预应力混凝土的原理及计算规定

预应力混凝土结构PrestressedConcreteStructure第十章预应力混凝土的原理及计算规定10.1预应力混凝土的概念(ConceptofPRC)一、钢筋混凝土的缺欠qk=10kN/mL0跨度为5.2m的简支梁，截面尺寸为200×450mm2，作用均布活荷载标准值qk=10kN/m，均布恒荷载gk=5kN/m。跨度增加一倍跨度增加两倍采用高强钢筋L05.2m10.4m20.8m5.2mb×h200×450400×900800×1900200×450自重gk5kN20kN80kN5kNM67.6kN.m513.96kN.m5948.8kN.m67.6kN.mfyⅡ级310Ⅱ级310Ⅱ级310冷拉Ⅳ级580As603mm22106mm212650mm2308mm2Ms50.7kN.m405.6kN.m4867.2kN.m50.7kN.m[f]=3000L16.4=3170L38.1=2730L88.8=2340L32.2=5.1610Lss232MPa264MPa453MPa[wmax]=0.30.250.40.75★产生上述问题原因主要是因为混凝土的抗拉强度太低，导致受拉区混凝土过早开裂，截面抗弯刚度显著降低。★钢筋混凝土梁应用于大跨度结构时，如为增加刚度而加大截面尺寸，会导致自重进一步增大，形成恶性循环。★如增加钢筋来提高刚度，则钢材的强度得不到充分利用，造成浪费。★采用高强钢筋，按正截面承载力要求可减少配筋，截面抗弯刚度基本与配筋面积成比例降低，故挠度变形控制难以满足。★裂缝宽度与钢筋应力基本成正比，一般Ms=(0.6~0.8)My，如配筋按正截面承载力计算，Ms下ss=(0.5~0.7)fy。对于Ⅱ级钢筋，fy=300MPa，ss=150~210MPa，裂缝宽度已达(0.15~0.25)mm。如采用Ⅵ级高强钢筋，fy=580MPa，则ss=290~406MPa，裂缝宽度已远远超过容许限值。解决办法：采用预应力混凝土二、预应力混凝土的定义：定义：对在荷载作用下的受拉区混凝土预先施加一定的预压力，使其在受力时能部分或全部抵消由荷载产生的拉力。美国混凝土协会（ACI）定义：预应力混凝土是根据需要人为地引进入某一数值与分布的内应力，用以全部或部分抵消外荷载应力的一种加筋混凝土。实质：是利用混凝土较高的抗压强度来弥补其抗拉强度的不足。实现方法：通过张拉构件内部的钢筋实现。被张拉的钢筋称为预应力钢筋。2hIeNANppppc2hIMc)2(2hIeNANhIMppppccb0pcc)2(2hIeNANhIMppppccbtkpccf0tkpccf由于预加应力pc较大，受拉边缘仍处于受压状态，不会出现开裂；受拉边缘应力虽然受拉，但拉应力小于混凝土的抗拉强度，一般不会出现开裂；受拉边缘应力超过混凝土的抗拉强度，虽然会产生裂缝，但比钢筋混凝土构件（Np=0）的开裂明显推迟，裂缝宽度也显著减小。预应力混凝土构件的受力特征提高了构件的抗裂性；预应力的大小可根据需要调整。在使用荷载下，预应力混凝土构件基本处于弹性工作阶段(未裂)。施加预应力对构件的正截面承载力无明显影响。预应力混凝土的优、缺点优点：b.增大了构件的刚度，减小挠度，耐久性好，耐疲劳，提高抗剪承载力。c.充分利用高强度材料的性能。预应力筋NuNPyd.扩大了构件的使用范围：减轻自重，加大跨度，提高适用能力。缺点：成本高，材料质量要求高，工序复杂，技术水平要求高。a.提高构件的抗裂能力。预应力混凝土的分类根据制作、设计和施工的特点，预应力混凝土可以有不同的分类：1.先张法和后张法钢筋张拉先于混凝土浇筑——先张法钢筋张拉后于混凝土浇筑——后张法在使用荷载作用下构件截面部分受压——部分预应力2.全预应力和部分预应力在使用荷载作用下构件截面全截面受压——全预应力有粘结预应力：预应力筋与周围的混凝土粘结、握裹在一起的预应力混凝土结构。——钢筋和混凝土之间有粘结力。无粘结预应力：预应力钢筋与混凝土之间滑动自由，不与周围混凝土粘结的预应力混凝土结构。3.有粘结预应力和无粘结预应力预应力混凝土构件的应用下列结构物宜优先采用预应力混凝土：（1）要求裂缝控制等级较高的结构；（2）大跨度或受力很大的构件；（3）对构件的刚度和变形控制要求较高的结构构件，如工业厂房中的吊车梁、码头和桥梁中的大跨度梁式构件等。预应力混凝土应优先用于工作中存在受拉区的构件。预应力坝10.2施加预应力的方法先张法张拉钢筋支模、浇混凝土混凝土达到一定强度（75%）剪钢丝产生预应力。此方法是通过预应力钢筋与混凝土之间的粘结力传递预应力的。构件上无需任何锚具。此方法适用于在预制厂大批制作中、小构件。建立预应力的端部条件：是通过钢筋与混凝土之间的粘结力，将钢筋弹性回缩的压力传递给混凝土。预应力钢筋在张拉时截面缩小，切断点处预应力钢筋应力为0，钢筋恢复原来截面；由于钢筋回缩收到周围混凝土的阻力，钢筋截面的恢复形成的径向压应力也使粘结力增强。经过一定长度的粘结力积累，钢筋的应力由端部的0逐渐增大到接近张拉应力，混凝土中也建立起预压应力。在构件端部必要的粘结长度是先张法构件建立预应力的条件。后张法(Pretension)浇混凝土，预留孔道达到强度，穿筋张拉钢筋，锚固产生预应力孔道灌浆此方法是依靠其两端的锚具锚住预应力钢筋并传递预应力后张法(Pretension)pcp锚具下混凝土局部承压问题后张无粘结预应力混凝土这是近年来发展起来的预应力混凝土新技术；用专用油脂涂在预应力钢筋表面并用塑料包裹后制成的无粘结预应力钢筋；可像普通钢筋一样预先铺设，然后浇注混凝土，待混凝土达到强度后再进行张拉。其优点是无需预留孔道和灌浆，预应力钢筋可多跨曲线布置，施工简单。由于混凝土的无粘结作用，整根预应力钢筋的应力基本相同，弯曲破坏时预应力钢筋的强度得不到充分发挥，且一旦锚具失效，整根预应力钢筋也将完全失效。所以，无粘结预应力通常用于楼板结构，这样即使个别锚具失效，也不会造成严重结构安全问题。此外，如仅配无粘结钢筋，构件中将产生集中且宽度较大的裂缝。故，无粘结预应力混凝土构件中，要求锚具具有更高的可靠性，并一定要配置足够的非预应力钢筋以控制裂缝宽度和保证构件的延性。后张无粘结预应力混凝土试验单元第十章预应力混凝土结构的原理及计算规定10.1预应力混凝土的概念10.3预应力混凝土的材料及锚夹具一、预应力钢筋◆预应力钢筋的强度越高越好。◆而且在预应力混凝土制作和使用过程中，由于种种原因，预应力筋中预先施加的张拉应力会产生损失，因此，为使得扣除应力损失后仍具有较高的张拉应力，也必须使用高强钢筋（丝）作预应力筋。◆为避免在超载情况下发生脆性破断，预应力筋还必须具有一定的塑性。同时还要求具有良好的加工性能，以满足对钢筋焊接、镦粗的加工要求。◆对钢丝类预应力筋，还要求具有低松弛性和与混凝土良好的粘结性能，通常采用‘刻痕’或‘压波’方法来提高与混凝土粘结强度。1、冷拉低合金钢筋◆通常将Ⅳ级热轧钢筋经冷拉后作为预应力筋，抗拉强度可达580MPa。◆为解决粗直径钢筋的连接问题，钢筋表面轧制成不带纵向肋的精制螺纹，可用套筒直接连接。◆但随着近年来高强钢丝和钢绞线的大量生产，这种预应力筋的应用已很少。2、中高强钢丝中高强钢丝是采用优质碳素钢盘条，经过几次冷拔后得到。中强钢丝的为800~1200MPa，高强钢丝的强度为1470~1860MPa。钢丝直径为3~9mm。为增加与混凝土粘结强度，钢丝表面可采用‘刻痕’或‘压波’，也可制成螺旋肋。刻痕钢丝螺旋肋钢丝消除应力钢丝：钢丝经冷拔后，存在有较大的内应力，一般都需要采用低温回火处理来消除内应力。消除应力钢丝的比例极限、条件屈服强度和弹性模量均比消除应力前有所提高，塑性也有所改善。3、钢绞线钢绞线是用2、3、7股高强钢丝扭结而成的一种高强预应力筋，其中以7股钢绞线应用最多。7股钢绞线的公称直径为9.5~15.2mm，通常用于无粘结预应力筋，强度可高达1860MPa。2股和3股钢绞线用途不广，仅用于某些先张法构件，以提高与混凝土的粘结强度。无粘结预应力束4、热处理钢筋用热轧中碳低合金钢经过调质热处理后制成的高强度钢筋，直径为6~10mm，抗拉强度为1470MPa。除冷拉低合金钢筋外，其余预应力筋的应力-应变曲线均无明显屈服点，采用残余应变为0.2%的条件屈服点作为抗拉强度设计指标。a0.2%0.2fu预应力钢筋强度标准值和设计值（N/mm2）种类fptkfpyyf消除应力钢丝螺旋肋钢丝4~914701570167017701250118011101040400刻痕钢丝5、71470157011101040360二股d=10.0d=12.017201220360三股d=10.8d=12.917201220360钢绞线七股d=9.5d=11.1d=12.7d=15.2186018601860186018201720132013201320132012901220360热处理钢筋40Si2Mn(d=6)48Si2Mn(d=8.2)45Si2Cr(d=10)14701040400二、混凝土——预应力混凝土要求采用强度较高的混凝土★可以施加较大的预压应力，提高预应力效率；★有利于减小构件截面尺寸，以适用大跨度的要求；★具有较高的弹性模量，有利于提高截面抗弯刚度，减少预压时的弹性回缩；★徐变较小，有利于减少徐变引起的预应力损失；★与钢筋有较大粘结强度，减少先张法预应力筋的应力传递长度；★有利于提高局部承压能力，便于后张锚具的布置和减小锚具垫板的尺寸；★强度早期发展较快，可较早施加预应力，加快施工速度，提高台座、模具、夹具的周转率，降低间接费用一般预应力混凝土构件的混凝土强度等级不低于C30，当采用高强钢丝时不低于C40。混凝土内不得掺加对钢筋有侵蚀作用的添加剂。尽可能采用干硬混凝土并加强振捣与养护，以减小混凝土的收缩与徐变。三、锚具和夹具图螺丝端杆锚具锚夹具的作用：保证混凝土结构的安全、可靠。锚具–––用于永久固定钢筋、作为构件的一部分夹具–––构件制作完后，能取下重复使用。对锚具的要求：保证受力可靠，使锚固的钢筋不滑移，预应力传递可靠，预应力损失小。使锚固和放松简易快捷。构造简单可靠。(a)张拉端(b)分散式固定端(c)集中式固定端图镦头锚具螺纹锚——用于锚固高强粗钢筋，构造简单、施工方便，预应力损失小。锥形锚优点：锚固方便、截面积小、便于在梁上分散布置。缺点：锚固时钢筋的回缩量大，不能重复张拉或结长。夹片式锚具——主要用于锚固钢绞线。10.4张拉控制应力◆在张拉预应力筋对构件施加预应力时，张拉设备（千斤顶油压表）所控制的总张拉力Np,con除以预应力筋面积Ap得到的应力称为张拉控制应力con。◆它是预应力筋在在构件受荷以前所经受的最大应力。◆张拉控制应力con取值越高，预应力筋对混凝土的预压作用越大，可以使预应力筋充分发挥作用。思考：是不是张拉张拉控制应力con取值越高越好？pconpconAN,张拉张拉控制应力过高产生的后果：构件的开裂弯矩接近构件的破坏弯矩。构件在使用时，不会产生裂缝、变形过小，破坏时表现出明显的脆性。降低了构件的安全性能。钢筋张拉应力控制的不可能十分准确，可能出现实际张拉力过高，导致钢材产生塑性流动，降低钢筋的性质，甚至发生断裂。张拉控制应力限值[con]张拉方法钢筋种类先张法后张法预应力钢丝、钢绞线热处理钢筋0.75fptk0.70fptk0.75fptk0.65fptk因为对预应力筋的张拉过程是在施工阶段进行的，同时张拉预应力筋也是对它进行的一次检验，所以表中[con]是以预应力筋的标准强度给出的，且[con]可不受抗拉强度设计值的限制。在下列情况下，[con]可提高0.05fptk：⑴为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筋；⑵为部分抵消应力松弛、摩擦、分批张拉和温差产生预应力损失。为避免co