,进一步促进了我国预应力技术的发展。

其他

高强预应力钢丝、钢绞线技术

八十年代以后,我国相继从国外引进了十多条低松弛、高强度预应力钢丝、钢绞线生产线,生产能力目前己达到年产量三十万吨,这一技术的引进极大地促进了我国预应力工程技术的发展。