趣味講解預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)原理,奏是這么easy!「卡本科技加固碳纖維板」
預(yù)應(yīng)力是指在構(gòu)件尚未作用外荷載前,預(yù)先對結(jié)構(gòu)施加的應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力一般與荷載引起的應(yīng)力相反。日常生活中應(yīng)用預(yù)應(yīng)力的例子很多。
木盆 (木 桶)
用環(huán)箍對木片施加預(yù)壓應(yīng)力,以抵消水產(chǎn)生的拉應(yīng)力。

搬書
用手施加預(yù)壓應(yīng)力,以抵消書自重產(chǎn)生的彎曲拉應(yīng)力。

1、用預(yù)應(yīng)力鋼筋對混凝土構(gòu)件施加預(yù)壓應(yīng)力
預(yù)應(yīng)力混凝土梁
在荷載作用下產(chǎn)生拉應(yīng)力的地方,預(yù)先用預(yù)應(yīng)力鋼筋對它施加壓應(yīng)力,來部分或全部抵消荷載產(chǎn)生的拉應(yīng)力。

施加預(yù)應(yīng)力
?可提高混凝土構(gòu)件的抗裂性;
?利用預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的反拱抵消恒載引起的撓度;
?更充分地利用高強鋼材的抗拉性能和高強混凝土的抗壓性能;
?可減小截面尺寸,減輕結(jié)構(gòu)自重,以便應(yīng)用到大跨和高層中。
2、用預(yù)應(yīng)力鋼筋對混凝土構(gòu)件施加預(yù)壓應(yīng)力

目前這種預(yù)彎型鋼組合簡支梁的跨度已達40m。若應(yīng)用二次澆筑,形成預(yù)彎型鋼組合連續(xù)梁,更能充分發(fā)揮這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性,最大跨度可達80m。
這種新型預(yù)應(yīng)力組合結(jié)構(gòu)自重輕、承載力高、撓度小、結(jié)構(gòu)高度小,又易于施工,在城市立交橋中有很好的應(yīng)用前景。
設(shè)想在兩山之間要建一座無筋混凝土橋:
?搭臨時支架,鋪預(yù)制混凝土塊;
?用一排千斤頂對預(yù)制混凝土塊施加預(yù)應(yīng)力;
?在千斤頂之間澆筑混凝土;?達到必要的強度后卸下千斤頂;
?在原千斤頂所占位置再補澆混凝土;
?拆下臨時支架,一座不用預(yù)應(yīng)力鋼筋的預(yù)應(yīng)力橋梁就建成了。(這和用手搬書的道理是一樣的)
3、預(yù)應(yīng)力是一個內(nèi)力
對一塊薄板施加預(yù)應(yīng)力會不會使薄板失穩(wěn)呢?
當壓桿有偶然偏心或偶然側(cè)向力作用而彎曲后,附加的力矩可能使構(gòu)件越來越彎曲,甚至導(dǎo)致破壞,這就是失穩(wěn)。軸向力作用下的薄板或長細桿件有可能發(fā)生失穩(wěn)。? ? ??
預(yù)應(yīng)力是一個內(nèi)力,當一塊預(yù)應(yīng)力薄板發(fā)生偶然彎曲后,預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的附加力矩以及彎曲后的預(yù)應(yīng)力筋對混凝土板的側(cè)壓力與偶然彎曲方向相反,將使構(gòu)件變直??梢?,預(yù)應(yīng)力不但不會使壓桿失穩(wěn),而且會使壓桿更加穩(wěn)定。這就不難理解為什么有時我們會對預(yù)制長柱、長樁施加預(yù)應(yīng)力了。
4、預(yù)應(yīng)力的其他應(yīng)用
預(yù)應(yīng)力的概念還有更普遍的意義。上面提到預(yù)應(yīng)力可使不能受拉的木盆拼縫“受拉”,同樣也可使抗拉強度很低的混凝土變得似乎可以承受很大的“拉應(yīng)力”。事實上,預(yù)應(yīng)力只是把受拉的過程轉(zhuǎn)變?yōu)轭A(yù)壓應(yīng)力減少的過程。
根據(jù)同樣的原理,也可施加預(yù)拉應(yīng)力,使不能受壓的材料變得似乎可以受壓。氣球薄膜本不能受壓,若充氣打壓先使薄膜承受拉應(yīng)力,只要預(yù)拉應(yīng)力足夠大,超過荷載作用下薄膜的壓應(yīng)力,則此結(jié)構(gòu)就可以承受荷載。

應(yīng)用此原理可以建造各式充氣結(jié)構(gòu)。

氣承式充氣結(jié)構(gòu),氣壓較低。取出頂部1m2的屋面來分析,薄膜材料一般自重不會超過q=100N/m2,只要內(nèi)部氣壓p>q,就可將薄膜托起。大家知道,一個標準大氣壓相當約10m水柱壓力,即100000N/m2,可見只要室內(nèi)氣壓比室外氣壓高出約1/1 000,就可把薄膜托起。這樣的壓差只用一個普通的鼓風(fēng)機就能實現(xiàn)。通常,這種氣承式充氣結(jié)構(gòu)只要在入口處采用密閉旋轉(zhuǎn)門,并用風(fēng)機不斷補氣,保持150~300N/m 2的氣壓差,就足以承受覆蓋層的重力,并使薄膜中保持一定的預(yù)應(yīng)力,以保證這種氣承式充氣結(jié)構(gòu)的整體剛度,室內(nèi)外壓差只有1.5/1000~3/1000,這一點誤差人們是感覺不到的。
氣管式充氣結(jié)構(gòu),又稱氣壓式充氣結(jié)構(gòu),氣管內(nèi)的氣壓約為1.5~2.0 kN/m2。這種氣管有一定的剛度和抗彎、抗壓能力,可用來作為拱圈組合成屋蓋。氣管式充氣結(jié)構(gòu)管內(nèi)壓力比氣承式結(jié)構(gòu)大得多,但也只有汽車內(nèi)胎壓力(約為2 000 kN/m2)的1/1 000左右,很容易達到。

這種結(jié)構(gòu)隔熱性能好,但工作壓力稍大,對材料的強度、氣密性等質(zhì)量要求也較高,造價也比氣承式充氣結(jié)構(gòu)高。
充氣結(jié)構(gòu)與其他結(jié)構(gòu)混合使用,效果也很好。
充氣結(jié)構(gòu)自重輕, 造價低,便于裝拆,特別適合跨度大的市場、展覽、臨時性的演出場地、比賽場館等。
張拉膜
近年在旅游景點出現(xiàn)的張拉膜結(jié)構(gòu)也是預(yù)應(yīng)力概念的應(yīng)用實例之一:

預(yù)應(yīng)力錨桿
黃河小浪底工程預(yù)防山體滑坡的預(yù)應(yīng)力錨桿

5關(guān)于預(yù)應(yīng)力的概念(小結(jié))
?預(yù)應(yīng)力是加荷前預(yù)先施加給構(gòu)件的應(yīng)力;
?預(yù)應(yīng)力僅僅只是一個力(不一定要預(yù)應(yīng)力鋼筋) ,例如,?用手搬書時就沒有預(yù)應(yīng)力鋼筋;
?預(yù)應(yīng)力充分利用了材料的抗壓強度及抗拉強度,可提高混凝土的抗裂性,但不會提高構(gòu)件的承載力;
?預(yù)應(yīng)力引起的構(gòu)件反拱可以抵消恒載的撓度,但對可變荷載引起的變形,幾乎沒有影響;
?預(yù)應(yīng)力在構(gòu)件中是一個內(nèi)力,它不會使構(gòu)件失穩(wěn),反而可提高構(gòu)件的穩(wěn)定性。例如,可對預(yù)制樁施加預(yù)應(yīng)力 ,以提高運輸和打樁時樁的穩(wěn)定性;
?預(yù)應(yīng)力的概念具有普遍意義,例如,懸索結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)、充氣結(jié)構(gòu)等。