分析現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原理
摘要 預(yù)應(yīng)力在發(fā)展的初期，很多情況下都是應(yīng)用于粗略的靜定構(gòu)件。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在建筑工程實(shí)踐以及理論研究方面都有了很大的發(fā)展。目前，現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的性能在使用中更為優(yōu)越，經(jīng)濟(jì)方面也變的更為合理。本文主要結(jié)合現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力在建筑工程中的應(yīng)用情況分析預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的原理，并期望通過合理的探討，能為工程建設(shè)中預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的應(yīng)用有一定的指導(dǎo)作用。
關(guān)鍵詞 預(yù)應(yīng)力；混凝土；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；預(yù)應(yīng)力筋
中圖分類號(hào)TU378.04 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 文章編號(hào) 1674-6708（2013）85-0091-02
預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)混凝土結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，具有優(yōu)良的抗裂性能，承載力強(qiáng)，剛度大的特點(diǎn)，因而在建筑工程領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)帶動(dòng)了建筑工程施工技術(shù)的飛速發(fā)展，為建筑物帶來了既經(jīng)濟(jì)又美觀的結(jié)構(gòu)形式，帶動(dòng)了土木工程科學(xué)（領(lǐng)域）的飛速發(fā)展。在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的帶動(dòng)下，一座座跨江大橋建造起來，城市中高聳入云的摩天大樓平地而起，預(yù)應(yīng)力已經(jīng)應(yīng)用到了建筑工程的各行各業(yè)，為人們的生產(chǎn)生活做出了極大的貢獻(xiàn)。
1 預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的概述
預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)是建筑工程中利用配置受力的預(yù)應(yīng)力筋，通過張拉或其他方法建立預(yù)加應(yīng)力的混凝土結(jié)構(gòu)。通過張拉預(yù)應(yīng)力筋產(chǎn)生的應(yīng)力和使用過程中荷載產(chǎn)生的反方向的應(yīng)力，這時(shí)就會(huì)出現(xiàn)抵消局部或者全部荷載出現(xiàn)的應(yīng)力，用來提升結(jié)構(gòu)使用性能的一種結(jié)構(gòu)形式。
1.1 現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的特征
預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代的工程建設(shè)中，得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。使用它可以提升混凝土結(jié)構(gòu)的使用性能；可以使構(gòu)件的截面高度得到一定程度的減少，從而減輕了自身的重量；可以使高強(qiáng)度的鋼材等建筑材料得到充分的利用；當(dāng)出現(xiàn)裂縫或者變形的狀況時(shí)，預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)有著優(yōu)良的閉合功能，并可以使結(jié)構(gòu)的變形很好的恢復(fù)性能；在抗剪承載力以及抗疲勞度方面都將得到很大的提升；可以帶來很好的經(jīng)濟(jì)效益。不過預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)使用中具備許多的優(yōu)良特性，在工程施工中它所使用的材料價(jià)格也比較高，而且設(shè)計(jì)以及施工都比較復(fù)雜，需要很高的技術(shù)水平。
1.2 預(yù)應(yīng)力混凝土的分類
建筑工程中，預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的使用收到了優(yōu)良的效果，預(yù)應(yīng)力混凝土可以在剛度上使構(gòu)件得到明顯的提升，尤其是抗裂能力的提升，擴(kuò)大了構(gòu)件的使用范圍。根據(jù)設(shè)計(jì)過程以及施工工藝的不同，預(yù)應(yīng)力混凝土可以分為全預(yù)應(yīng)力、部分預(yù)應(yīng)力、有粘結(jié)和無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力、線和環(huán)預(yù)應(yīng)力、體內(nèi)和體外預(yù)應(yīng)力以及預(yù)制、現(xiàn)澆以及組合式結(jié)構(gòu)等。
2 現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原理
2.1 預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論
預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用可靠度理論和概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)的方法，利用這種理論可以有效的研究部分和無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，抗震效果以及結(jié)構(gòu)的耐久性也是預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要著重考慮的要點(diǎn)。
2.2 預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的材料性能
第一，預(yù)應(yīng)力筋。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，與預(yù)應(yīng)力技術(shù)相關(guān)的器械也得到了很大的改善，反過來又帶動(dòng)了預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的研究以及應(yīng)用。預(yù)應(yīng)力鋼筋需要有很高的強(qiáng)度，強(qiáng)度大小主要與它的張拉控制應(yīng)力有關(guān)。預(yù)應(yīng)力筋提高強(qiáng)度的方式有冷拔或冷拉，在材料的成分中加入碳、錳等合金元素，也可以通過調(diào)制熱處理等方式來提高強(qiáng)度。預(yù)應(yīng)力筋要有良好的塑性，粘結(jié)強(qiáng)度要好，在加工方面要有優(yōu)良的性能，便于加工。
預(yù)應(yīng)力筋主要包括以下幾種：高強(qiáng)鋼筋、高強(qiáng)度的鋼絲、鋼絞線以及非金屬預(yù)應(yīng)力筋。預(yù)應(yīng)力筋在力學(xué)方面有著高強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值、松弛度以及抗疲勞的特性。鋼絲標(biāo)矩一般為100mm，鋼絞線一般為600mm等等，在松弛度方面一般把1 000小時(shí)出現(xiàn)的松弛情況作為一個(gè)研究的依據(jù)，通常松弛度隨著初應(yīng)力的加大而提升，溫度也是一個(gè)產(chǎn)生影響的重要因素。預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)在不斷的荷載作用影響下，應(yīng)力會(huì)在一定的幅度內(nèi)波動(dòng)，也就是平常所說的抗疲勞能力，影響因素一般為所使用鋼材料的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)等。
第二，混凝土。預(yù)應(yīng)力混凝土在使用中要具備強(qiáng)度高以及變形小的特征。高強(qiáng)度的混凝土可以減少自身的重量，充分展現(xiàn)材料的強(qiáng)度，有利于使預(yù)應(yīng)力的損失降低�；炷磷冃问湛s主要與水泥用量、骨料、減水劑和養(yǎng)護(hù)條件等有關(guān)。工程中通過混凝土的快速變硬，可以提升工程的進(jìn)度以及相關(guān)設(shè)備的利用率，并可以早點(diǎn)施放出預(yù)應(yīng)力。
混凝土分為普通型、高強(qiáng)度型、高性能型以及輕骨料型四種類型�；炷岭S著自身強(qiáng)度的提高，脆性在破壞時(shí)的效果就越明顯，它的變形與受力和非受力應(yīng)變有關(guān)�；炷恋捏w積縮小與自身水分蒸發(fā)以及相關(guān)物理和化學(xué)變化有關(guān)。檢驗(yàn)混凝土在抗疲勞方面的效果，通常以重復(fù)荷載200萬次以上產(chǎn)生的情況來比較研究。
第三，灌漿材料。在設(shè)計(jì)現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中，要提前做好制孔工具，等到混凝土初步凝固后，從中抽出制孔工具，形成孔道。澆筑混凝土之前，根據(jù)后張法的使用方式，應(yīng)該提前設(shè)置好排水孔、灌漿孔等。
2.3 預(yù)應(yīng)力的施工工藝
預(yù)應(yīng)力技術(shù)的主要工具有：錨具、連接器、錨下支撐系統(tǒng)以及夾具等。使用先張法時(shí)，錨具可以在結(jié)構(gòu)做好之后取下來，而后張法不可以再取下。錨具分為錐形錨具、鐓頭錨具、軋絲錨具以及夾片錨具，工程施工時(shí)應(yīng)用比較普遍的是鐓頭以及夾片錨具。
配置受力的預(yù)應(yīng)力筋，通過張拉或其他方法建立預(yù)加應(yīng)力的混凝土構(gòu)件，這種施工方法就是預(yù)應(yīng)力的施工工藝。按照工程中施工的時(shí)間順序，可以把施工工藝分為先張法和后張法兩種形式，后張法又可以分為有、無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力和體外預(yù)應(yīng)力。
采用先張法施工工藝時(shí)，錨夾具可以再結(jié)構(gòu)做好后取下，并再次使用，有利地提高了施工的效率，而且操作比較簡(jiǎn)單。有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力脫離了專門的臺(tái)座，在大型構(gòu)件方面有著很好的使用價(jià)值，但是這種方式的工藝比較復(fù)雜，而其施工中會(huì)耗費(fèi)許多的錨具，提高了工程的成本。無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力操作過程比較簡(jiǎn)單易行，節(jié)省了預(yù)留孔道以及灌漿的環(huán)節(jié)，傳力時(shí)對(duì)錨具有很大的依賴性，而且要高精準(zhǔn)的錨具。在建筑工程施工時(shí)，澆筑構(gòu)件時(shí)要預(yù)先埋好鋼筋轉(zhuǎn)向塊，等到混凝土的強(qiáng)度達(dá)到一定程度后把預(yù)應(yīng)力筋穿入其中，然后在進(jìn)行位置的固定，張拉，最后再用錨具固定。工程施工時(shí)，要求施工人員靈活的布置預(yù)應(yīng)力筋，方便以后需要時(shí)的更換。在建筑工程施工時(shí)，預(yù)應(yīng)力筋本身的拉應(yīng)力在張拉方式、材料以及環(huán)境因素的影響下，會(huì)逐漸下降，這就造成了預(yù)應(yīng)力損失。 預(yù)應(yīng)力損失通常分為預(yù)應(yīng)力筋摩擦孔道帶來的損失，通過加熱養(yǎng)護(hù)混凝土?xí)r，由于鋼筋和臺(tái)座之間的溫度差帶來的損失，混凝土由于時(shí)間就發(fā)生收縮帶來的損失，以及預(yù)應(yīng)力筋由于長(zhǎng)久使用而松弛帶來的損失等。所以在預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要結(jié)合建筑工程的施工及將來的使用情況，減少預(yù)應(yīng)力相應(yīng)的損失。
3 現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的發(fā)展與應(yīng)用
19世紀(jì)60年代，美國(guó)的工程師杰克遜在混凝土結(jié)構(gòu)中第一次采用了預(yù)應(yīng)力技術(shù)，然而由于當(dāng)時(shí)技術(shù)的限制，收到的效果很不明顯。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)逐漸得到改善，二戰(zhàn)后開始大規(guī)模使用。新中國(guó)建立后，我國(guó)的預(yù)應(yīng)力技術(shù)也得到了快速的發(fā)展并應(yīng)用。
由于預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)有著許多優(yōu)良的性質(zhì)，所以它的應(yīng)用范圍也很廣泛。在房屋建筑方面，主要有預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的混凝土建構(gòu)的框架、平板結(jié)構(gòu)、門架結(jié)構(gòu)、空間結(jié)構(gòu)以及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)等等。在橋梁工程方面，主要有預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的橋梁、拱橋以及斜拉橋等。在特種結(jié)構(gòu)方面，主要有預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的混凝土簡(jiǎn)倉和儲(chǔ)液池、核安全殼以及看臺(tái)等。在進(jìn)行改造的加固結(jié)構(gòu)方面，有加層改造和托梁抽柱等。
目前，由于有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)已經(jīng)成熟，所以在工程的使用中已經(jīng)占了主導(dǎo)地位，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)等其他預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)也在快速發(fā)展。隨著技術(shù)的逐漸完善，預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)必將在工程領(lǐng)域得到更為廣泛的使用。在我國(guó)科研人員的努力研究與實(shí)踐下，我國(guó)的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)應(yīng)用終將進(jìn)入世界先進(jìn)國(guó)家的行列。
4 結(jié)論
現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)比較復(fù)雜的問題，在對(duì)它進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮眾多的因素，像施工技術(shù)、環(huán)境、材料以及預(yù)期使用時(shí)間等。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，預(yù)應(yīng)力技術(shù)也得到了很大的提高，在建筑工程中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，尤其是像跨度大的橋梁、高層建筑等，更是凸顯了預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的重要性。我們相信隨著社會(huì)的進(jìn)步，預(yù)應(yīng)力技術(shù)將得到長(zhǎng)足的發(fā)展，新的結(jié)構(gòu)會(huì)不斷的涌現(xiàn)，預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)也會(huì)越來越多的在工程中使用。
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