预应力混凝土构件基本知识

第7章预应力混凝土构件基本知识第7章预应力混凝土构件基本知识1.1普通混凝土抗裂性很差混凝土的极限拉应变很低，只有0.0001～0.0015，这时钢筋应力仅20～30N/mm2,另外提高混凝土的强度也不明显1.2高强材料得不到充分应用裂缝宽度一般应限制在0.2～0.3mm以内，受拉钢筋应力最高也只能达到150～250N/mm21.3结构自重大使用性能不好普通混凝土结构不能适应现代化建设大跨度和大空间的需要，因为无法采用高强度的材料，势必导致截面尺寸过大和自重过大。qk=10kN/mL0问题引出1.普通混凝土构件存在问题2.预应力混凝土的产生1.1最早给混凝土施加预应力的概念是1888年德国工程师道伦（W.Doehring）提出的，由于当时钢材的强度不高，故未能获得实际结果。1.21928年法国工程师费列西奥（E.Freyssinet）利用高强度的钢丝和高强度等级的混凝土并施加高的预应力（大于400N/MM2）来制造预应力混凝土构件才获得实际意义的成功。1.3我国是1954年开始研究预应力混凝土结构，并与1956年推广，以后获得了较大的发展。预应力的产生7.1预应力混凝土构件的基本概念㈠基本原理1、C20普通钢筋混凝土简支梁，在荷载作用下，在梁跨中下边缘产生10N/mm2的拉应力，混凝土梁早已开裂，且裂缝已有相当的开展。受压区－砼受拉区－钢筋一、预应力基本原理及特点分析7.1预应力混凝土的基本概念2、在预压力作用下，截面下边缘(预压区）跨中产生压应力σ1=10N/mm2，形成反拱f1σ1σ1预压区预加应力单独作用下受力预拉区f17.1预应力混凝土的基本概念σ23、在外荷载作用下，截面下边缘产生拉应力σ2=9N/mm2，其挠度为f2f2荷载单独作用下受力受压区－砼受拉区－钢筋7.1预应力混凝土的基本概念4、在预压力及外荷载作用，截面下边缘产生应力б2-σ1=1N/mm2,其挠度为f2–f1=f使用阶段的荷载逐渐逐渐增加预应力单独作用截面应力使用荷载单独作用截面应力拉区砼未开裂拉区砼已开裂б2б1б2-б1受压区－砼受拉区－钢筋f2-f17.1预应力混凝土的基本概念所谓预应力砼构件就是在构件受荷之前（制作阶段），人为给拉区砼施加预压应力，受荷之后（使用阶段）首先要抵消拉区砼的预压应力，若再加荷拉区砼开裂，直至破坏为止。常见预应力钢筋砼构件有：预应力钢筋砼轴拉构件、预应力钢筋砼受弯构件、预应力混凝土大偏心受压构件、偏心受拉构件，预应力混凝土预制桩等得到广泛的应用。7.1预应力混凝土的基本概念1.2预应力混凝土与钢筋混凝土的比较1.2.1预应力混凝土结构中，混凝土的强度等级要高，钢筋的强度也要高。1.2.2预应力程度较高预应力混凝土结构，性能如同均质弹性材料。而普通钢筋混凝土在使用荷载作用下的性能是非线性的。1.2.3预应力混凝土结构刚度大，挠度小，裂缝宽度小。1.2.4一旦预应力被克服后，预应力混凝土和普通混凝土结构就没有本质上的不同，因而正截面承载力是一样的；1.2.5预应力混凝土梁的斜截面抗剪强度高于普通混凝土，因而预应力混凝土梁的腹板可做得较薄，大大减轻了自重。7.1预应力混凝土的基本概念1.3预应力混凝土的特点优点：1.3.1裂缝宽度小、刚度大、挠度小、结构的耐久性好。1.3.2抗裂性高，可建造水工建筑、储水结构、抗渗结构。1.3.3充分利用高强材料，节约了钢材、减轻了自重，特别在大跨度的结构中更为经济。1.3.4提高构件的抗剪性能。试验表明，纵向预应力钢筋起着锚栓的作用，阻碍着构件斜裂缝的出现与开展.1.3.5提高构件的抗疲劳性能。在预应力结构中，由于钢筋事先张拉，在往复移动荷载的作用下，钢筋应力变化幅度不大10%以下，不会引起钢筋疲劳。7.1预应力混凝土的基本概念1.3.6提高受压构件的稳定承载力。对于长细比较大的受压构件，由于预应力钢筋张拉的很紧，不但预应力钢筋本身不会压弯，而且可帮助周围混凝土提高抗弯的能力。缺点：1.3.7工艺较复杂，对质量要求高，因而需要配备一支技术较熟练的专业队伍。1.3.8需要有一定的专门设备，如张拉机具、灌浆设备等。1.3.9预应力混凝土结构的开工费用较大，对构件数量少的工程成本较高。7.1预应力混凝土的基本概念1.4应用范围:1.4.1在建筑中可用于建造大型屋面板、屋面梁、承重桁架、吊车梁，建造薄壁空间结构，多层框架和单层大跨度建筑，也可建造墙板、柱子等。1.4.2桥梁中建造了预应力箱形截面简支梁跨度达240m，斜拉预应力混凝土桥跨度可达400m。1.4.3特种结构方面可建造预应力混凝土电视塔，石油开采平台、预应力混凝土囤船、预应力压力容器等。7.1预应力混凝土的基本概念预应力混凝土预制桩预应力空心板打完预制桩后，预应力管桩施工现场7.1预应力混凝土的基本概念预应力混凝土连续箱梁在未完成受力体系转换时的支架系统至关重要7.1预应力混凝土的基本概念2.预加应力的方法根据预应力筋张拉时间的先后，习惯上把预加应力方法分为先张法、后张法和同张法。先、后张法比较7.1预应力混凝土的基本概念1.先张法张拉钢筋浇筑混凝土切断钢筋，混凝土预压预应力由混凝土与钢筋间的粘结力来传递2.后张法预应力由构件两端锚具实现浇筑混凝土构件穿预应力钢筋锚固钢筋，孔道灌浆比较先、后张法7.1预应力混凝土的基本概念7.2预应力混凝土构件的一般规定1.预应力混凝土材料性能要求1.1钢筋的性能钢筋的性能强度高较好的塑性、可焊性。良好的粘结性。低松弛。预应力钢筋一直处于高强受拉应力超载情况下发生脆性破断，同时还要求具有良好的加工性能，提高与混凝土粘结强度减少预应力损失7.2预应力混凝土构件一般规定1.2预应力钢筋的种类1.2.1消除应力钢丝包括光面（ΦP）、螺旋肋（ΦH）、三面刻痕（ΦI）刻痕钢丝螺旋肋钢丝消除应力钢丝见《预应力砼用钢丝》GB/T5223，是用高碳镇静钢轧制成的盘园，经过加温、淬火（铅浴）、酸洗、冷拔、回火矫直等处理工序来消除应力，而成的碳素钢丝可提高抗拉强度（光面钢丝fpy=1250N/mm2，其余fpy≥1110N/mm2），这样钢直径4~9mm，强度高低、低松弛。7.2预应力混凝土构件一般规定1.2.2钢绞线由多根冷拉钢丝在绞线机上咬合并经消除应力回火而成的总称。有1×3捻用于先张法。1×7捻是外层钢丝围绕一根直径大20%的中心钢丝绞成后张法中应用广泛。直径用ΦS表示，外径8.6~15.2mm，fpy=1110~1320N/mm2，强度高、低松弛、伸直性好，比较柔软，盘弯方便，粘结性好。7.2预应力混凝土构件一般规定钢丝绳与钢绞线的区别：在制作工艺上，钢丝绳是由钢丝绞成股，再由股捻成绳，有中间夹麻芯或钢芯和不加芯的钢丝绳；钢绞线是由钢丝只经过一次扭绞。在性能上，钢丝绳的弹性模量小与钢绞线。7.2预应力混凝土构件一般规定1.2.4冷拉低合金钢和冷拔低碳钢丝由于强度低，不再列入钢筋砼规范。1.2.3热处理钢筋将合金钢（40Si2Mn、48Si2Mn、45Si2Cr）经过调质热处理而成，达到提高抗拉强度（fPy=1040N/mm2），改善塑性性能。ΦHT表示。这种筋具有强度高（节省钢材）低松弛的特点，其Φ=6~10mm以盘园形式供给省去焊接，有利施工。7.2预应力混凝土构件一般规定1.3.混凝土混凝土性能高强度收缩小、徐变小快硬、早强《规范》规定：预应力砼结构强度等级不宜低于C30，当采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋时预应力砼结构强度等级不宜低于C40。7.2预应力混凝土构件一般规定2.张拉控制应力σcon2.1定义：张拉控制应力是指预应力钢筋在张拉时，所控制达到的最大应力值。其值为张拉设备（如千斤顶上的油压表）所指示的总张拉力除以预应力钢筋截面面积而得出的应力值，以σcon表示。2.2张拉控制应力σcon对预应力混凝土构件预压效果的影响分析：2.2.1如果σcon取值过低，则预应力钢筋经过各种损失后，对混凝土产生的预压应力过小，预应力混凝土的效果不明显，因此《规范》规定σcon不应小于0.4fptk。7.2预应力混凝土构件一般规定2.2如果σcon取得太高，可能出现下列问题：2.2.2预应力钢筋已超过实际屈服强度而失去回缩能力，或已发生脆断现象。2.2.3构件的开裂荷载与破坏荷载接近，使构件在破坏前无明显预兆，构件的延性较差。2.2.4构件的反拱过大，或者预拉区产生裂缝影响正常使用。《规范》规定，在一般情况下，张拉控制应力σcon值不宜超过下表的限值。7.2预应力混凝土构件一般规定钢筋的种类张拉方法先张法后张法预应力消除钢丝、钢绞线0.75fptk0.75fptk热处理钢筋0.70fptk0.65fptk规范指出，为了提高构件制作、运输及吊装阶段的抗裂性而在受压区设置的预应力钢筋，其允许控制应力提高5%。张拉控制应力限值7.2预应力混凝土构件一般规定7.3预应力损失7.3.1定义:由于张拉工艺和材料特性的原因，从构件的制作、运输、安装、使用等各个过程中，使预应力钢筋的应力不断降低，这降低的部分就叫预应力损失。7.3.2引起预应力损失的原因及的措施1.锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失σl1当为直线型预应力钢筋时式中a——张拉端锚具变形和钢筋回缩值；l——张拉端至锚固端之间的距离。减少此项损失的措施有：①选择变形小或预应力钢筋内缩小的锚具，尽量减少垫板数；②对先张法构件，选择长台座。slEla17.3预应力损失2.预应力钢筋与孔道壁之间摩擦引起的预应力损失σl2211lconkxe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，μ——预应力钢筋与孔道壁的摩擦系数，θ——从张拉端至计算截面曲线型孔道部分切线的夹角当0.2kx2()lconkx7.3预应力损失减少该项损失，可采取以下措施：①对较长的构件可在两端进行张拉；②采用超张拉，张拉程序可采用：当第一次张拉至1.1σcon时，预应力钢筋应力沿EHD分布，当张拉应力降至0.85σcon，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σcon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σcon的应力分布均匀，预应力损失要小一些。7.3预应力损失3.混凝土加热养护时，受张拉的钢筋与承受拉力的设备之间温差引起的损失σl3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黏结成整体，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。σl3=2△t（N/mm2）7.3预应力损失减少此项损失的措施有：①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C7.5～C10，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;②在钢模上张拉预应力钢筋。由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。7.3预应力损失4.钢筋应力松弛引起的预应力损失σl3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：①应力松弛与时间有关，开始快，以后慢；②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；③张拉控制应力σcon高，应力松弛大。7.3预应力损失采用超张拉可使应力松弛损失有所降低。超张拉程序为:concon0)1.1~05.1(0min2持荷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σcon时，一部分松弛损失已完成。5.混凝土的收缩徐变引起的预应力损失σl5混凝土结硬时产生体