预应力钢筋混凝土结构计算理论研究

来源 :建筑与文化 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lishuangjie2009
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  【摘要】预应力混凝土的大量被应用是在世界大战之后,由西欧迅速发展起来的,当时的西欧要极力恢复战后的损失,因为钢筋的资源奇缺,所以用预应力混凝土来代替。预应力概念随着逐步的被完善,发展也是越来越快,突破了混凝土的一些物理性能,并且大大的扩大了它的应用范围。现在无论是在国内还是国外,预应力混凝土已经成为土建工程当中必不可少的一种结构材料,而预应力技术也开始扩展到其他材料的应用当中。我国预应力混凝土的起步比其他先进国家晚了十年左右,尽管其后在国内建筑工程当中也得到了大规模的使用,但是预应力的概念还是停留在60年代,所以新预应力钢筋混凝土的推广和普及还处于停滞不前的尴尬状态。
  【关键字】预应力钢筋混凝土;理论计算;问题和对策
  1 预应力钢筋混凝土的概述
  1.1 预应力钢筋混凝土的结构
  预应力混凝土结构是在混凝土没有受压之前,人为的先对他它增加压力的一种结构。预应力是利用高强度的钢筋或者钢丝的韧性,用张拉的方法产生的。张拉的方法可以分为先张法和后张法,这两种方法只不过是张拉的先后不同,最终达到的目的是一样的。其中前张法是先对钢筋张拉,再把混凝土浇灌其中,当它达到了所需的强度,就可以把张拉的钢筋放松了。另一种后张法是先浇灌混凝土,当它达到了所需的强度,再对混凝土里面事先预留孔道的钢筋进行张拉,使其在两端锚住固定。预应力不仅能使混凝土的可用时间相对的增加,还能增强其负荷的抗压能力,而且还可以节省材料。
  在长期的生产当中,钢筋混凝土结构总会过早的出现一些裂缝,影响其质量。预应力混凝土结构是在人们长期生产过程当中摸索出来的,可以增加混凝土的耐受性,在其受力之前就对它施压,因此产生的预应力状态可以很好的使混凝土荷载所引起的拉应力尽可能的减小甚至抵消,就是用混凝土外来所施加的压力与其张拉的力进行中和,到达强度的平衡状态,减小混凝土因受拉而产生的开裂。因为预应力混凝土这种结构,是用对钢筋的张拉来达到最终目的——预压应力,所以也被叫做预应力钢筋混凝土结构。
  1.2 预应力钢筋混凝土的基本原理
  虽然预应力混凝土的历史并不久远,仅几十年而已,但是预应力的原理在很久以前就已经被应用了。在我国古代,木桶就是运用预应力的原理制成的,工匠会在桶的外面紧紧的套一圈竹箍,这样木桶就产生了环向的预应压力,如果水对桶壁产生的环向拉应力小于竹箍对桶的环向预压应力,木板与木板之间的缝隙就变的小了,桶壁的木板之间就会因为受压而变得更加紧凑,这样木桶就更加的结实,不会开裂,木板之间的紧密程度也足以防止漏水的情况。而对于钢筋混凝土来说,预应压力的原理是通过在外固定的錨具所产生的力传递给构建混凝土。
  混凝土虽然有很高的抗压强度,但是它的抗拉强度却不高,对于预应力筋穿入套管的先后顺序并没有严格要求,所以无先后之分。通过对其即将受拉力的部位施加预期预应压力的这种方法,就能使混凝土的抗拉强度增高,很好的克服其所在的这个弱点,利用预应压力达到预期的比较看好的状态,使混凝土的结构变得紧密,不开裂。而预应力钢筋混凝土则在预应力钢筋混凝土的基础之上进行了改进,使之优点更优,又克服了一系列缺点,使之经济价值更高。
  1.3 预应力钢筋混凝土的发展史
  1886年,有一个叫杰克逊的美国人,提出了混凝土结构中运用预应力的概念。法国工程师弗雷西内在1928年提出了材料上的加强,他认为使用高强度的钢材和高强度的混凝土是必须的,因为这样才可以有效的减少因混凝土的形变所造成的预应力的损失,当混凝土构件的这种预应压力能一直持续保持,进而成为了它的特性,才可以投入市场进行实用。到了1983年,又有奥地利的恩佩格提出了新的概念,他建议在普通钢筋混凝土的基础上增加一点高强度钢丝,以此来增加它的韧性,进而改善容易裂缝和损伤的部位的预应力。之后一年,一个叫埃伯利斯的英国人又对预应力的概念进一步的完善,他建议预应力混凝土结构的预应力可以采用高强钢丝的,同时非预应力配筋也可以采取这样的方式。
  在二战结束,也就是1945年之后,西欧算是弹尽粮绝,损失惨重,所以之后一直为恢复经济实力而做准备工作。但是当时的钢材资源真是少之又少,为了战后的经济复苏,只能采用其他材料来替代,在一般情况下所有采用钢结构的工程,全部替换成预应力混凝土,这时候的预应力混凝土才被大批量的使用,并且逐步走入公路、桥梁还有工业厂房,从开始小的范围慢慢的走向大的领域,成为公共建筑的必要材料,而且也很好的在其他工程领域占据必不可少的位置。在经过了一段时间的大量生产和应用之后,在五十年代的中国和苏联对混凝土的生产和应用有了新的思想,并作出规定,对于生产的冷处理的钢筋预应力混凝土,降低了它生产质量的标准,容许钢筋混凝土有开裂。因为长期的使用发现,有些地方并不需要拉应力太高的钢筋混凝土,只要拉应力符合工程的需要,就可以选择适当标准的预应力混凝土。到了1970年,国家召开的第6届预应力混凝土会议,对这种新的概念给予了肯定,赞许了这种概念的合理性和它所带来的经济意义,并且欣喜的发现,钢筋混凝土和预应力混凝土有相似之处,并不是两种结构不同的材料,而是属于一个系列的,都是加筋混凝土。所以这两种材料可以融合在一起使用,在钢筋混凝土某些地方可以出现拉应力和开裂,但是这部分出现的拉应力和开裂是有限制的,这个限制在于全部为预应力混凝土和全部为钢筋混凝土之间容许出现的缺漏。所以设计人员可以因地制宜,对具体情况的需求以及当时的环境条件合理的去选择最符合的预应力混凝土,这样就可以极大限度的利用物美价廉的优势。这种思想,在预应力混凝土结构的设计上,走出了很重要的一步,它为预应力混凝土发展的走向铺就了一个坚固的基石。
  1.4 预应力钢筋混凝土的特点
  预应力钢筋混凝土对比钢筋混凝土,有优点也有缺点。相比之下,预应力混凝土的优点在于它采用的材料都是高强度的,所以预应力混凝土构件有以下几种特点:1)有很强的抗裂能力,不容易开裂。2)结构紧密,所以抗水性比较好3)有一定的拉应力,能承受一定的压力4)有很好的刚度,对于施加在材料上的压力,可以长期保持不变形5)有很强的抗剪能力,不容易被破坏6)耐用,持久,可以长期的保持它的这些特征。正因为它的这些特点,才带来了一些经济和生产的方便。可以很好的节约制作钢材的材料,而且结构截面的尺寸在相比之下也不用太大,使结构材料的重量更轻,对于开裂的状况也有很好的控制,同时减少钢材因为受压而产生的位移。预应力混凝土的缺点在于,其生产方式相对于钢筋混凝土的生产方式更为复杂,它需要很多的生产设备还有很多专业的技术人员,所以对于预应力混凝土的生产,开工费是一个不小的数目,如果所生产的构建越少,工程的成本就相对的更高,有可能会出现亏损的现象,而预应力钢筋混凝土则在这些方面抱有更明显的优势正因为如此,预应力钢筋混凝土的生产量越大才越有经济价值。   2 我国预应力混凝土结构当前面临的问题的对策
  2.1 弹性理论与设计计算的方法
  预加应力最终要达到提高使用荷载下构件性状的目的,对于现代的预应力混凝土构件的截面设计,在国际上一般都有一定的范围限制,它的标准是按使用荷载下混凝土和钢材的应力小于所能承受应力限值的。这些应力的限值取决于材料实际强度的某一个百分率。当被施加荷载的混凝土的应力和钢材的应力相对比较低的时候,就可以假定两者都有弹性性能,所以对于应力的计算,采用材料的力学弹性公式还是比较合适,符合逻辑的。尽管截面是容许应力为基础确定的,但是校核也是有它极限强度的,还有校核使用荷载下的构件挠度还有抗裂性。如果极限强度很低,就可以使用普通钢筋来弥补,增加普通的钢筋就可以。预应力筋的初始张拉力的计算可以按照使用荷载下要求的总预计加力,通过永存预应力的反算来确定,张拉应力的值可以适当的做些调整,来满足对摩擦造成的损失还有永存预应力的要求。50年代原苏联的规范与教材,对于推广普及破损阶段设计法非常的热衷,同时排斥、否定弹性理论的容许应力的设计法,所以这样预应力混凝土的设计计算理论就有一些矛盾,从而造成计算的极大困难,在理论上既要采用破损阶段设计法,在实际操作中又不得不采用弹性理论容许应力设计法的尴尬局面。既然这样,那为什么当时还要提出用δan这样的一个抽象概念呢?难道就不能直接用应力来划分界限,而是得按照书本上的规定来严格要求不出现裂缝和一般要求不出现裂缝来对预加应力的程度的进行划分?可是这样设计计算就非常麻烦,而真正的道理就是在这些麻烦里。我国对预应力构件截面的设计一般都是取决于其极限强度,然后呢,再进行核算在使用荷载下的抗裂性和挠度。而对于抗裂性的计算,把张拉控制应力作为基点,然后求出预应力值和抗裂性。这样,计算过程会更加严密,减少误差,相当于上了多层保险。这样反复多次的计算,才能获得比较精准的结果。
  2.2 计算的繁琐与简化
  首先要明确的是预应力钢筋混凝土结构也属于混凝土预应力结构,其计算的繁琐与简化与预应力钢筋混凝土结构基本一致只要是熟悉了预应力混凝土的原理,了解它的生产工艺和生产过程以及各个阶段预应力的损失,就可以用几个基本的公式来计算直到使用荷载各个阶段的应力与变形。参考国外教材对简支架预应力截面混凝土计算的示意图,相对中国的更为简单,它们的示意图只配了一个底面预应力筋,以此来说明一下计算公式的来源和应用,既简单又明了,让人一目了然。因为对于高强度的钢材来说,用的都是曲线筋或者是拆线筋,在须面完全可以不需要配预应力筋。如果这样做了,就使原本繁复的公式变的简单,而且对计算精度的影响是非常之小的。因为高强钢材的配筋率和非预应力普通钢筋配筋率都非常的小,所以可以忽略不计,而且也并不影响截面的特征值和所算混凝土的应力,即便忽略了,也同样有足够的精度。我国规范与教科书对简支梁截面应力计算的示意图,里面要考虑的可以忽略不计的力很多,而且要反复的对这些无關紧要、可以忽略不计的力作详细的计算,只单单拿出一个力计算,就非常麻烦,所有计算公式加起来,其长度之长,令人望而生畏。而这些所谓精确的数值与简化了的数值的计算差距,最大也不过是百分之十几而已,对于低强钢材的预应力筋的截面是百分之十几,而对于高强钢材一般的仅仅是百分之几。理论上对于裂缝宽度的计算,本身就有着很大的误差,不够精确,完全可以用拉应力来替代。不止这些,其他很多计算的公式都存在这样的问题,由此可见,我国设计计算方法的简化并不是很完善,仍有很大的简化空间。
  3 技术名词与本语
  我国的技术名词和术语有很多是陈旧的、概念模糊、含义不明确的,比如,用“预应力混凝土”代替“预应力钢筋混凝土”,而预应力混凝土当中不是所有都有钢筋的,所以在名字里需要强调一下,避免造成材料的使用不当。“混凝土预压前(后)损失”,这个需要用“瞬时损失”与“长期损失”来代替。对于严格要求不出现裂缝、一般要求不出现裂缝和容许出现裂缝是早期的构件分类法,应改为当前国际通用的“全”预应力混凝土“限值”预应力混凝土和“部分”预应力混凝土的分类等等。在这里只是列举其中几个明显的例子,这些概念不清的名词和术语在工程的施工当中会带来了一些不必要的麻烦,而且现在国际当中早已有一些用词准确的名词和术语,我们国家需要跟上国际的步调,也便于我们国家工程建筑与国际接轨,也有利于我国工程建筑的提高。
  以上的分析,已经足够说明在我国过去行之有效的材料、理论和技术对于现在已经不适用了,随着时代的变迁,国际的发展,旧的东西总该一代代的更新。同时对设计的规范进行修改,解决公式概念理论少,公式、符号、规定繁多以及计算繁琐、逻辑混乱的现象,解决难以认识和学习的现状,这样才能有利于后代人才的培养,为普及学科知识、培养大批预应力结构专业人才创造条件,同时也为预应力钢筋混凝土的普及打下一个坚实的基础。
  3.1 预应力技术要知识普及
  我国对预应力混凝土的推广已有些年头了,四十年之久,但是依然没有任何起色,对于熟悉预应力混凝土业务的专业人才是少之又少,即便是挂着一些甲级牌子的大设计院,到现在为止也只有少数的几个专业工程人员。造成这种状况的原因是什么呢?为什么普及那么困难?其中有很多的原因,最主要的原因还是预应力混凝土学科比较复杂,它涉及的领域非常广,而且这些多方面的领域的技术的分不开的,如果想把学科知识完全的掌握,这难度着实挺大。对于此种问题,国外是采用专业分工与合作的方式完成的,例如预制预应力混凝土房屋的设计应与预制工厂合作;现浇后张预应力混凝土房屋的设计应与后张技术专业公司合作进行设计。因此,国外的预应力混凝土的教材都非常简单,把一些基础知识作为重点,简化计算过程,所以更能使学习者获得一套比较完整的专业基本知识,并不过分的追求精确和等效荷载的平衡法,所以名义拉应力法才可以得以广泛的应用。为了我国预应力钢筋混凝土的普及以及推广,对于知识的更新换代是必须的。因为建筑师是设计房屋建筑的,所以对他们普及这些知识是很必要的,他们只需要有针对性的去了解一些东西就可以了,不要求知识的量多,但要求知识精。各个环节都有专业的人员来运作,对于结构的设计就有结构工程师来做,各有侧重点,各有各的分工,这样才能把专业的知识利用到最大限度。
  结语:预应力技术在古代就有木匠来使用它制作水桶。二战时期,由西欧大批量的生产带动了预应力钢筋混凝土的发展,中国较西欧晚了10年,当时由于中国大规模搞建设,所以采用大量的预应力钢筋混凝土,钢筋混凝土技术也得以逐步的发展和应用。但是到了现在这个年代预应力钢筋混凝土开始走向下坡路,落后国际水平很多,这就说明了一些问题。当时所运用的一些理论和技术已经不适用于现在的形式了。时代在发展,工程的理论更新也需要跟上节奏,需要有新的规定和技术,才能跟得上现在的形式。现在,我们一直沿袭着二战时期推动工程经济发展的预应力理论技术,只是那是在那个时代比较前卫的技术,到现在还在一直运用,未免有点不合时宜,可见预应力钢筋混凝土在这个年代已经落了很多年,极度的需要更新和改进,所以新的理论和技术推出是现在首要考虑和解决的问题,而且要在思想和理论上跟国际的步伐接轨,相信在不久的将来会有一套新的预应力钢筋混凝土的技术和理论来完善我国建筑工程中的问题,使我国建筑工程进一步的发展。
  参考文献
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