06荷載與結構設計方法

1、第6章 其他荷載與作用,返回總目錄,溫度作用 變形作用 爆炸作用 浮力作用 制動力,本章內容,離心力 預應力 思考題 習題,溫度作用,一、溫度作用的概念 當結構物所處環(huán)境的溫度發(fā)生變化，且結構或構件的熱變形受到邊界條件約束或相鄰部分的制約，不能自由脹縮時，就會在結構或構件內形成一定的應力，這個應力被稱為溫度應力，即溫度作用，指因溫度變化引起的結構變形和附加力。溫度作用不僅取決于結構物環(huán)境的溫度變化，它還與結構或構件受到的約束條件有關。 在土木工程中所遇到的許多因溫度作用而引發(fā)的問題，從約束條件看大致可分為兩類。 第一類，結構物的變形受到其他物體的阻礙或支承條件的制約，不能自由變形?，F(xiàn)澆鋼筋混凝

2、土框架結構的基礎梁嵌固在兩柱基之間，基礎梁的伸縮變形受到柱基約束，沒有任何變形余地(圖6.1)。排架結構支承于地基，當上部橫梁因溫度變化伸長時，橫梁的變形使柱產生側移，在柱中引起內力；柱子對橫梁施加約束，在橫梁中產生壓力(圖6.2)。,圖6.1 基礎梁嵌固于柱基之間,圖6.2 排架結構受到支承條件的約束,第二類，構件內部各單元體之間相互制約，不能自由變形。簡支屋面梁在日照作用下屋面溫度升高，而室內溫度相對較低，簡支梁沿梁高受到不均勻溫差作用，產生翹曲變形，在梁中引起應力。大體積混凝土梁結硬時，水化熱使得中心溫度較高，兩側溫度偏低，內外溫差不均衡在截面引起應力，產生裂縫。 二、溫度應力的計算 結

3、構物受溫度變化的影響應根據不同結構類型和約束條件進行分類而分別計算。一類是靜定結構在溫度變化時能夠自由變形，結構物無約束應力產生，故無內力。但由于任何材料都具有熱脹冷縮的性質，因此靜定結構在滿足其約束的條件下可自由地產生變形，這時應考慮結構的這種變形是否超過允許范圍。此變形可由變形體系的虛功原理并按下式計算： (6-1) 式中，pt結構中任一點P沿任意方向p-p的變形； 材料的線膨脹系數(shù)(1/)，溫度每升高或降低1，單位長度構件的伸長 或縮短量，幾種主要材料線膨脹系數(shù)見表6-1； t0 桿件軸線處的溫度變化； 桿件上、下側溫差的絕對值；,溫度作用,h桿件截面高度； 桿件的 圖的面積， 圖為虛擬

4、狀態(tài)下軸力大小沿桿件的分布圖； 桿件的 圖的面積， 圖為虛擬狀態(tài)下彎矩大小沿桿件的分布圖。 表6-1 常用材料線膨脹系數(shù),溫度作用,對于超靜定結構存在有多余約束或物體內部單元體相互制約的構件，溫度改變引起的變形將受到限制，從而在結構內產生內力。這一溫度作用效應的計算，可根據變形協(xié)調條件，按結構力學或彈性力學方法確定。 受均勻溫差T作用的兩端嵌固于支座的梁(圖6.3)。若求此梁溫度應力，可將其一端解除約束，成為一靜定懸臂梁。懸臂梁在溫差T的作用下產生的 的自由伸長量及相對變形值可由下式求得： (6-2) (6-3) 式中，T溫差()； L梁跨度(m)。,如果懸臂梁右端受到嵌固不能自由伸長，梁內便

5、產生約束力，約束力N的大小等于將自由變形梁壓回原位所施加的力(拉為正，壓為負)，即 (6-4) 截面應力為： (6-5) 式中，E材料彈性模量； A材料截面面積； 桿件約束應力。 由式(6-5)可知，桿件約束應力只與溫差、線膨脹系數(shù)和彈性模量有關，其數(shù)值等于溫差引起的應變與彈性模量的乘積。,溫度作用,圖6.3 兩端嵌固的梁與自由變形梁示意圖,由式(6-5)可知，桿件約束應力只與溫差、線膨脹系數(shù)和彈性模量有關，其數(shù)值等于溫差引起的應變與彈性模量的乘積。 (2) 排架橫梁受到均勻溫差T作用如圖6.4所示。,溫度作用,橫梁受溫度影響伸長 (若忽略橫梁的彈性變形)，此即柱頂產生的水平位移。K為柱頂產生

6、單位位移時所施加的力(柱的抗側剛度)，由結構力學可知； (6-6),圖6.4 排架橫梁受溫度應力示意圖,柱頂所受到的水平剪力為： (6-7) 式中，I柱截面慣性矩； H柱高； L橫梁長(結構物長)。 由此可見，溫度變化在柱中引起的約束內力與結構長度成正比。當結構物長度很長時，必然在結構中產生較大溫度應力。為了降低溫度應力，只能縮短結構物的長度，這就是過長的結構每隔一定距離必須設置伸縮縫的原因。,溫度作用,所謂變形作用，實質上是結構物由于種種原因引起的變形受到多于約束的阻礙，而導致結構物產生內力。主要原因有：由于外界因素造成結構基礎的移動或不均勻沉降；由于自身原因收縮或徐變使構件發(fā)生伸縮變形，二

7、者均導致結構或構件產生內力。因而從廣義上來說，這種變形作用也是荷載。 當靜定結構體系發(fā)生符合其約束條件的位移時，不會產生內力；而當超靜定結構體系的多余約束限制了結構自由變形時，基礎的移動和不均勻沉降或當混凝土構件在空氣中結硬產生收縮以及在不變荷載的長期作用下發(fā)生徐變時，由于構件與構件之間、鋼筋與混凝土之間相互影響、相互制約，不能自由變形，都會引起結構內力。 超靜定結構由于變形作用引起的內力和位移計算應遵循力學基本原理，可根據長期壓密后的最終沉降量、收縮量、徐變量，由靜力平衡條件和變形協(xié)調條件計算構件截面附加內力和附加變形。,變 形 作 用,一、爆炸的概念及其類型 爆炸是物質系統(tǒng)在足夠小的容積內

8、，以極短的時間突然迅速釋放大量能量的物理或化學過程。按照爆炸發(fā)生的機理和作用的性質，又可分為物理爆炸(鍋爐爆炸)、化學爆炸(炸藥爆炸和燃氣爆炸)和核爆炸(核裂變原子彈和核聚變氫彈)等多種類型。因此爆炸作用是一種復雜的荷載。 核爆炸發(fā)生時，壓力波在幾毫秒內即可達到峰值，且壓力峰值相當高，正壓作用后還有一段負壓段，如圖 6.5(a)所示?；瘜W爆炸和燃氣爆炸壓力升高相對依次較慢(圖6.5(b)、(c)，峰值壓力亦較核爆炸低較多，但化學爆炸正壓作用時間短，約從幾毫秒到幾十毫秒，負壓段更短，而燃氣爆炸是一個緩慢衰減的過程，正壓作用時間較長，負壓段很小，甚至測不出負壓段。,爆 炸 作 用,(a) 核爆炸

9、(b) 化學爆炸 (c) 燃氣爆炸 圖6.5 壓力-時間曲線,由于爆炸是在極短的時間內壓力達到峰值，使周圍氣體迅猛地被擠壓和推進，從而產生過高的運動速度，形成波的高速推進，這種使氣體壓縮而產生的壓力稱為沖擊波。它會在瞬間壓縮周圍空氣而產生超壓，超壓是指爆炸壓力超過正常大氣壓，核爆、化爆和燃爆都產生不同幅度的超壓。沖擊波的前鋒猶如一道運動著的高壓氣體墻面，被稱為波陣面，超壓向發(fā)生超壓空間內的各表面施加擠壓力，作用效應相當于靜壓。沖擊波所到之處，除產生超壓外，還帶動波陣，而后空氣質點高速運動引起動壓，動壓與物體形狀和受力面方位有關，類似于風壓。燃氣爆炸的效應以超壓為主，動壓很小，可以忽略，所以燃氣

10、爆炸波屬壓力波。 二、爆炸對結構的影響及荷載計算 爆炸對結構產生破壞作用，其破壞程度與爆炸的性質和爆炸物質的數(shù)量有關。爆炸物質數(shù)量越大，積聚和釋放的能量越多，破壞作用也越劇烈。爆炸發(fā)生的環(huán)境或位置不同，其破壞作用也不同，在封閉的房間、密閉的管道內發(fā)生的爆炸其破壞作用比在結構外部發(fā)生的爆炸要嚴重得多。當沖擊波作用在建筑物上時，會引起壓力、密度、溫度和質點迅速變化，而其變化是結構物幾何形狀、大小和所處方位的函數(shù)。,爆 炸 作 用,(1) 當爆炸發(fā)生在一密閉結構中時，在直接遭受沖擊波的維護結構上受到驟然增大的反射超壓，并產生高壓區(qū)，這時的反射超壓峰值： (6-8) 式中， 最大的反射超壓(kPa)；

11、 入射波波陣面上的最大超壓(kPa)； 反射系數(shù)，取值為28。 如果燃氣爆炸發(fā)生在生產車間、居民廚房等室內環(huán)境下，一旦發(fā)生爆炸，常常是窗玻璃被壓碎，屋蓋被氣浪掀起，導致室內壓力下降，反而起到了泄壓保護的作用。 Dragosavic在體積為20m3的實驗房屋內測得了包含泄爆影響的壓力時間曲線，經過整理繪出了室內理想化的理論燃氣爆炸的升壓曲線模型(圖6.6)。圖中A點是泄爆點，壓力從O開始上升到A點出現(xiàn)泄爆(窗玻璃壓碎)，泄瀑后壓力稍有上升隨即下降，下降過程中有時出現(xiàn)短暫的負超壓，經過一段時間，由于波陣面后的湍流及波的反射出現(xiàn)高頻振蕩。圖中Pv為泄爆壓力，P1為第一次壓力峰值，P2為第二次壓力峰值

12、，P4為高頻振蕩峰值。該試驗是在空曠房屋中進行的，如果室內有家具或其他器物等障礙物，則振蕩會大大減弱。,爆 炸 作 用,對易爆建筑物在設計時需要有一個壓力峰值的估算，作為確定窗戶面積、屋蓋輕重等的依據，使得易爆場所一旦發(fā)生燃爆能及時泄爆減壓。Dragosavic 給出了最大爆炸壓力計算公式： (6-9) 式中， 最大爆炸壓力(kPa)； 泄壓系數(shù)，房間體積與泄壓面積之比； Pv泄壓時的壓力(kPa)。 公式(6-9)不適用于大體積空間中爆炸壓力估算和泄壓計算。,爆 炸 作 用,圖6.6 Dragosavic理論燃氣爆炸升壓曲線模型,(2) 爆炸沖擊波繞過結構物對結構產生動壓作用。由于結構物形狀

13、不同，維護結構面相對氣流流動方向的位置也不同?？捎迷囼灤_定的表面阻力系數(shù) Cd(對矩形結構物取 1.0)表示，這樣動壓作用引起的維護結構面壓力等于 ，因此維護結構迎波面壓力從 衰減到 ，其單位面積平均壓力 (kPa)為： (6-10) 式中， 為沖擊波產生的動壓(kPa)。 注意維護結構的頂蓋、迎波面及背波面上的每一點，壓力自始至終為沖擊波超壓與動壓作用之和。不同之處在于由于渦流等原因，產生作用力的方向不同，壓力Cd取正，吸力Cd取負，且作用時間不同。 在沖擊波超壓和動壓共同作用下，結構物受到巨大的擠壓作用，加之前后壓力差的作用，使得整個結構物受到超大水平推力，導致結構物平移和傾斜。而對于煙囪

14、、桅桿、塔樓及桁架等細長形結構物，由于它們的橫向線性尺寸很小，則所受合力就只有動壓作用，因此結構物容易遭到拋擲和彎折。,爆 炸 作 用,(3) 地面爆炸沖擊波對地下結構物的作用與對上部結構的作用有很大不同。主要影響因素有：地面上空氣沖擊波壓力參數(shù)引起巖土壓縮波向下傳播并衰減；壓縮波在自由場中傳播時參數(shù)變化；壓縮波作用于結構物的反射壓力取決于波與結構物的相互作用。根據人民防空地下室設計規(guī)范(GB 500381994)，綜合考慮各種因素，采用簡化的綜合反射系數(shù)法的半經驗實用計算方法。采用將地面沖擊波超壓計算的結構物各自的動載峰值，根據結構的自振頻率以及動載的升壓時間查閱有關圖表得到荷載系數(shù)，最后再

15、換算成作用在結構物上的等效靜載。其中： 壓縮波峰值壓力 ： (6-11) 結構頂蓋動載峰值 ： (6-12) 結構側維護動載峰值 ： (6-13) 底板動載峰值 ： (6-14),爆 炸 作 用,地面上空氣沖擊波超壓(kPa)； h地下結構物距地表深度(m)； 衰減系數(shù)，對非飽和土，主要由顆粒骨架承受外加荷載，因此傳播時衰減相對大，而對飽和土，主要靠水分來傳遞外加荷載，因此傳播時衰減很小，一般為0.030.1(適合于核爆炸，對一般燃氣爆炸或化學爆炸衰減的速率要大得多)； 頂蓋深度處自由場壓縮波壓力峰值(kPa)； 綜合反射系數(shù)，與結構埋深、外包尺寸及形狀等復雜因素有關，一般對飽和土中結構取1.

16、8。 壓縮波作用下的側壓系數(shù)，按表6-2取值； 底壓系數(shù)，對飽和土和非飽和土中結構分別取0.81.0和0.50.75。 表6-2 側壓系數(shù),爆 炸 作 用,側壓系數(shù),如果結構物或基礎的底面置于地下水位以下，這時底面受到的浮力如何計算至今仍是一個值得研究的問題。一般講，地下水或地表水能否通過土的孔隙、聯(lián)通或溶入到結構物或基礎底面是產生水的浮力的必要條件，為此，浮力的計算主要取決于土的物理特性。 當?shù)叵滤軌蛲ㄟ^土的孔隙溶入到結構物或基礎的底面，且土的固體顆粒與結構基底之間的接觸面很小，可以把它們作為點的接觸時，才可以認為土中結構物或基礎處于完全浮力狀態(tài)(如對粉土或砂性土等)。若固體土顆粒與結構物

17、或基礎底面之間的接觸面較大，而且各個固體顆粒的聯(lián)貫是由膠結連接而形成(如對密實的粘性土)，地下水不能充分滲透到土和結構物或基礎底面之間，則土中結構物或基礎不會處于完全的浮力作用狀態(tài)。 浮力作用可根據地基土的透水程度，按照結構物喪失的重量等于它所排開的水重這一浮力原則計算。 從安全角度出發(fā)，結構物或基礎受到的浮力可按如下考慮。 (1) 如果結構物置于透水性飽和的地基上，可認為結構物處于完全浮力狀態(tài)。 (2) 如果結構物置于不透水性地基上，且結構物或基礎底面與地基接觸良好，可不考慮水的浮力。 (3) 如果結構物置于透水性較差的地基上，可按50%計算浮力。,浮 力 作 用,(4) 如果不能確定地基是

18、否透水，應從透水和不透水兩種情況與其他荷載組合，取其最不利者；對于粘性土地基，浮力與土的物理特性有關，應結合實際情況確定。 (5) 對有樁基的結構物，作用在樁基承臺底部的浮力，應考慮全部面積，但樁嵌入不透水持力層者，計算承臺底部浮力時應扣除樁的截面積。 注意兩點：在確定地基承載力設計值時，無論是結構物或基礎底面以下的天然重度還是底面以上土的加權平均重度，地下水位以下一律取有效重度；設計時應考慮到地下水位并不是一成不變的而是隨季節(jié)會產生漲落。,爆 炸 作 用,一、汽車制動力 汽車制動力是汽車在橋上剎車時為克服汽車的慣性力在車輪與路面之間產生的滑動摩擦力。公路橋涵設計通用規(guī)范(JTJ 021198

19、9)把經常、大量出現(xiàn)的汽車荷載排列成車隊形式，作為設計荷載。但事實上，在橋上成列車隊同時剎車的概率極小，制動力的取值僅為摩擦系數(shù)乘以橋上成隊車輛重力的一個部分。公路橋涵設計通用規(guī)范(JTJ 0211989)規(guī)定：當橋涵為一或二車道時，制動力按布置在荷載長度內的一行汽車車隊總重量的10%計算，但不得小于一輛車重的30%；對于四車道的橋梁，制動力取上述規(guī)定數(shù)值的2倍。履帶車和平板掛車不計制動力。 城市橋梁以兩條及兩條以上加載車道為標準，當設計一個車道時，取城-A級汽車制動力160kN或10%車道荷載與城-B級汽車制動力90kN或10%車道荷載二者的較大值。 制動力的方向為車行駛方向，其作用點在車輛

20、的豎向重心線與橋面以上1.2m高處水平線的交點。在計算墩臺時，可移至支座中心處(鉸或滾軸中心)或滑動、橡膠、擺動支座的底板面上，在計算剛架橋、拱橋時，可移至橋面上，但不計由此而產生的力矩。 二、吊車制動力 在工業(yè)廠房中常設有吊車，吊車在運行中的剎車會產生制動力。因此在設計有吊車廠房結構時，一般需考慮吊車運行時大車和小車的剎車產生的縱向和橫向水平制動力。,制 動 力,吊車縱向水平制動力(圖6.7)是由吊車橋架沿廠房縱向運行時制動引起的慣性力產生的，其大小受制動輪與軌道間的摩擦力的影響，當制動慣性力大于制動輪與軌道間的摩擦力時，吊車輪將在軌道上滑動。經實測，吊車輪與鋼軌間的摩擦系數(shù)一般小于0.1，

21、所以吊車縱向水平荷載可按一邊軌道上所有剎車輪的最大輪壓之和的10%采用。制動力的作用點位于剎車輪與軌道的接觸點，方向與車的行駛方向一致。 吊車橫向水平制動力(圖6.8)是吊車小車及起吊物沿橋架在廠房橫向運行時制動所引起的慣性力。該慣性力與吊鉤種類和起吊物重量有關，一般硬鉤吊車比軟鉤吊車的制動加速度大。另外，起吊物越重，一般運行速度越慢，制動產生的加速度則較小。故建筑結構荷載規(guī)范(GB 500092001)規(guī)定，吊車橫向水平荷載按下式計算： (6-15),制 動 力,圖6.7 吊車縱向制動力,圖6.8 吊車橫向制動力,式中，G小車重量； W吊車額定起重量； 制動系數(shù)。對于硬鉤吊車取0.2；對于軟

22、鉤吊車，當額定起重量不大于10t時，取0.12，當額定起重量為1050t時，取0.1，當額定起重量不小于75t時，取0.08。 橫向水平荷載應等分于橋架的兩端，分別由車輪平均傳至軌道，其方向與軌道垂直，并考慮正反兩個方向的剎車情況。 建筑結構荷載規(guī)范(GB 500092001)規(guī)定：懸掛吊車的水平荷載應由支撐系統(tǒng)承受，可不計算；手動吊車及電動葫蘆可不考慮水平荷載。 計算排架考慮多臺吊車水平荷載時，由于同時啟動和制動的機會很小，對單跨或多跨的每個排架，參與組合的吊車臺數(shù)不應多于兩臺。多臺吊車的荷載折減系數(shù)見表2-7。 吊車荷載的組合值、頻遇值及準永久值系數(shù)見表2-8。 三、汽車豎向沖擊力 車輛在

23、橋面上高速度行駛時，由于橋面不平整或車輪不圓或發(fā)動機抖動等多種原因，都會引起車體上下振動，使得橋跨結構受到影響。車輛在動載作用下產生的應力和變形要大于在靜載作用下產生的應力和變形，這種由于動力作用而使橋梁發(fā)生振動造成內力和變形增大的現(xiàn)象稱為沖擊作用。目前對沖擊作用尚不能從理論上作出符合實際的詳細計算，一般可根據試驗和實測結果或近似地將汽車荷載乘以沖擊系數(shù)來計及車輛的沖擊作用，即采用靜力學的方法考慮荷載增大系數(shù)來反映動力作用。,制 動 力,沖擊影響與結構剛度有關，一般來說，跨徑越大，結構越柔，對動力荷載的緩沖作用好，沖擊力影響越小。因此，沖擊力是隨跨徑的增大而減小的，可近似認為沖擊系數(shù)與計算跨徑

24、l成反比。 沖擊系數(shù)是根據在已建成的實橋上所做的振動試驗的結果分析整理而確定的，設計中可按不同結構種類和跨度大小選用相應的沖擊系數(shù)。公路橋涵設計通用規(guī)范給出了鋼筋混凝土、混凝土和磚石砌橋涵的沖擊系數(shù)(表6-3)和鋼橋的沖擊系數(shù)(表6-4)。當跨徑 在表中所列數(shù)值之間時，沖擊系數(shù)按直線內插法求得。 表6-3 鋼筋混凝土和混凝土以及石砌橋涵的沖擊系數(shù),制 動 力,沖擊系數(shù),5,20,表6-4 鋼橋的沖擊系數(shù),城市橋梁設計荷載標準(CJJ7798)按車道荷載和車輛荷載分別給出城市橋梁汽車荷載沖擊系數(shù) 。 (1) 車道荷載的沖擊系數(shù)。 (6-16) 式中， l橋梁跨徑(m)。 當 l=20m 時， 時

25、， 。 (2) 車輛荷載的沖擊系數(shù)。 (6-17) 由于結構物上的填料能起到緩沖和減振作用，沖擊影響能被填料吸收一部分，故對于拱橋、涵洞以及重力式墩臺，當填料厚度(包括路面厚度)等于或大于0.5m時，可不計沖擊力。 四、汽車水平撞擊力 橋梁防撞欄桿的設計應考慮汽車對欄桿的撞擊力，撞擊力與車重、車速、碰撞角度等因素有關。對此各國規(guī)范的規(guī)定不盡相同。城市橋梁設計荷載標準規(guī)定：防撞欄桿應采用80kN橫向集中力進行檢算，作用點應在防撞欄桿板的中心。,制 動 力,位于曲線上的橋梁，當曲線半徑等于或小于250m時，汽車應考慮離心力的作用。離心力的大小與曲線半徑成反比，離心力的取值可通過車輛荷載乘以離心力系

26、數(shù)C得到，離心力系數(shù)C可由力學方法導出。 離心力： (6-18) 令： (6-19) 式中，v行車速度(m/s)應按橋梁所在路線等級的規(guī)定采用； R彎道平曲線半徑(m)； g重力加速度，取9.81m/s2； W車輛總重力(kN)。 如果將行車速度v的單位以km/h表示，并將g=9.81m/s2代入式(6-19)，可得： (6-20) 離心力應作用在汽車的重心上，一般離橋面1.2m，為了計算簡便，也可移到橋面上，但不計由此而引起的力矩。離心力對墩臺的影響多按均布荷載考慮，即把離心力均勻分布在橋跨上，由兩墩臺平均分擔。,離 心 力,一、預應力的概念 預應力混凝土結構是由配置受力的預應力鋼筋通過張拉

27、或其他方法建立預應力的混凝土制成的結構。它從本質上改善了鋼筋混凝土結構的受力性能，具有技術革命的意義。 圖 6.9 是一簡支梁在外荷載作用前后截面的應力變化。發(fā)現(xiàn)外荷載作用減小了梁截面下邊緣的拉應力，有時甚至使之變成壓應力，這種在構件受荷前預先對混凝土受拉區(qū)施加壓應力的結構稱為預應力混凝土結構。由此可見，預應力混凝土與普通混凝土相比，具有以下特點：,預 應 力,圖6.9 預應力梁的受力情況,(1) 構件的抗裂度和剛度提高。由于鋼筋混凝土中預應力的作用，當構件在使用階段外荷載作用下產生拉應力時，首先要抵消預壓應力。這就推遲了混凝土裂縫的出現(xiàn)，并限制了裂縫的發(fā)展，從而提高了混凝土構件的抗裂度和剛度

28、。 (2) 構件的耐久性增加。預應力混凝土能避免或延緩構件出現(xiàn)裂縫，而且能限制裂縫的擴大，構件內的預應力筋不容易銹蝕，延長了使用期限。 (3) 自重減輕。由于采用高強度材料，構件截面尺寸相應減小，自重減輕。 (4) 節(jié)省材料。預應力混凝土可以發(fā)揮鋼材的強度，鋼材和混凝土的用量均可減少。 (5) 預應力混凝土施工，需要專門的材料和設備、特殊的工藝，造價較高。 由此可見，預應力混凝土構件從本質上改善了鋼筋混凝土結構受力性能，因而具有技術革命的意義。 二、預應力混凝土的分類 預應力混凝土按預加應力的方法可分為先張法預應力混凝土和后張法預應力混凝土；按預加應力的程度可分為全預應力混凝土和部分預應力混凝

29、土；按預應力鋼筋與混凝土的粘結狀況可分為有粘結預應力混凝土和無粘結預應力混凝土；按預應力筋的位置可分為體內預應力混凝土和體外預應力混凝土。,預 應 力,1. 先張法預應力混凝土和后張法預應力混凝土 鋼筋混凝土構件中配有縱向受力鋼筋，通過張拉這些縱向受力鋼筋并使其產生回縮，對構件施加預應力。根據張拉預應力鋼筋和澆搗混凝土的先后順序，將建立預應力的方法分為先張法和后張法。 1) 先張法預應力混凝土 先張法的主要工藝如圖6.10所示，采用先張法時，預應力的建立主要依靠鋼筋與混凝土之間的粘結力。該方法適用于以鋼絲或d16mm鋼筋配筋的中、小型構件，如預應力混凝土空心板等。,預 應 力,(a) 鋼筋就位

30、,(b) 張拉預應力鋼筋,(d) 切斷預應力筋，混凝土受壓圖,(c) 臨時錨固鋼筋，澆注混凝土,圖6.10 先張法預應力混凝土構件施工工藝,2) 后張法預應力混凝土 后張法的主要工藝如圖6.11所示。采用后張法時，預應力的建立主要依靠構件兩端的錨固裝置。該法適用于鋼筋或鋼鉸線配筋的大型預應力構件，如屋架、吊車梁、屋面梁。后張法施加預應力方法的缺點是工序多，預留孔道占截面面積大。施工復雜，壓力灌漿費時，造價高。,預 應 力,(a) 制作構件，預留孔道(塑料管，鐵管),(b) 穿筋,(c) 張拉預應力鋼筋,(d) 錨固鋼筋，孔道灌漿,圖6.11 后張法預應力混凝土構件施工工藝,2. 全預應力混凝土

31、和部分預應力混凝土 1) 全預應力混凝土 全預應力混凝土指預應力混凝土結構在最不利荷載效應組合作用下，混凝土中不允許出現(xiàn)拉應力。混凝土結構設計規(guī)范(GB 500102002)中裂縫控制等級為一級，即嚴格要求不出現(xiàn)裂縫的構件。 全預應力混凝土具有抗裂性好和剛度大等優(yōu)點，但也存在以下缺點。 (1) 抗裂要求高，預應力鋼筋的配筋量取決于抗裂要求，而不是取決于承載力的需要，導致預應力鋼筋配筋量增大。 (2) 反拱值往往過大，由于截面預加應力值高，尤其對永久荷載小、可變荷載大的情況，會使構件的反拱值過大，導致混凝土在垂直于張拉方向產生裂縫，并且由于混凝土的徐變會使反拱值隨時間的增長而發(fā)展，影響上部結構構

32、件的正常使用。 (3) 張拉應力高，對錨具和張拉設備要求高，錨具下混凝土受到較大的局部壓力，需配置較多的鋼筋網片或螺旋筋以加強混凝土的局部承壓力。 (4) 延性較差，由于全預應力混凝土構件的開裂荷載與破壞荷載較為接近，致使構件破壞時的變形能力較差，對結構抗震不利。 (5) 由于高壓應力的作用，隨時間的增長，徐變和反拱加大。,預 應 力,2) 限值預應力混凝土 限值預應力混凝土也屬部分預應力混凝土。使用荷載作用下根據荷載效應組合情況，不同程度地保證混凝土不開裂的構件，則稱為限值預應力混凝土，大致相當于混凝土結構設計規(guī)范(GB 500102002)中裂縫控制等級為二級，即一般要求不出現(xiàn)裂縫的構件。

33、 3) 部分預應力混凝土 部分預應力混凝土系指預應力混凝土結構在最不利荷載效應組合作用下，容許混凝土受拉區(qū)出現(xiàn)拉應力或裂縫。其中，在最不利荷載效應組合作用下，受拉區(qū)出現(xiàn)拉應力但不出現(xiàn)裂縫的預應力混凝土結構稱為有限預應力混凝土。大致相當于混凝土結構設計規(guī)范(GB 500102002)中裂縫控制等級為三級，即允許出現(xiàn)裂縫的構件。 部分預應力混凝土的特點如下。 (1) 可合理控制裂縫與變形，節(jié)約鋼材。因可根據結構構件的不同使用要求、可變荷載的作用情況及環(huán)境條件等對裂縫和變形進行合理的控制，降低了預應力，從而減少了錨具的用量，適量降低了費用。 (2) 可控制反拱值不致過大。由于預加應力值相對較小，構件

34、的初始反拱值小，徐變變形亦減小。 (3) 延性較好。在部分預應力混凝土構件中，通常配置非預應力鋼筋，因而其正截面受彎的延性較好，有利于結構抗震，并可改善裂縫分布，減小裂縫寬度。 (4) 與全預應力混凝土相比，可簡化張拉、錨固等工藝，獲得較好的綜合經濟效果。,預 應 力,(5) 計算較為復雜。部分預應力混凝土構件需按開裂截面分析，計算較繁冗，在部分預應力混凝土多層框架的內力分析中，除需計算由荷載及預應力作用引起的內力外，還需考慮框架在預加應力作用下的軸向壓縮變形引起的內力。此外，在超靜定結構中還需考慮預應力次彎矩和次剪力的影響，并需計算配置非預應力筋。 越來越多的研究成果和工程實踐表明，采用部分預應力混凝土結構是合理的?？梢哉J為，部分預應力混凝土結構的出現(xiàn)是預應力混凝土結構設計和應用的一個重要發(fā)展。 3. 有粘結預應力混凝土和無粘結預應力混凝土 有粘結預應力混凝土系指預應力鋼筋與其周圍的混凝土有可靠的粘結強度，使得在荷載作用下預應力鋼筋與其周圍的混凝土有共同的變形。先張法預應力混凝土