基于混凝土力学的预应力构件性能研究

摘要

预应力混凝土构件在建筑、桥梁等工程领域有着十分广泛的应用，因其施加预应力后可采用较小截面尺寸，能显著减轻结构自重，故而广泛应用于大跨度结构。预应力混凝土构件正截面承载力计算是预应力构件设计的基础，现行混凝土结构设计规范正截面承载力计算公式是基于试验得出的，在实际应用中其合理性得到了检验，但其缺乏明确的力学概念，不易理解。 本文运用混凝土力学方法，在正截面承载力计算相关假定的基础上，建立预应力混凝土轴心受拉和受弯构件正截面承载力计算的物理条件、几何条件和平衡条件，根据受力变形不同阶段的特点，联立解方程得到相关物理量的计算公式。文中还用有限元软件ANSYS模拟了预应力混凝土梁从施加预应力到破坏的全过程，得到了荷载一挠度曲线，还就中美两国规范在预应力混凝土构件承载力计算及设计方面的异同进行了对比，最后将上述研究成果整理成预应力混凝土构件正截面承载力计算的网络课程文本。在分析过程中得出以下结论： 1．运用混凝土力学方法得到了预应力混凝土轴心受拉构件的消压轴力、开裂轴力和极限承载力公式，并发现构件开裂瞬间的应变增量和预应力钢筋的应力增量由于预应力的施加，相对于钢筋混凝土构件都有所减小。 2．运用混凝土力学方法得到了预应力混凝土受弯构件的消压弯矩、开裂弯矩和极限承载力弯矩计算公式，并与规范介绍的计算公式进行了比较，两者计算结果比较接近。 3．运用有限元软件分析了预应力混凝土梁从施加预应力到破坏的全过程，预应力作用下的反拱，自重作用下跨中挠度减小，荷载作用下跨中挠度为零、混凝土开裂、预应力钢筋屈服、构件破坏等特征点的荷载值均可与理论值进行验证。 4．通过中美规范在预应力混凝土受弯构件正截面承载力计算及截面设计方面的对比，得出材料用量及安全储备方面的差别。 5．基于以上研究编写的预应力混凝土构件正截面承载力网络课程以混凝土力学方法为先导，规范和有限元仿真试验为辅，实现了与传统教材不同的课程体系及内容。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1概述

1.2预应力混凝土结构在国内外的发展

1.2.1国外预应力混凝土结构的发展概况

1.2.2国内预应力混凝土结构的发展概况

1.3预应力混凝土结构的研究现状

1.3.1国外预应力混凝土结构的研究现状

1.3.2国内预应力混凝土结构的研究现状

1.4本文研究的目的、内容和方法

第2章预应力混凝土轴心受拉构件力学性能分析

2.1简介

2.2预应力混凝土轴心受拉构件正截面力学分析

2.2.1消压前阶段

2.2.2开裂前阶段

2.2.3带裂缝工作阶段

2.2.4破坏阶段

2.3本章小结

第3章预应力混凝土受弯构件正截面力学分析

3.1简介

3.2预应力混凝土受弯构件正截面力学分析

3.2.1施加预应力阶段

3.2.2混凝土消压状态

3.2.3截面下边缘混凝土开裂前阶段

3.2.4开裂弯矩

3.2.5开裂后阶段

3.2.6预应力钢筋屈服

3.2.7破坏阶段

3.3力学分析公式与规范公式的比较

3.3.1开裂弯矩计算公式的比较

3.3.2极限承载力公式的比较

3.4本章小结

第4章预应力混凝土梁的有限元分析

4.1简介

4.2试验介绍

4.3有限元模型

4.3.1单元类型

4.3.2实常数

4.3.3材料属性

4.3.4 ANSYS建模

4.3.5网格划分

4.3.6合并与压缩

4.3.7约束与加载

4.3.8求解

4.4计算结果

4.4.1施加有效预应力阶段

4.4.2自重荷载

4.4.3第一次施加集中荷载的计算结果

4.4.4初始开裂

4.4.5混凝土受弯开裂直至预应力钢筋屈服

4.4.6构件破坏时的极限状况

4.5本章小结

第5章中美规范关于预应力混凝土受弯构件正截面承载力计算与设计

5.1简介

5.2材料强度取值的区别

5.2.1混凝土的强度取值

5.2.2钢材强度取值

5.3承载力极限状态设计方法

5.4承载力极限状态设计的荷载效应组合

5.5正截面承载力计算的一般规定

5.5.1计算基本假定

5.5.2混凝土应力

5.5.3预应力钢筋的应力

5.6矩形截面正截面受弯承载力计算

5.6.1基本计算公式

5.6.2适用条件

5.7矩形截面正截面受弯承载力计算算例

5.8预应力混凝土受弯构件设计

5.8.1预应力混凝土受弯构件设计中的混凝土应力控制

5.8.2基于混凝土应力极限的受弯构件设计方法

5.9预应力混凝土构件设计算例

5.10本章小结

第6章预应力混凝土构件网络课程

6.1网络课程简介

6.2混凝土结构网络课程

6.2.1武汉理工大学混凝土结构网络课程的发展

6.2.2基于混凝土力学的预应力混凝土构件正截面网络课程文本

6.3本章小结

第7章结论与展望

7.1结论

7.2有待进一步研究的问题

参考文献

致谢

附录