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14、预应力混凝土
14.1 简介
现代结构工程通过改进高强度材料的设计和使用方法逐渐趋向于更经济结构的发展。这导致减少横截面尺寸和由此产生的重量节省。这种发展在钢筋混凝土的自重尤为重要，代表了总的很大一部分负载。另外，在多层建筑中，在深度构件的任何储蓄，乘以层数，可以代表一个大幅度节省总高度，在基础上，加热的长度和长度电气管道，管道立管，壁和分隔表面。
显著的储蓄可以通过使用高强度混凝土和钢的结合实现现今的设计方法，它能准确预测构件强度。不过这种发展的局限性，主要是由于裂缝和挠度的相互关联在支撑负载。在应力钢高强度钢的使用效率的事实是数量有限裂纹（宽度和裂纹数）与应变成比例。虽然结构混凝土中适量的裂缝通常是没关系的，但是过度的开裂是不可取的，它暴露了钢筋会腐蚀，它可能是视觉上的不好，并可能引发斜拉过早失效。高强度的使用材料的进一步限制，挠度的考虑，特别是当细化分析被使用。细长的构件，结果可能允许挠度，在功能上或视觉上不可接受的。这是进一步加剧了开裂，从而降低了构件的抗弯刚度。
这些处理过的普通钢筋混凝土已在很大程度上克服了发展预应力混凝土。预应力混凝土构件可以被定义为其中的一个已经介绍了内部应力这样的大小和分布，所产生的应力从给定的外部负载抵消到所要求的程度。混凝土基本上是一种抗压材料，其抗拉强度相对较低。预应力施加预压在减少或消除不希望的拉伸应力，否则将目前。在服务荷载下开裂可以最小化甚至完全避免。挠度被限制在一个可以接受的值，事实上，可以设计为具有零偏转下的构件承载荷载与预应力的组合效应。挠度和裂缝控制，实现通过预应力，允许工程师在利用高效、经济的高强度钢在股，形成线，或齿，比正常混凝土的强度更大。因此，预应力的结果在结构混凝土性能的全面改善用于普通负载和跨越和扩展的应用范围远远超出了普通钢筋混凝土的限制，导致不仅比以前认为可能的更长的跨度，但允许创新的新型结构形式被雇用。
14.2 预应力效应
至少有三种方法来研究预应力混凝土：（a）作为一种实现方法混凝土应力控制，使混凝土的预压，通常产生的张力施加的荷载是减少或消除，（b）作为一种等效手段，引入等效荷载的混凝土构件，所施加的载荷的影响抵消所需的程度（c）作为一个特殊的变化，钢筋混凝土的变形使用高强度钢，通常联用高强度混凝土。每一个观点都是有用的分析和预应力混凝土结构的设计，他们将分别在下面的段落中加以说明。
- 通过预置急混凝土应力控制
预应力混凝土的许多重要特点，可以通过简单的例子证明。考虑第一个平原，横截面为矩形的FIG. 14.1a所示无筋混凝土梁。在其跨度的中心进行一个单一的集中载荷。（构件的自我权重将在这里被忽视了。）当负载W逐步应用，纵弯曲应力引起的。如果混凝土是强调只有在弹性范围内，跨中抗弯应力分布如图所示。
在较低的负荷，在单向拉伸应力混凝土在梁底将达到对混凝土的抗拉强度，和裂纹的形成。因为没有对向上延伸的裂纹，梁将倒塌而不进一步增加的负荷。现在考虑其他相同的光束，如图141b所示。其中纵向轴在垂直荷载作用下，引入力对。纵向预应力将产生一个
均匀轴向压缩功能=P/Ac，其中Ac是混凝土的横截面面积。力可以调整的幅度，这样，当横向负载Q应用，叠加应力，由于P和Q将导致在底部的梁的零拉伸应力如所示。拉伸在混凝土中的应力可以以这种方式被消除或减少到指定的量。
将预应力束在梁底附近，用以补偿更有效地为负载引起的张力。一种可能的设计规范，例如，可能是在梁的底部引入最大压缩而不引起张力顶部，当只有预应力作用。它很容易地显示，对于一个矩形的光束横截面的预应力应用点应在较低的第三点部分深度达到这个力P，具有之前相同的价值，但应用偏心e= h/6相对的混凝土质心，将产生一个纵向的压缩应力分布的线性变化从零在顶面最大2FC = P /Ac P EC2 / IC（底部的），在FC在混凝土质心的混凝土应力、C2是从具体的距离对梁底中心，IC是截面惯性力矩。这是图14.1C。底部的应力是由轴向产生的值的两倍预应力。
图1 4.1种方案处理公关的矩形混凝土梁：（a）普通混凝土梁；（b）轴向预应力束；（c）偏心预应力梁；（d）与变偏心梁；（e）对于变量偏心梁平衡阶段。
因此，横向荷载可以大一倍，或二，还有原因无拉应力。事实上，最终的应力分布载荷的叠加导致预应力图14.1c，图14.1b相同，同预应力，虽然负荷大一倍。偏心预应力的优点是明显的。
预应力混凝土构件的方法将在14.3节讨论。对于现在的目的，它是足够知道一个实用的方法，预应力使用高强度混凝土梁中嵌入的钢筋混凝土梁。肌腱固定，在高压下，在两端的光束，从而导致纵向压缩应力混凝土。图14.1B、C预应力可以很容易地被应用在这种方式。
然而，一个显着的改善，通过使用预应力筋与可变相对于混凝土的质心，如图14所示。1 D 2Q生产负荷弯矩沿跨度的线性变化，从零到最大跨中支撑。直观地说，预应力最好的安排会产生恢复力矩在相反的意义上的行为的负载引起的时刻，这将在相同的变化方式。这将是通过给肌腱一个偏心帽不同线性，从零开始支持最大跨中。这是如图14.1D所示，跨中应力的与图14中的相同。1C，当负载2Q作用时，仅在具有零偏心距的预应力作用下，得到了一个统一的压缩应力如图。
对于每一个特征的载荷分布，有一个最佳的肌腱的配置文件，产生预应力弯矩图，对应的应用负载。如果预应力反力矩为与荷载引起的弯矩恰好相等，相反，结果是一个只受其作用的梁混凝土的均匀轴向压应力。这样的梁将是无拘束的弯曲开裂，理论上我不会被偏转或下降时，特别是特定的负载，相比原来的位置。这样的结果将获得的负载一2times;2Q = Q，如图14所示。例如1E。
从这些简单的例子中，可以得出一些重要的结论如下：
1、预应力可以控制甚至消除混凝土拉应力为指定负载。
2、偏心预应力通常比同心预应力更有效。
3、变偏心率通常是优选的恒定的偏心率，从两个角度的观点应力控制与挠度控制。
b、等效荷载
在跨度的末端，不经过混凝土中心的筋。在这的情况下，均匀分布的向上负载加端锚定力量产生，如图所示图14.2B，但除此之外，M = Pecostheta;必须占到结束的时刻这可能是显而易见的，任何安排的应用负载，肌腱轮廓可以这样选择等效荷载作用于梁上的等效荷载与所施加的等效荷载。结果将是一个纯粹的压缩应力的状态，在具体的，如讨论关于压力控制的一些不同的术语和图14.1E等效负荷的概念的优点是，它会导致设计师选择什么可能是预应力钢筋最好的特殊载荷。
C.预应力混凝土钢筋混凝土的变化
在对预应力的影响的说明中，在14.2a和b，这表明预应力竖向荷载的力保持不变，使混凝土弹性响应，没有发生混凝土开裂。这些条件可能会满足负载水平，但如果负载应增加远远超出了，弯曲的拉伸应力将最终超过破裂和裂缝将形成。然而，负载通常可以增加
在设计良好的预应力梁的开裂荷载作用下，并根据不同的预应力水平、负载梁的反应可能会有所不同，从轻微开裂，开裂，到完全破裂，变成一个普通钢筋混凝土梁。最终钢和混凝土在破裂的部分将被强调为非弹性范围。在早期故障的情况如图14.3所示，这表明梁承载
负载等于预期负载有多个因素。梁无疑是在一个部分破裂状态；可能出现的弯曲裂缝模式如图14.3a所示。在最大弯矩区，只有在压缩的混凝土是有效的，拉力由钢产生。外部力矩从所施加的负载被抵抗的内部力偶Cz= Tz。在这个阶段的反应几乎是相同的一个普通钢筋超载混凝土梁。主要的区别是，用高强度钢必须在将荷载施加到梁之前，否则，高的钢应力会产生过多的混凝土开裂和大挠度。三种观点分别描述了混凝土应力控制、等效荷载和增强混凝土采用预变形钢和预应力混凝土结构设计的分析是有用的，而没有三个中的任意一个。既不是弹性应力分析，也不是一个等效负载分析提供信息的强度或安全余量。然而，应力分析有助于预测开裂程度，并对等效载荷进行分析，往往是最好的方法计算挠度。强度分析是必要的，以评估安全性，防止崩溃，但它告诉在使用条件下，梁没有裂缝或挠度。
图4 1.3预应力混凝土梁在弯曲失败：（a）与荷载施加梁；（b）梁的左半部分的力平衡。
14.3 预应力来源
预应力可以在许多方面应用于混凝土构件中。也许最明显的方法预压是用千斤顶的反式，如图14.4a所示.这样的方案被用于大型项目。许多变化是可能的，包括更换千斤顶与压杆在混凝土所需的压力是由内德或使用廉价的千斤顶在某些情况下，在某些情况下，作为液压流体用作液压油。这样一个系统相关的主要困难是，即使轻微运动的基将大大减少预应力。
图14.4预应力加固法：（a）后张顶在肩；（b）后张拉千斤顶与反梁；（c）固定外锚之间预应力钢筋的压力
在大多数情况下，相同的结果是更方便地获得与千斤顶底部连同电线或电缆，如图14.4b所示。这些电线或电缆可以是外部的，位于梁的两侧；通常他们通过通过空心导管埋入混凝土梁。通常情况下，预应力筋的一端锚定，所有的力被施加在另一端。达到了预期的预应力后筋嵌在混凝土和顶进设备被拆除，用于重用。在这种类型的预加应力，整个系统是独立的，是独立的相对位移的支持。另一种预应力的方法是广泛使用的是由法14.4c的预应力。桥墩之间浇筑混凝土前钢绞线张拉巨大。混凝土浇筑在张绳，在混凝土达到有足够的强度，顶压力被释放。这种转让预应力的以黏合和摩擦为纽带的混凝土，主要是在外端。这是必要的，在所有这三种情况下，如图14.4所示，在这样一种方式的支持允许该构件无约束地缩短轴向，从而使预应力可以转让给混凝土。在实验上尝试了其他的方法来提出他所需的预应力
基础。热预应力可以通过电或其他的钢预热来实现手段。在延长的状态下，将混凝土梁的两端锚定，使钢冷却并收缩。预应力是通过约束收缩。使用的在混凝土构件中膨胀的水泥已尝试不同的成功。体积膨胀，由钢铁股或固定桥基受到抑制，产生的预应力。
图14.5大股顶肩在长先张床尾。（对混凝土技术公司提供。）
申请预应力的专利制度在目前使用的是那些在图14.4B和这种系统一般可以分为先张法或后张紧系统。在预应力筋的情况下，强调在浇筑混凝土，如图14.4C。这个系统非常适合于大批量生产，由于铸造床可以几百英尺长，整个长度为一次铸造，和个别梁可以制作到所需的单铸长度。图14.5显示工人用液压千斤顶张拉链在一张床锚固。虽然每一个人在这种情况下，筋的双重压力，大容量接口通常用于张力均股同时。在后张法施工，如图14.4b所示、预应力筋后张法预应力混凝土放置并获得其强度。通常，空心导管或套管安装在束，通过筋传递。在某些情况下，筋被放置在中空的内部箱形截面梁。在硬化混凝土的端部，通常采用顶升力，不需要大量的基。在图14.6、六筋，各组成许多单独的线，是后张拉顺序使用便携式液压千斤顶。
大量的特定系统，钢元素、千斤顶、锚配件已经在国外和这个国家，其中许多不同的只是我的小细节（参考14.1至14.8）。就预应力混凝土结构的设计而言，它是一不必要的，甚至是不希望指定详细的技术，是要遵循和使用的设备。它经常是最好的指定的大小和行的行动预应力作用。然后，承包商在投标工作中，从几个不同的预应力分包商，由此产生的成本节约。然而，这是显而易见的设计人员必须有一定的知识的各种系统的详细考虑使用，所以在选择截面尺寸时，可以容纳任意一个系统中的任何一个。
14.4预应力钢
预应力混凝土的早期尝试是不成功的，因为钢与普通结构使用强度。在这样的杆获得的
图14.7混凝土收缩徐变引起的预应力损失低预应力迅速失去了由于收缩和混凝土徐变。这样的混凝土长度的变化有很大的影响，预应力，如果得到的力使用高度强调了钢线或电缆。在图14.7a，长度为l的混凝土构件预应力混凝土用钢筋强度一般强调24，000磅。与e = 29 = ，单位应变需要24000磅的钢铁生产所需的压力
然而，由于收缩和蠕变单独的长期应变，如果预应力维持了很长一段时间，就要上了和足以完全缓解所有应力钢。
另外，假定梁是预应力使用高强度钢的压力为150，000磅。钢的弹性模量没有很大变化，假设相同的值为磅。然后在这种情况下，所需的单位应变产生所需的应力在钢中
如果收缩和蠕变应变是一样的，在这些损失后的钢网应变是
和损失后的相应应力
这是一个约百分之十五的应力损失，与百分之百的损失相比，在使用普通钢。明显的是，由于收缩和蠕变的应力的量是独立的钢中原有的应力。因此，原应力越高，百分比越低损失。这是用图14的应力-应变曲线图所示。7b曲线代表。普通钢筋，以60，000磅的屈服应力，而曲线B代表高强度钢，其抗拉强度的270，000磅。应力的变化Delta;F一定导在应变Delta;变化被认为有更高的影响时，钢筋的应力水平达到了对混凝土预应力因此实际只有钢的强度非常高的应用。
预应力钢是最常用的形式，个别的电线，电缆（股）由七根电线和合金钢制成。这些都是物理性质在2.16节讨论。典型的应力-应变曲线出现在图2.16。几乎所有股在使用中是低松弛（第2节.16C）。
表4 1.1预应力钢的最大容许应力
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