预应力混凝土的基本知识.ppt

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1、第十章 预应力混凝土构件,预应力混凝土的基本知识 预应力混凝土轴心受拉构件的计算 预应力混凝土构件的构造要求,一、预应力混凝土的基本知识,（一）普通混凝土与预应力混凝土（二）施加预应力的方法（三）预应力混凝土使用的材料和机具（四）拉张控制应力（五）预应力损失及其组合,（一）普通混凝土与预应力混凝土,1、普通混凝土的缺点2、预应力混凝土的概念3、预应力混凝土构件的受力特征4、预应力混凝土的优缺点5、预应力混凝土的分类,（1）混凝土抗拉强度低，带裂缝工作。不开裂 s=2030N/mm2；达到钢筋的强度时，早已开裂，裂缝宽度已达0.20.3mm，影响耐久功能，刚度，疲劳性；,1、普通混凝土的缺点,（

2、2）在防渗、抗腐蚀时易出现问题。一旦裂缝出现，不能有效防渗；裂缝出现后使其不能充分发挥钢筋保护层的功效,（3）为满足变形和裂缝要求，增加截面尺寸，自重过大。,（4）不能充分利用高强度钢筋。利用高强度钢筋，裂缝会更大,钢筋混凝土受拉与受弯等构件，由于混凝土抗拉强度及极限拉应变值都很低，所以在使用荷载作用下，通常是带裂缝工作的。对使用上不允许开裂的构件，不能充分利用受拉钢筋的强度。为了要满足变形和裂缝控制的要求，则需增大构件的截面尺寸和用钢量，这将导致自重过大，使钢筋混凝土结构用于大跨度或承受动力荷载的结构成为不可能或很不经济。因而，钢筋混凝土结构中采用高强度钢筋是不能发挥其作用的。而提高混凝土强

3、度等级对提高构件的抗裂性能和控制裂缝宽度的作用也不大。,2、预应力混凝土的概念,预应力混凝土结构就是构件在承受外荷载之前，人为地预先通过张拉钢筋对结构使用阶段产生拉应力的混凝土区域施加压力，构件承受外荷载后，此项预压应力将抵消一部分或全部由外荷载所引起的拉应力，从而推迟裂缝的出现和限制裂缝的开展。,2、预应力混凝土的概念,（1）提高了构件的抗裂性；（2）预应力的大小可根据需要调整；（3）在使用荷载下，预应力砼构件基本处于弹性工作阶段(未裂)；（4）施加预应力对构件的正截面承载力无明显影响；,3、预应力混凝土构件的受力特征,预应力混凝土结构的主要优点是：提高构件的抗裂度，改善了构件的受力性能。因

4、此适用于对裂缝要求严格的结构；充分利用高强度材料的性能，扩大了构件的使用范围。由于采用了高强度混凝土和钢筋，从而节省材料和减轻结构自重，因此适用于跨度大或承受重型荷载的构件；提高了构件的刚度，减少构件的变形，因此适用于对构件的刚度和变形控制较高的结构构件；提高了结构或构件的耐久性、耐疲劳性和抗震能力。,4、预应力混凝土的优缺点,预应力混凝土结构的缺点是：需要增设施加预应力的设备，制作技术要求较高，施工周期较长；成本高，材料质量要求高，工序复杂；延性较普通钢筋混凝土结构要差些。,4、预应力混凝土的优缺点,裂缝控制等级 结构构件正截面的裂缝控制等级分为三级。裂缝控制等级的划分应符合下列规定：一级严

5、格要求不出现裂缝的构件，按荷载效应标准组合计算时，构件受拉边缘混凝土不应产生拉应力；二级一般要求不出现裂缝的构件，按荷载效应标准组合计算时，构件受拉边缘混凝土拉应力不应大于混凝土轴心抗拉强度标准值；按荷载效应准永久组合计算时，构件受拉边缘混凝土不宜产生拉应力，当有可靠经验时可适当放松；三级允许出现裂缝的构件，按荷载效应标准组合并考虑长期作用影响计算时，构件的最大裂缝宽度不应超过规定的最大裂缝宽度限值。,5、预应力混凝土的分类,5、预应力混凝土的分类,裂缝控制等级 三级允许出现裂缝的构件，按荷载效应标准组合并考虑长期作用影响计算时，构件的最大裂缝宽度不应超过规定的最大裂缝宽度限值。,根据预加应力

6、值大小对构件截面裂缝控制程度的不同来分类,5、预应力混凝土的分类,全预应力混凝土 全预应力混全凝土是指在使用荷载作用下构件截面上均不允许出现拉应力的预应力混凝土构件。大致相当于裂缝控制等级为一级的构件。,限值预应力混凝土 限值预应力混凝土是按在短期荷载作用下，容许混凝土承受某一规定拉应力值，但在长期荷载作用下，混凝土不得受拉要求设计的预应力混凝土构件。相当于裂缝控制等级为二级的构件。,5、预应力混凝土的分类,部分预应力混凝土 部分预应力混凝土是按在使用荷载作用下，容许出现裂缝，但最大裂宽不超过允许值要求设计的预应力混凝土构件。相当于裂缝控制等级为三级的构件。,全预应力混凝土构件具有抗裂性和抗疲

7、劳性好、刚度大等优点，但也存在构件反拱值过大，延性差，预应力钢筋配筋量大，施加预应力工艺复杂、费用高等主要缺点。因此适当降低预应力，做成限值或部分预应力混凝土构件，即克服了上述全预应力的缺点，同时又可以用预应力改善钢筋混凝土构件的受力性能。限值或部分预应力混凝土介于全预应力混凝土和钢筋混凝土之间，有很大的选择范围，设计者可根据结构的功能要求和环境条件，选用不同的预应力值以控制构件在使用条件下的变形和裂缝，并在破坏前具有必要的延性，因而是当前预应力混凝土结构的一个主要发展趋势。,5、预应力混凝土的分类,（二）施加预应力的方法,1、先张法2、后张法3、适用范围和各自的优缺点,张拉钢筋 支模、浇砼

8、砼达到一定强度放松钢筋 产生预应力,1、先张法,先张法就是张拉钢筋先于混凝土构件浇筑成型的方法。先张法构件中，预应力是靠钢筋和混凝土之间的黏结力传递，但是这种力的传递过程，需要经过一段传递长度 ltr才能完成。,1、先张法,1、先张法,预应力钢筋的传递长度l tr,钢筋的内缩受到周围混凝土的阻止,钢筋受拉,混凝土受压,通过粘结力进行传递,粘结长度增加，钢筋预拉应力s p及混凝土预压应力s c增加，粘结长度增加到一定的值时，粘结力和预拉力保持平衡，这一长度外，钢筋达到稳定的预拉应力，混凝土达到有效的预压应力，这一长度称为预应力钢筋的传递长度l tr,1、先张法,规范规定，先张法构件预应力钢筋的预

9、应力传递长度ltr应按下列公式计算：,pe-放张时预应力钢筋的有效预应力；d-预应力钢筋的公称直径；-预应力钢筋的外形系数；ftk-与放张时混凝土立方体抗压强度fcu相应的轴心抗拉强度标准值。,2、后张法,浇砼，预留孔道达到强度，穿筋张拉钢筋，锚固拆除张拉设备，孔道灌浆,后张法就是在构件浇筑成型后再张拉钢筋的施工方法。后张法构件中，预应力主要靠钢筋端部的锚具来传递。,2、后张法,先张法优点：工序少、工艺简单、质量易保证。适合于成批中小型预应力构件，生产不耗锚具、成本低。缺点：需成批钢模，养护池，一次性投资大；适用于直线型面筋，对于曲线布置较困难,3、适用范围和各自的优缺点,后张法优点：后张法直

10、接在构件上张拉，可布置钢筋的形状多样；不需要台座，比较灵活，适用于现场制作，块体拼接。缺点：永久性锚具量大；工序复杂，施工周期长。,（三）预应力混凝土使用的材料和机具,1、预应力混凝土结构对钢筋的要求 2、预应力混凝土结构对混凝土的要求3、预应力混凝土的锚具,高强度 预应力混凝土构件在制作和使用过程中，由于种种原因，会出现各种预应力损失，为了在扣除预应力损失后，仍然能使混凝土建立起较高的预应力值，需采用较高的张拉应力，因此预应力钢筋必须采用高强钢筋（丝）；具有一定的塑性 为防止发生脆性破坏，要求预应方钢筋在拉断时，具有一定的伸长率；良好的加工性能 即要求钢筋有良好的可焊性。与混凝土之间有较好的

11、粘结强度 先张法构件的预应力传递是靠钢筋和混凝土之间的粘结力完成的，因此需要有足够的粘结强度。,1、预应力混凝土结构对钢筋的要求,强度高 预应力混凝土只有采用较高强度的混凝土，才能建立起较高的预压应力，并可减少构件截面尺寸，减轻结构自重。对先张法构件，采用较高强度的混凝土可以提高粘结强度，对后张法构件，则可承受构件端部强大的预压力；收缩、徐变小 这样可以减少由于收缩、徐变引起的预应力损失；快硬、早强 这样可以尽早施加预应力，加快台座、锚具、夹具的周转率，以利加快施工进度，降低间接费用。,2、预应力混凝土结构对混凝土的要求,3、预应力混凝土的锚具,1、螺丝杆端锚具,2、锥形锚具,3、墩头锚具,4

12、、夹具式锚具,4、夹具式锚具,5、波纹管,金属波纹管是用镀锌或不镀锌薄钢带用卷管机经压波、螺旋折叠咬口制成，具有重量轻，刚度好、弯折方便、连接简单、摩擦系数小与混凝土粘结性好等优点，是后张预应力筋孔道成型用的理想材料。塑料波纹管用于后张预应力混凝土结构，用作预应力筋的孔道成型。具有如下特点：（1）具有良好的耐腐蚀性，提高预应力筋的防腐保护；（2）具有良好的物理性能，不导电，可防止杂散电流腐蚀，密封性能好，不生锈，荷载下，不渗透，强度高，刚度大，抗冲击性好，不怕踩压；（3）减少张拉过程中的预应力的摩擦损失。,张拉控制应力是指张拉预应力钢筋时所控制的最大应力值，其值为张拉设备所控制的总的张拉力除以

13、预应力钢筋面积得到的应力值。con也不能定得过低，它应有下限值。否则预应力钢筋在经历各种预应力损失后，对混凝土产生的预压应力过小，达不到预期的抗裂效果。从充分发挥预应力优点的角度考虑，张拉控制应力宜尽可能地定得高一些，con定得高，形成的有效预压应力高，构件的抗裂性能好，且可以节约钢材，但如果控制应力过高，会出现一些问题。,（四）拉张控制应力,但如果控制应力过高，会出现以下问题：con越高，构件的开裂荷载与极限荷载越接近，使构件在破坏前无明显预兆，构件的延性较差。在施工阶段会使构件的某些部位受到拉力甚至开裂，对后张法构件有可能造成端部混凝土局部受压破坏。有时为了减少预应力损失，需对钢筋进行超张

14、拉，由于钢材材质的不均匀，可能使个别钢筋的应力超过它的实际屈服强度，而使钢筋产生较大塑性变形或脆断，使施加的预应力达不到预期效果。,（四）拉张控制应力,预应力钢筋的张拉控制应力值con不宜超过下表规定的张拉控制应力限值，且不应小于0.4fptk,（四）拉张控制应力,当符合下列情况之一时，表中的张拉控制应力限值可提高0.05fptk：1、要求提高构件在施工阶段的抗裂性能而在使用阶段受压区内设置的预应力钢筋；2、要求部分抵消由于应力松驰、摩擦、钢筋分批张拉以及预应力钢筋与张拉台座之间的温差等因素产生的预应力损失。,（四）拉张控制应力,先张法构件的con值适当高于后张法构件，原因在于先张法的张拉力是

15、由台座承受，预应力钢筋受到实足的张拉力，当放松钢筋时，混凝土受到压缩，钢筋随之缩短，从而使预应力钢筋中的应力有所降低，而后张法的在拉过程中，构件受压后立即缩短，所以张拉设备所指示的控制应力是已扣除混凝土弹性压缩后的钢筋应力，为了使两种方法所得预应力保持在相同水平，故后张法的con应适当低于先张法。,冷拉热轧钢筋塑性较好，有明显的流幅，以屈服强度作为标准值，故con定得高，冷拔低碳钢丝、钢绞线、热处理钢筋属于无明显流幅的钢筋，塑性差，且以极限抗拉强度作为标准值，故con定得低。,张拉控制应力大小的确定与预应力钢筋的品种和施加预应力的方法有关。,（四）拉张控制应力,（五）预应力损失及其组合,1、预

16、应力钢筋与孔道壁之间摩擦引起的预应力损失l22、锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失l1 3、受张拉的钢筋与承受拉力的设备之间温差引起的损失l3 4、钢筋应力松弛引起的预应力损失l45、混凝土的收缩、徐变引起的预应力损失l5 6、螺旋式预应力钢筋作配筋的环形构件由于混凝土的局部挤压引起的预应力损失l67、预应力损失值的组合,式中 k考虑孔道局部偏差对摩擦影响的系数；x张拉端至计算截面的孔道长度，可近似取该孔道在纵轴上的投影长度；预应力钢筋与孔道壁的摩擦系数；从张拉端至计算截面曲线型孔道部分切线的夹角（以弧度）。,1、预应力钢筋与孔道壁之间摩擦引起的预应力损失 l2,预应力钢筋与孔道壁之间的法向应

17、力引起的摩擦,损失原因,孔道位置与设计位置不符引起的摩擦,计算方法,1、预应力钢筋与孔道壁之间摩擦引起的预应力损失 l2,减少该项损失的措施：,对较长的构件可在两端进行张拉；采用超张拉，张拉程序可采用。,当第一次张拉至1.1con时，预应力钢筋应力沿EHD分布，当张拉应力降至0.85con，由于钢筋回缩受到孔道反向摩擦力的影响，预应力沿FGHD分布，当再张拉至con时，钢筋应力沿CFGHD分布，可见，超张拉钢筋中的应力比一次张拉至con的应力分布均匀，预应力损失要小一些。,1、预应力钢筋与孔道壁之间摩擦引起的预应力损失 l2,直线,曲线（圆弧形）,a回缩量,l 张拉端锚固端距离,2、锚具变形和

18、钢筋内缩引起的预应力损失l1,lf 反向摩擦影响长度(m)；rc 曲线的曲率半径,k 摩擦系数；x 张拉端至计算截面的距离 x lf,2、锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失l1,块体拼成的结构，其预应力损失尚应计算块体间填缝的预压变形。当采用混凝土或砂浆为填缝材料时，每条填缝的预压变形值可取为1mm。,注：台座超过100m，l1可忽略不计，每条填缝预压变形值为1mm。,2、锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失l1,减少此项损失的措施有：选择变形小或预应力钢筋内缩小的锚具，尽量减少垫板数；对先张法构件，选择长台座。,为了缩短先张法构件的生产周期，混凝土常采用蒸汽养护办法。升温时，新浇的混凝土尚未结

19、硬，预应力筋与台座之间的温差t使钢筋受热自由伸长，但两端的台座是固定不动的，即距离保持不变，于是钢筋就松了，钢筋的应力降低；降温时，预应力钢筋与混凝土已粘结成整体，加上两者的温度线膨胀系数相近，二者能够同步回缩，放松钢筋时因温度上升钢筋伸长的部分已不能回缩，因而产生了温差损失。仅先张法构件有该项损失。,l3=2t（N/mm2）,3、受张拉的钢筋与承受拉力的设备之间温差引起的损失l3,取,减少此项损失的措施有：采用二次升温养护。先在常温下养护至混凝土强度等级达到C7.5C10，再逐渐升温至规定的养护温度，这时可认为钢筋与混凝土已结成整体，能够一起胀缩而不引起预应力损失;在钢模上张拉预应力钢筋。由

20、于钢模和构件一起加热养护，升温时两者温度相同，可不考虑此项损失。,3、受张拉的钢筋与承受拉力的设备之间温差引起的损失l3,钢筋的应力松弛是指钢筋在高应力作用下及钢筋长度不变条件下，其应力随时间增长而降低的现象。,钢筋应力松弛有以下特点：应力松弛与时间有关。开始快，以后慢，一小时为50%，一天完成80%，；应力松弛与钢材品种有关。冷拉钢筋、热处理钢筋的应力松弛损失比碳素钢丝、冷拔低碳钢丝、钢绞线要小；应力松弛与张拉控制应力有关。张拉控制应力con高，应力松弛大。,4、钢筋应力松弛引起的预应力损失l4,4、钢筋应力松弛引起的预应力损失l4,l4的计算,采用超张拉可使应力松弛损失有所降低。超张拉程序

21、为:,因为在较高应力下持荷两分钟所产生的松弛损失与在较低应力下经过较长时间才能完成的松弛损失大体相当，所以经过超张拉后再张拉至con时，一部分松弛损失已完成。,4、钢筋应力松弛引起的预应力损失l4,混凝土结硬时产生体积收缩，在预应力作用作用下，沿压力方向混凝土会发生徐变，这都会使构件缩短，构件中的预应力钢筋跟着回缩，造成预应力损失。,5、混凝土的收缩、徐变引起的预应力损失l5,先张法构件,后张法构件,后张法构件收缩徐变损失比先张法构件小，原因是后张法构件在施加预应力时，混凝土的收缩已完成一部分。以上公式适用于一般相对湿度环境，高湿度环境下，l5，l5应降低，反之则增加，当结构处于年平均相对湿度

22、低于40%的环境下，l5及l5值应增加30%。,pc,pc分别为完成第一批预应力损失后受拉区、受压区预应力钢筋合力点处混凝土法向压应力；fcu施加预应力时混凝土的实际立方体抗压强度。一般fcu不等于构件混凝土的立方体强度fcu，但要求 fcu0.75 fcu；，受拉区、受压区预应力钢筋和非预应力钢筋的配筋率。,5、混凝土的收缩、徐变引起的预应力损失l5,先张法构件,后张法构件,Ap,Ap分别为受拉区和受压区预应力钢筋截面面积，对称配筋的构件，取，此时配筋率应按钢筋截面面积的一半进行计算；A0,An分别为混凝土换算截面积、净截面面积。,减少此项损失的措施有：采用高标号水泥，减少水泥用量，降低水灰

23、比；采用级配良好的骨料，加强振捣，提高混凝土的密实性；加强养护，以减少混凝土的收缩，控制混凝土应力pc，要求,以防止发生非线性徐变。,5、混凝土的收缩、徐变引起的预应力损失l5,当D3m，l6=30MPa当D3m，l6=0。此处D为环形构件的直径。仅后张法有这项损失。,6、螺旋式预应力钢筋作配筋的环形构件由于混凝土的局部挤压引起的预应力损失l6,后张法中，用螺旋式预应力钢筋作配筋的环形构件：电杆、水池、压力管道等。由于预应力钢筋对砼的挤压，使环形构件的直径减小，钢筋松驰，引起l6 l6与环形构件的直径的有关，直径越小，l6越大,为了计算方便，规范把预应力损失分为两批，混凝土受预压前产生的预应力

24、损失为第一批预应力损失l，而混凝土受预压后产生的预应力损失为第二批预应力损失l。,各阶段预应力损失值的组合 预应力损失值的组合 先张法 混凝土预压前（第一批）的损失l l1+l2+l3+l4 混凝土预压后（第二批）的损失 l l5,7、预应力损失值的组合,为了计算方便，规范把预应力损失分为两批，混凝土受预压前产生的预应力损失为第一批预应力损失l，而混凝土受预压后产生的预应力损失为第二批预应力损失l。,各阶段预应力损失值的组合 预应力损失值的组合 后张法构件 混凝土预压前（第一批）的损失l l1+l2 混凝土预压后（第二批）的损失 l l4+l5+l6,7、预应力损失值的组合,为了计算方便，规范把预应力损失分为两批，混凝土受预压前产生的预应力损失为第一批预应力损失l，而混凝土受预压后产生的预应力损失为第二批预应力损失l。,7、预应力损失值的组合,