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在工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件承受外荷載之前,對(duì)受拉模塊中的鋼筋，施加預(yù)壓應(yīng)力，提高構(gòu)件的剛度，推遲裂縫出現(xiàn)的時(shí)間,增加構(gòu)件的耐久性。對(duì)于機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)看，其含義為預(yù)先使其產(chǎn)生應(yīng)力，其好處是可以提高構(gòu)造本身剛性，減少振動(dòng)和彈性變形這樣做可以明顯改善受拉模塊的彈性強(qiáng)度，使原本的抗性更強(qiáng)。

在結(jié)構(gòu)承受外荷載之前，預(yù)先對(duì)其在外荷載作用下的受拉區(qū)施加壓應(yīng)力，以改善結(jié)構(gòu)使用的性能的結(jié)構(gòu)型式稱之為預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。

如木桶，在還沒(méi)裝水之前采用鐵箍或竹箍套緊桶壁，便對(duì)木桶壁產(chǎn)生一個(gè)環(huán)向的壓應(yīng)力，若施加的壓應(yīng)力超過(guò)水壓力引起的拉應(yīng)力，木桶就不會(huì)開(kāi)裂漏水。在圓形水池上作用預(yù)應(yīng)力就像木桶加箍一樣。同樣，在受彎構(gòu)件的荷載加上去之前給構(gòu)件施加預(yù)應(yīng)力就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)和與荷載作用產(chǎn)生的變形相反的變形，荷載要構(gòu)件沿作用方向發(fā)生變形之前必須最先把這個(gè)與荷載相反的變形抵消，才能繼續(xù)使構(gòu)件沿荷載方向發(fā)生變形。這樣，預(yù)應(yīng)力就像給構(gòu)件多施加了一道防護(hù)一樣。

預(yù)應(yīng)力是任何膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的必要荷載，按長(zhǎng)期荷載考慮，同恒載效應(yīng)分析。膜結(jié)構(gòu)中預(yù)應(yīng)力是一個(gè)十分復(fù)雜的因素，主要與膜材、建筑形式、安裝方法等有關(guān)。

膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可采用下列方法合理施加預(yù)應(yīng)力:在邊緣直接張緊膜面(如圖a);拉緊周圍邊索(如圖b);拉緊穩(wěn)定索(如圖c);頂升中間支柱(如圖d)。

體外預(yù)應(yīng)力是后張預(yù)應(yīng)力體系的重要分支之一,體外預(yù)應(yīng)力砼結(jié)構(gòu)有很多優(yōu)點(diǎn)，預(yù)應(yīng)力筋套管布置簡(jiǎn)單，調(diào)整容易，簡(jiǎn)化了后張法的操作程序，大大縮短了施工時(shí)間;同時(shí)由于預(yù)應(yīng)力筋布置于腹板外面，使得澆筑砼方便;由于預(yù)應(yīng)力筋的位置，減少了施工過(guò)程中的摩擦損失且更換預(yù)應(yīng)力筋方便易行。但目前國(guó)內(nèi)對(duì)這一方面的研究很少，對(duì)于體外預(yù)應(yīng)力筋的受力性能研究不多，因此為了使得體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)得到更大的使用，有必要對(duì)這一結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行研究。體外和體內(nèi)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)構(gòu)造上的根本區(qū)別就是預(yù)應(yīng)力筋位于混凝土結(jié)構(gòu)的外部，僅在錨固及轉(zhuǎn)向塊處可能與結(jié)構(gòu)相連，因此，體外索的應(yīng)力是由結(jié)構(gòu)的整體變形所決定的;而在體內(nèi)有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中，力筋位于混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，與結(jié)構(gòu)完全粘結(jié)，在任意截面處都與結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)，因此力筋的應(yīng)力是與某個(gè)混凝土截面息息相關(guān)的。傳統(tǒng)上來(lái)說(shuō)，體內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋是不被看作一個(gè)單獨(dú)構(gòu)件的。而體外筋在混凝土體外，自然成為一個(gè)相對(duì)于組成結(jié)構(gòu)整體的單獨(dú)構(gòu)件，其較體內(nèi)筋要重要許多。所以在承受動(dòng)力荷載的體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，必須考慮到體外筋與結(jié)構(gòu)是獨(dú)立振動(dòng)的，應(yīng)防止二者共振，而且當(dāng)體外預(yù)應(yīng)力筋在動(dòng)力荷載(如車輛等)作用下發(fā)生共振時(shí)，就易發(fā)生錨具的疲勞破壞和轉(zhuǎn)向構(gòu)件處的預(yù)應(yīng)力筋的彎折疲勞破壞。在地震區(qū)時(shí)設(shè)計(jì)還必須考慮采取相應(yīng)措施，提高體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的抗震性能。如圖為某橋體外預(yù)應(yīng)力的布置形式。

1、截面計(jì)算和預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算

體外預(yù)應(yīng)力鋼筋與混凝土截面變形不協(xié)調(diào)，在應(yīng)力計(jì)算中不能將體外預(yù)應(yīng)力鋼束面積計(jì)入換算截面的特征。

由于管道在結(jié)構(gòu)體外，直線段體外預(yù)應(yīng)力鋼束的摩阻損失小，幾乎可以忽略不計(jì)，而曲線段體外預(yù)應(yīng)力鋼束的摩擦系數(shù)與采用的體外預(yù)應(yīng)力鋼束類型有關(guān)。

由于截面變形造成的預(yù)應(yīng)力損失需根據(jù)體外預(yù)應(yīng)力體系與結(jié)構(gòu)的粘結(jié)關(guān)系來(lái)計(jì)算。這部分包括混凝土彈性壓縮損失和混凝土徐變、收縮引起的預(yù)應(yīng)力損失。若體外預(yù)應(yīng)力鋼束為無(wú)粘結(jié)形式，則這部分損失計(jì)算與錨固點(diǎn)間相對(duì)位移差有關(guān)。故其計(jì)算方法與體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束不同。

2、體外預(yù)應(yīng)力鋼束在轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)處的滑移

體外預(yù)應(yīng)力鋼束在轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)處是否產(chǎn)生滑移以及由于滑移引起的應(yīng)力重分布，需根據(jù)體外預(yù)應(yīng)力體系與結(jié)構(gòu)的粘結(jié)關(guān)系來(lái)判斷。若鋼束在轉(zhuǎn)向點(diǎn)固定，則體外預(yù)應(yīng)力鋼束在轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)處無(wú)滑移發(fā)生;若在轉(zhuǎn)向處可以滑移，則需要根據(jù)轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)兩端的鋼束拉力差和鋼束在轉(zhuǎn)向處的摩阻來(lái)判斷是否發(fā)生滑移。

3、體外預(yù)應(yīng)力鋼束的二次效應(yīng)

體外預(yù)應(yīng)力鋼束僅在錨固和轉(zhuǎn)向位置處，才能與結(jié)構(gòu)的豎向位移相協(xié)調(diào)，豎向約束點(diǎn)越少，結(jié)構(gòu)變形時(shí)體外預(yù)應(yīng)力鋼束偏離原位置就越多，這就是體外預(yù)應(yīng)力鋼束的二次效應(yīng)。二次效應(yīng)是體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在彈性階段區(qū)別于體內(nèi)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的特征之一。由于二次效應(yīng)考慮的是體外預(yù)應(yīng)力鋼束與結(jié)構(gòu)豎向變形的差異，故這種效應(yīng)是非線性的，對(duì)二次效應(yīng)的研究必須考慮結(jié)構(gòu)的非線性影響。

體外預(yù)應(yīng)力在有限元計(jì)算中的實(shí)現(xiàn)

目前體外預(yù)應(yīng)力的有限元計(jì)算主要有兩種方法:

1、以等效荷載的形式添加體外預(yù)應(yīng)力;

2、單獨(dú)建立體外束單元的方式實(shí)現(xiàn)。

方法1能近似的計(jì)算預(yù)應(yīng)力損失，但無(wú)法考慮轉(zhuǎn)向塊的作用(粘結(jié)滑移)，且由于方法1是以荷載形式表達(dá)的(沒(méi)有實(shí)際的結(jié)構(gòu))，所以難以考慮鋼束的二次效應(yīng)。

方法2用結(jié)構(gòu)來(lái)模擬預(yù)應(yīng)力，因此能較好的考慮鋼束的二次效應(yīng)，但預(yù)應(yīng)力損失的計(jì)算與轉(zhuǎn)向塊的模擬存在一定的技術(shù)門檻，但是這并不是不能克服的，這一點(diǎn)在WISEPLUS中已經(jīng)提供了相關(guān)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。155-0307-8751