第七章---预应力混凝土构件

第七章预应力混凝土构件一、预应力混凝土基本概念二、施加预应力的方法和锚具三、张拉控制应力与预应力损失四、预应力混凝土构件的构造要求7.1预应力混凝土的基本概念7.1.1概述1、普通钢筋混凝土结构或构件，由于混凝土的抗拉强度及极限拉应变很小，所以在使用荷载作用下，一般均带裂缝工作。由于混凝土的过早开裂，使钢筋混凝土构件存在难以克服的缺点：一是裂缝的开展使高强度材料无法充分利用。从结构耐久性出发必须限制裂缝开展宽度，这就使高强度钢筋无法发挥作用，相应地也不可能充分发挥高级别混凝土的作用。二是过早开裂导致构件刚度降低，为了满足变形控制的要求，需加大构件截面尺寸。这样做既不经济又增加了构件自重，特别是随着跨度的增大，自重所占的比例也增大，使钢筋混凝土结构的应用范围受到很多限制。2、预应力混凝土的定义为了避免普通钢筋混凝土结构过早出现裂缝，并充分利用高强度材料，在结构构件受外荷载作用之前，可通过一定方法预先对由外荷载引起的混凝土受拉区施加压力，用由此产生的预压应力来减小或抵消将来外荷载所引起的混凝土拉应力。这样在外荷载施加之后，裂缝就可延缓或不发生，即使发生了，裂缝也不会开展过宽，可满足适用要求。这种构件受外荷载以前预先对混凝土受拉区施加压应力的结构称为预应力混凝土结构。1、预应力混凝土的基本原理下面就以图7-1所示简支梁为例来说明预应力混凝土的基本原理。NNσ(压)(拉)σ(拉)(压)qσ(拉)(压)qNNσ-(a)预加压力作用(b)使用荷载作用(c)预加压力和使用荷载共同作用图7-1预应力混凝土简支梁的受力分析7.1.2预应力混凝土的基本原理2、预应力混凝土的优点与普通混凝土相比，预应力混凝土具有以下优点：（1）提高了构件的抗裂性能，使构件不出现裂缝或减小了裂缝宽度，扩大了钢筋混凝土构件的应用范围。（2）增加了构件的刚度，延迟了裂缝的出现和开展，减少了构件的变形。（3）提高了构件的耐久性，由于预应力能使构件不出现裂缝或减小了裂缝，减少了外界环境对钢筋的侵蚀，从而可以满足构件使用年限的要求。（4）能充分发挥高强钢筋和高强混凝土的性能，可以减少钢筋用量和构件的截面尺寸，减轻构件自重，节约材料，降低造价。预应力混凝土受弯构件工作原理7.2施加预应力的方法和锚夹具7.2.1施加预应力的方法构件中预应力的建立，都是依靠张拉钢筋来实现的。根据张拉钢筋与浇筑混凝土的先后次序，常用的施加预应力的方法有以下两种：先张法和后张法1、先张法即先张拉钢筋后浇注混凝土。其主要张拉程序为：在台座上按设计要求将钢筋张拉到控制应力→用锚具临时固定→浇注混凝土→待混凝土达到设计强度75%以上切断放松钢筋。其传力途径是依靠钢筋与混凝土的粘结力阻止钢筋的弹性回弹，使截面混凝土获得预压应力。图6.1先张法工艺流程先张法施工简单，靠粘结力自锚，不必耗费特制锚具，临时锚具可以重复使用（一般称工具式锚具或夹具），大批量生产时经济，质量稳定。适用于中小型构件工厂化生2、后张法①有粘结预应力混凝土先浇混凝土，待混凝土达到设计强度75%以上，再张拉钢筋（钢筋束）。其主要张拉程序为：埋管制孔→浇混凝土→抽管→养护穿筋张拉→锚固→灌浆（防止钢筋生锈）。其传力途径是依靠锚具阻止钢筋的弹性回弹，使截面混凝土获得预压应力。这种做法使钢筋与混凝土结为整体，称为有粘结预应力混凝土。有粘结预应力混凝土由于粘结力（阻力）的作用使得预应力钢筋拉应力降低，导致混凝土压应力降低，所以应设法减少这种粘结。这种方法设备简单，不需要张拉台座，生产灵活，适用于大型构件的现场施工。②无粘结预应力混凝土其主要张拉程序为预应力钢筋沿全长外表涂刷沥青等润滑防腐材料→包上塑料纸或套管（预应力钢筋与混凝土不建立粘结力）→浇混凝土养护→张拉钢筋→施工时跟普通混凝土一样，将钢筋放入设计位置可以直接浇混凝土，不必预留孔洞、穿筋、灌浆，简化施工程序，由于无粘结预应力混凝土有效预压应力增大，降低造价，适用于跨度大的曲线配筋的梁体。图6.2后张法主要工艺流程示意图(a)浇注构件混凝土，预留孔道，穿入钢筋束；(b)张拉钢筋并锚固；(c)往孔道内灌浆3、先张法和后张法的优缺点先张法采用工厂化的生产方式，当前采用较多的是在台座上张拉，台座越长，一次生产的构件就越多。先张法的工序少、工艺简单、质量容易保证，但它只适于生产中、小型构件，如楼板、屋面板等。后张法的施工程序及工艺比较复杂，需要专用的张拉设备，需大量特制锚具，用钢量较大，但它不需要固定的张拉台座，可在现场施工，应用灵活。后张法适用于不便运输的大型构件。7.2.2锚具和夹具锚固预应力钢筋的工具分为锚具和夹具两种类型。当预应力构件制成后能够取下重复使用的称夹具，而留在构件上不再取下的称锚具。目前我国常用的锚具和夹具根据受力原理的不同常分为以下几种：(1)依靠摩擦力锚固的锚具。如锥形锚、波型夹具、JM12型锚具、XM型锚具及QM型锚具等。(2)依靠承压锚固的锚具。如镦头锚具及夹具、钢筋螺纹锚具。(3)依靠钢筋与混凝土之间的粘结力进行锚固的。常用的锚夹具有：螺丝端杆锚具、锥形锚具(GZ型锚具)、JM12型锚具、QM型预应力锚具体系、XM型预应力锚具体系、镦头锚具等。*夹具：主要依靠摩擦力来夹住钢筋，它不留在构件上，剪断预应力筋后夹具的作用即消失*锚具：永久地留在构件上，如锚具失效构件中的预应力将全部消失。摩擦型锚具墩头锚具粘结型锚具：利用构件端部预留锥形自锚孔的后浇混凝土锚固预应力钢筋灌浆口（灌浆锚固）6~8螺旋筋8箍筋3铅丝线圈预应力筋承压型锚具：利用螺帽、垫板等的承压作用将预应力钢筋锚固在端部预应力筋垫板螺丝杆端螺母对焊接头ApconApconApconApcon使构件出现脆性破坏con越大，混凝土中的预压应力越大，但过大会产生如下问题预应力筋过早进入流幅，降低其塑性增加钢筋的松弛损失7.3张拉控制应力与预应力损失1、张拉控制应力con是指张拉钢筋时，预应力钢筋必须达到的预拉应力值。7.3.1张拉控制应力钢筋种类张拉方法先张法后张法消除应力钢丝、钢绞线0.75fptk0.75fptk热处理钢筋0.70fptk0.65fptk表7-1张拉控制应力限值2、张拉控制应力的大小与钢筋种类和施工方法有关，规范规定，预应力钢筋的张拉控制应力σcon不宜超过表7-1规定的数值，且不应小于0.4fptk。ApconApconApconApcon前期损失或第一批损失如锚具变形、管道摩擦、台座与钢筋的温差、钢筋松弛损失等发生在预应力传到混凝土之前后期损失或第二批损失如混凝土收缩徐变、局部挤压损失等发生在预应力传到混凝土之后7.3.2预应力损失前期损失或第一批损失ApconApconApconApcon后期损失或第二批损失预应力损失值不宜笼统地估算，应予分项计算，然后相加确定总的损失值但各项预应力损失值又不是截然无关的。试图求得各项预应力损失的“净值”是很困难的。由于锚具、垫块本身的变形，其间裂缝的压紧及钢筋在锚具中的滑移引起的损失plEla1张拉端至锚固端之间的距离预应力钢筋的弹性模量张拉端锚具的变形和钢筋的内缩值1、锚具变形和钢筋回缩损失l1应注意的几个问题：plEla1*由块体拼装的结构，尚应考虑填逢间的预压变形。当采用混凝土或砂浆为填逢材料时，每条缝的预压变形值为1mm。*先张法构件，当台座长度超过100m时，可忽略l1*后张法构件，l1只考虑张拉端，因锚固端锚具在张拉过程中已被压紧PPxPx-dPx预应力筋轴线张拉端锚固端xdxddPxPx-dP1dP1dxrdP2dPxPx-dP2dxrP后张法中，张拉钢筋时，钢筋在孔道中滑动，就会产生摩擦力主要由两部分组成*孔道偏差等因素引起的*曲线型孔道而引起的2、孔道摩擦损失l2)11()(2kdxconle考虑孔道每米长度局部偏差的摩擦系数预应力钢筋与孔道壁间的摩擦系数PPxPx-dPx预应力筋轴线张拉端锚固端xdxd2、采用超张拉可以减少l2建议的张拉程序为01.1con停2分钟0.85con停2分钟con措施：（1）对于较长的构建可以两端进行张拉。温度为t0时的应力为con温度升到t1时由于混凝土未结硬此处的应力为con’温度回落到t0时由于混凝土已结硬和钢筋同时回缩，此处的应力为con’’con混凝土蒸汽养护时,预应力钢筋与台座之间温差引起的损失)/(210200001.000001.0253mmNtttEpl钢筋的线膨胀系数*采用二次升温法可减少l3:先在常温下养护,当混凝土的强度达到7.5~10N/mm2时再逐渐升温3、温差应力损失l3钢筋在高应力作用下，长度不变而应力随时间逐渐降低的现象称为应力松弛。钢筋张拉后1小时内约完成总松弛的50%，24小时内完成总松弛的80%，以后逐渐收敛conptconlbfa)(4采用超张拉时为0.9，不采用时为1.0常数参见规范的相关内容4、应力松弛损失l4措施：采用超张拉可以减少l4建议的张拉程序为0(1.05~1.16)con停2~5分钟0con在高应力下，本需1小时才能完成的损失，在2~5分钟内就完成了大部分收缩和徐变两者相互有关，很难精确计算，为了简化两项损失可合并考虑DCfBAcupcl5受拉区或受压区各自预应力钢筋和非预应力钢筋的配筋率受拉区或受压区预应力钢筋在各自合力作用点处混凝土的法向压应力高湿环境中可降低50%干燥环境中应增加20~30%5、混凝土收缩徐变损失l5采用螺旋式预应力筋作为配筋的环形构件，由于预应力筋对混凝土的局部挤压使构件直径减小所引起的损失当d3m时Mpal3066、钢筋挤压混凝土损失l6预应力损失的组合先张法构件后张法构件第一批损失lIl1+l2+l3+l4l1+l2第二批损失lIIl5l4+l5+l6预应力总损失的下限值先张法构件：l100N/mm2后张法构件：l80N/mm27、预应力损失的组合7.4预应力混凝土的材料及主要构造要求7.4.1、预应力混凝土的材料1.钢筋预应力钢筋在张拉时受到很高的拉应力，在使用荷载下，其拉应力还会继续提高，因此必须采用高强度钢筋。预应力钢筋宜采用钢绞线、消除应力钢丝和热处理钢筋。2.混凝土在张拉(或放松)钢筋时，混凝土受到高压应力的作用。这种压应力越高，预应力的效果越好，因此预应力构件的混凝土应采用强度等级高的混凝土，一般不应低于C30；当采用钢丝、钢绞线、热处理钢筋作为预应力钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C40。（1）预应力钢筋的净距及保护层应满足的要求。A、对多根预应力钢筋，其端部10d范围内应设置3~5片与预应力钢筋垂直的钢筋B、对钢丝配筋的薄板，在端部100mm范7.4.2构造要求1先张法构件（2）端部加强措施A、对单根预应力钢筋，其端部宜设置长度≥150mm且不少于4圈螺旋筋。B、当有可靠经验时，亦可利用支座垫板上的插筋代替螺旋筋但不少于4根，长度≥120mm。（1）孔道及排气孔要求。（见书）（2）端部加强措施为了提高锚具下混凝土的局部抗压强度，防止局部混凝土压碎，应在端部预埋钢板（厚度≥10mm），并应在垫板下设置附加横向钢筋网片或螺旋式钢筋等措施。2、后张法图6.4后弦法端部加强构造图（3）长期外露的金属锚具应采取涂刷或砂浆封闭等防锈措施。（4）管道压浆要密实，水泥砂浆不宜小于M20，水灰比为0.4~0.45，为减少收缩，可掺入0.001水泥用量的铝粉。