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趣味讲解预应力结构原理,小白都能懂!

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预应力是指在构件尚未作用外荷载前,预先对结构施加的应力。预应力一般与荷载引起的应力相反。日常生活中应用预应力的例子很多。


01木盆(木桶)



用环箍对木片施加预压应力,以抵消水产生的拉应力。


02搬书


用手施加预压应力,以抵消书自重产生的弯曲拉应力。


03用预应力钢筋对混凝土构件施加预压应力


预应力混凝土梁

在荷载作用下产生拉应力的地方,预先用预应力钢筋对它施加压应力,来部分或全部抵消荷载产生的拉应力。


施加预应力

Ø可提高混凝土构件的抗裂性;

Ø利用预应力产生的反拱抵消恒载引起的挠度;

Ø更充分地利用高强钢材的抗拉性能和高强混凝土的抗压性能;

Ø可减小截面尺寸,减轻结构自重,以便应用到大跨和高层中。


04用预应力钢筋对混凝土构件施加预压应力


目前这种预弯型钢组合简支梁的跨度已达40m。若应用二次浇筑,形成预弯型钢组合连续梁,更能充分发挥这种结构的优越性,最大跨度可达80m。


这种新型预应力组合结构自重轻、承载力高、挠度小、结构高度小,又易于施工,在城市立交桥中有很好的应用前景。


设想在两山之间要建一座无筋混凝土桥:

Ø搭临时支架,铺预制混凝土块;

Ø用一排千斤顶对预制混凝土块施加预应力;

Ø在千斤顶之间浇筑混凝土;

Ø达到必要的强度后卸下千斤顶;

Ø在原千斤顶所占位置再补浇混凝土;

Ø拆下临时支架,一座不用预应力钢筋的预应力桥梁就建成了。(这和用手搬书的道理是一样的)


05预应力是一个内力


对一块薄板施加预应力会不会使薄板失稳呢?


当压杆有偶然偏心或偶然侧向力作用而弯曲后,附加的力矩可能使构件越来越弯曲,甚至导致破坏,这就是失稳。轴向力作用下的薄板或长细杆件有可能发生失稳。        

预应力是一个内力,当一块预应力薄板发生偶然弯曲后,预应力产生的附加力矩以及弯曲后的预应力筋对混凝土板的侧压力与偶然弯曲方向相反,将使构件变直。可见,预应力不但不会使压杆失稳,而且会使压杆更加稳定。这就不难理解为什么有时我们会对预制长柱、长桩施加预应力了。


06预应力的其它应用


预应力的概念还有更普遍的意义。上面提到预应力可使不能受拉的木盆拼缝“受拉”,同样也可使抗拉强度很低的混凝土变得似乎可以承受很大的“拉应力”。事实上,预应力只是把受拉的过程转变为预压应力减少的过程。


根据同样的原理,也可施加预拉应力,使不能受压的材料变得似乎可以受压。气球薄膜本不能受压,若充气打压先使薄膜承受拉应力,只要预拉应力足够大,超过荷载作用下薄膜的压应力,则此结构就可以承受荷载。



应用此原理可以建造各式充气结构。


充气结构(Balloon Structure)



气承式充气结构,气压较低。取出顶部1m2的屋面来分析,薄膜材料一般自重不会超过q=100N/m2,只要内部气压p>q,就可将薄膜托起。大家知道,一个标准大气压相当约10m水柱压力,即100000N/m2,可见只要室内气压比室外气压高出约1/1 000,就可把薄膜托起。这样的压差只用一个普通的鼓风机就能实现。通常,这种气承式充气结构只要在入口处采用密闭旋转门,并用风机不断补气,保持150~300N/m 2的气压差,就足以承受覆盖层的重力,并使薄膜中保持一定的预应力,以保证这种气承式充气结构的整体刚度,室内外压差只有1.5/1000~3/1000,这一点误差人们是感觉不到的。


气管式充气结构,又称气压式充气结构,气管内的气压约为1.5~2.0kN/m2。这种气管有一定的刚度和抗弯、抗压能力,可用来作为拱圈组合成屋盖。气管式充气结构管内压力比气承式结构大得多,但也只有汽车内胎压力(约为2000kN/m2)的1/1000左右,很容易达到。




气管(囊)式充气结构

这种结构隔热性能好,但工作压力稍大,对材料的强度、气密性等质量要求也较高,造价也比气承式充气结构高。


充气结构与其他结构混合使用,效果也很好。


充气结构自重轻, 造价低,便于装拆,特别适合跨度大的市场、展览、临时性的演出场地、比赛场馆等。


张拉膜

近年在旅游景点出现的张拉膜结构也是预应力概念的应用实例之一:



预应力锚杆

黄河小浪底工程

预防山体滑坡的预应力锚杆



关于预应力的概念(小结)

•预应力是加荷前预先施加给构件的应力;

•预应力仅仅只是一个力(不一定要预应力钢筋) ,例如, 用手搬书时就没有预应力钢筋;

•预应力充分利用了材料的抗压强度及抗拉强度,可提高混凝土的抗裂性,但不会提高构件的承载力;

•预应力引起的构件反拱可以抵消恒载的挠度,但对可变荷载引起的变形,几乎没有影响;

•预应力在构件中是一个内力,它不会使构件失稳,反而可提高构件的稳定性。例如,可对预制桩施加预应力 ,以提高运输和打桩时桩的稳定性;

•预应力的概念具有普遍意义,例如,悬索结构、膜结构、充气结构等。





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