预应力混凝土结构的基本概念及其材料旧.

第二篇预应力混凝土结构概述：•预先建立一个与使用荷载产生的应力效应大致相反的应力效应，从而能非常有效地改善结构在正常使用阶段的工作性能（混凝土不开裂或晚开裂）。•预应力混凝土可采用高强材料，大幅度的提高了构件的承载能力及跨越能力。第十二章预应力混凝土结构的基本概念及其材料内容：●预应力混凝土结构的基本概念；●预应力建立的方法及施工设备；●预应力混凝土对材料的要求。地锚加固斜坡国道318线二郎山隧道出口-2004/3/20预应力锚索框格梁加固边坡预应力空心板（先张法）预应力I形组合梁（后张法，桥面现浇）预应力连续刚构桥预应力连续刚构桥施工预应力连续刚构桥施工（挂篮节段浇筑施工）§12.1概述钢筋混凝土结构在使用中存在的问题：（1）需要带裂缝工作使构件刚度下降，不能应用于不允许开裂的场合。（2）无法充分利用高强材料将裂缝宽度限制在（0.2~0.25）mm以内时，钢筋拉应力只能达到（150~250）MPa；一、预应力混凝土结构的基本原理对混凝土或钢筋混凝土梁的受拉区预先施加压应力，这种应力的大小和分布规律，能有利于抵消使用荷载作用下产生的拉应力，因而使混凝土构件在使用荷载作用下不致开裂，或推迟开裂，或者使裂缝宽度减小。Lh/ehhbNppNe=h/L（压）cubhMpNNpMMcpubud）e）qMbhcb（拉）Mbh（压）h/h/（压）bhMc）a）b）图12-1预应力混凝土结构基本原理图受均布荷载q跨中截面上、下缘的应力为：2266cucbMbhMbh上缘：（压应力）下缘：（拉应力）在离该梁下缘h/3（即偏心距e＝h/6）处，张拉力Np=3M/h，则Np作用下，梁上、下缘所产生的应力：22222313066666ppcpuppcpbNNeMMhbhbhbhbhhNNeMbhbhbh上缘：下缘：（压应力）将上述两项应力叠加，跨中截面上、下缘的总应力为：2222660660ucucpubcbcpbMMbhbhMMbhbh上缘：（压应力）下缘：由于预先给混凝土梁施加了预压应力，可避免或推迟混凝土出现裂缝，这就相当于改善了梁中混凝土的抗拉性能，而且可以达到充分利用高强钢材的目的。预压力Np必须针对外荷载作用下可能产生的应力状态有计划地施加。因为要有效地抵消外荷载作用所产生的拉应力，这不仅与Np的大小有关，而且也与Np所施加的位置(即偏心距e的大小)有关。二、配筋混凝土结构的分类分类国外国内按预加应力的大小按预应力度Ⅰ级：全预应力全预应力≥1Ⅱ级：有限预应力A类构件Ⅲ级：部分预应力部分预应力0≤1B类构件Ⅳ级：普通钢筋混凝土钢筋混凝土00sMM其中：式中：M0——消压弯矩；Ms——作用短期效应组合计算的弯矩三、预应力混凝土结构的优缺点•优点：①提高了构件的抗裂度和刚度②可以节省材料，减少自重③可以减小混凝土梁的竖向剪力和主拉应力④结构质量安全可靠⑤促进了桥梁结构新体系与施工方法的发展⑥提高结构的耐疲劳性能•缺点：①工艺较复杂②需要有专门设备③预应力反拱度不易控制④对于跨径小、构件数量少的工程，成本较高§12.2预加应力的方法与设备一、预加应力的主要方法1、先张法：先在张拉台座上张拉预应力钢筋，并进行临时锚固，再浇筑构件混凝土，待混凝土达到要求强度后，缓慢放松张拉力，通过预应力钢筋与混凝土间的粘结作用使混凝土获得预压应力。优点：(1)工序简单(2)不必耗费锚具(3)质量较稳定缺点：(1)仅适于中、小跨度结构(2)需台座和预制场地伸长张拉台座预应力筋混凝土压缩a）b）c）临时锚固pN压缩图12-2先张法工艺流程示意图a)预应力钢筋就位，准备张拉b)张拉并锚固，浇筑构件混凝土c)松锚，预应力钢筋回缩，制成预应力混凝土构件2、后张法：先浇筑构件混凝土，并在其中预留孔道（或设套管），待混凝土达到要求强度后，张拉预应力钢筋，并用特制的锚具将预应力钢筋锚固于混凝土构件上，使混凝土获得并保持其预压应力。优点：(1)无需台座(2)适宜大跨度和曲线配筋缺点：(1)工艺复杂(2)锚具用量大制作构件，预留孔道穿入预应力钢筋，安装千斤顶并张拉钢筋锚固钢筋，拆除千斤顶、孔道压力灌浆12.2.2锚具1、对锚具的要求①受力安全可靠②预应力损失小③构造简单、紧凑，制作方便④用钢量少⑤张拉锚固方便迅速，设备简单2、锚具的分类按传力锚固的受力原理来分①摩阻型锚具——依靠摩阻力实现锚固如楔形锚、锥形锚和夹片式群锚等②承压型锚具——依靠局部承压实现锚固如镦头锚、钢筋螺纹锚等③粘结型锚具——依靠粘结力实现锚固如先张法的预应力钢筋锚固，以及后张法固定端的钢绞线压花锚具等。第十二章预应力混凝土构件组成及组装1、单孔夹片锚单孔夹片锚及相应锚垫板组成2、多孔夹片锚多孔夹片锚、锚垫板及螺旋筋组成3、扁锚扁锚扁锚施工现场第十二章预应力混凝土构件挤压锚具锚杯及异形钢丝环4、挤压锚第十二章预应力混凝土构件挤压机镦头锚及镦头器5、镦头锚镦头锚具—高强钢丝组装件压花锚及压花机6、压花锚压花机是制作固定端锚具的专用挤压设备，主要用于把预应力钢绞线的固定端压成梨形散花状。拉索锚具及其结构组成7、拉索锚具拉索锚具应用钢筋长度不足时，可通过连接器来接长。普通钢筋的连接：8、连接器单孔连接器预应力筋的连接器：多孔连接器扁型锚具连接器多孔连接器及配套护筒12.2.3千斤顶各种锚具都必须配置相应的张拉设备，才能顺利地进行张拉、锚固。12.2.4预加应力的其他设备1、制孔器后张法构件的预留孔道是由制孔器来形成的。(1)抽拔橡胶管：成本低，但摩阻系数大。(2)螺旋金属波纹管：重量轻，纵向弯曲性能好，径向刚度较大，连接方便，与混凝土粘结良好，摩阻系数也小。（3）塑料波纹管：具有较高的粘结力，耐腐蚀性能好、孔道摩擦损失小，有利于提高结构抗疲劳性能，但成本高。2、穿索机对于大跨桥梁，有的预应力钢筋很长，人工穿束十分吃力，故采用穿索（束）机。(1)液压式(2)电动式3、灌孔水泥浆及压浆机1）水泥浆作用：避免力筋锈蚀和锚具松动，并使力筋与梁体混凝土结合为整体配合比：水灰比0.40～0.45；适量的减水剂强度等级：不低于构件砼等级的80%；≥30MPa2）压浆机它主要由灰浆搅拌桶、贮浆桶和压送灰浆的灰浆泵以及供水系统组成。4、张拉台座采用先张法生产预应力混凝土构件时，需设置用作张拉和临时锚固预应力钢筋的张拉台座。设计时应保证它具有足够的强度、刚度、稳定性。§12.3预应力混凝土结构的材料一、混凝土1、对混凝土的要求(1)强度高。可以提高钢筋与混凝土之间的粘结应力；对采用后张法的构件，可提高锚固端的局部承压承载力，还可减小构件截面尺寸。(2)收缩、徐变小。以减小收缩、徐变引起的预应力损失。(3)快硬、早强。可尽早施加预应力，加快施工进度。《公路桥规》规定：预应力混凝土构件的混凝土强度等级不应低于C40。而且，钢材强度越高，混凝土强度级别也相应要求提高。2、收缩、徐变的影响及其计算为了减小由于收缩和徐变对预应力混凝土结构产生的不利影响，应尽量设法减少混凝土的收缩和徐变，并能准确计算。《公路桥规》建议的徐变系数计算式为000,ctttt（12-2）式中的0,tt称为加载龄期为0t，计算考虑龄期为t时的混凝土徐变系数；0为混凝土名义徐变系数，可查表；)(0ttc为加载后徐变随时间发展的系数，按式（12-7）计算，即0.301001cHtttttttt（12-7）1500250)2.1(11500180hhRHRHH（12-8）（2）混凝土的收缩收缩变形的变形规律和徐变相似，也是随时间延续而增加，初期硬化时收缩变形明显，以后逐渐变缓。混凝土收缩应变计算式为sscsscstttt0,（12-9）式中scstt,——收缩开始时的龄期为st，计算考虑的龄期为t时的收缩应变；t——计算考虑时刻的混凝土龄期（d）；st——收缩开始时的混凝土龄期（d），可假定为(3~7)d；0cs——名义收缩系数，可查表；s——收缩随时间发展的系数；0.51201350ssssttttthhttt（12-13）3、混凝土的配制要求与措施1234F（）严格控制水灰比（）用高标号水泥，在满足强度要求下，尽量减少水泥用量（）选用优质活性掺合料，如硅粉、矿粉（）加强振捣与养护二、预应力钢筋1、对预应力钢筋的要求2、预应力钢筋的种类（1）钢绞线由2、3或7根高强钢丝扭结而成并经消除内应力后的盘卷状钢丝束。其抗拉强度标准值为（1470~1860）MPa，并依松弛性能不同分成普通钢绞线和低松弛钢绞线两种。1234、强度高、塑性好、粘结性好、低松弛a)b)d)c)dddd图12-12几种常见的预应力钢绞线a）三股钢绞线b）七股钢绞线c）七股拔模钢绞线d）无粘结钢绞线（2）高强度钢丝用优质碳素钢（含碳量为0.7%～1.4%）轧制成盘圆经温铅浴淬火处理后，再冷拉加工而成的钢丝。《公路桥规》中采用的消除应力高强钢丝有光面钢丝、螺旋肋钢丝和刻痕钢丝。b)a)c)d)dddd图12-13几种常见的预应力高强钢丝a）光面钢丝b）两面刻痕钢丝c）三面刻痕钢丝d）无粘结钢丝束（3）精轧螺纹钢筋在轧制时沿钢筋纵向全部轧有规律性的螺纹肋条，可用螺丝套筒连接和螺帽锚固，因此不需要再加工螺丝，也不需要焊接。仅用于中、小型预应力混凝土构件或作为箱梁的竖向、横向预应力钢筋。近年来，非金属材料制成的预应力筋已开始在处于某些特殊环境和条件下的桥梁中使用。工程结构中常用的FRP主材主要有碳纤维(CFRP)、玻璃纤维(GFRP)、及芳纶纤维(AFRP),其材料形式主要有片材(纤维布和板)、棒材(筋材和索材)及型材(格栅型、工字型、蜂窝型等)。这些材料的特点是：强度高、重量轻、抗腐蚀、抗磁性、耐疲劳、热膨胀系数与混凝土接近、弹性模量低、抗剪强度低等。frp复合材料彩色人行过街天桥§12.4预应力混凝土结构的三种概念按照预应力钢筋与混凝土之间的粘结情况，分为有粘结预应力混凝土结构和无粘结预应力混凝土结构。按照预应力钢筋是否布置在混凝土截面内，分为体内预应力混凝土结构和体外预应力混凝土结构。有粘结预应力混凝土的基本概念：1）预加应力的目的是将混凝土变成弹性材料预应力钢筋的作用不是配筋而是施加预压应力以改变混凝土性能的一种手段。a）b）预应力钢筋重心线截面重心线预应力钢筋重心线预应力钢筋重心线C=FFAeeFC=F预拉力压力AA压力预拉力截面重心线预应力钢筋重心线Aa）b）图12-16常高度预应力简直梁图12-17不等高度预应力混凝土简支梁FFeyAI（12-20）预应力在任一截面处引起的混凝土应力仅取决于F在该截面处的大小和位置，而与预应力钢筋沿梁在其他纵断面上的位置无关。2）预加应力的目的是使高强度钢筋和混凝土能够共同工作。预先将预应力钢筋张拉到一定的应力状态，在使用阶段预应力钢筋的应力（应变）增加的幅度较小，混凝土不开裂或裂缝较细，这样高强钢材就可以与混凝土一起正常工作。b）a）CTCT图12-18预应力混凝土梁和钢筋混凝土梁的内部抵抗力矩a）钢筋混凝土梁的隔离体b）预应力混凝土梁的隔离体b）a）图12-19采用高强度钢筋的混凝土梁a）普通钢筋的——裂缝及过度的挠度；b）预应力的——无裂缝及很小的挠度预应力混凝土最终也由一内力偶来承担外弯矩。所以，预应力混凝土并不能创造超越其本身材料强度能力的奇迹。3）预加应力的目的是实现荷载平衡预加应力可认为是对混凝土构件预先施加与使用荷载相反的荷载以抵消部分或全部工作荷载。b)a)h抛物线形预应力钢筋均匀荷载L图12-20具有抛物线力筋的预应力梁a）配抛物线形预应力钢筋的预应力梁；b）把混凝土看作分离体a)b)图12-21具有抛物线力筋的预应力梁a）配弯