第10章 预应力混凝土构件

第10章预应力混凝土构件第一节：概述第二节：预应力混凝土轴心受拉构件的计算第三节：预应力混凝土受弯构件的计算第四节：预应力混凝土构件的构造要求§10.1概述预应力混凝土结构的特点非预应力混凝土受拉及受弯构件具有自身的一些缺点：(1)混凝土抗裂性差。混凝土抗拉强度和极限拉应变值都很小，其极限拉应变约为(1.0~1.5)×10-4，此时钢筋应变仅为屈服应变的10%左右。若使构件在使用荷载下不出现裂缝，则需很大截面；(2)钢筋和混凝土的强度不能得到充分发挥。(3)结构自重大。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。(1)预压应力作用下截面下部受压，上受拉。(2)外荷载作用下中和轴以下受拉，中和轴以上受压。(3)预压应力与外荷载共同作用下可见混凝土受拉区的应力已大为减小，或受压。与钢筋混凝土构件相比，预应力混凝土构件的优点是：(1)可延缓混凝土构件的开裂，提高构件的抗裂性和抗渗性，改善结构的耐久性；(2)可提高构件刚度大，减小变形；(3)充分发挥材料高强度性能，节约钢筋，减轻自重，降低造价；(4)提高构件的抗剪性能、受压构件的稳定性及抗疲劳性等。缺点：是构造、施工和计算均较钢筋混凝土构件复杂，且延性较差。用于重型工业厂房结构、民用房屋结构、铁路及公路桥梁结构、塔桅结构、蓄液池、压力管道等结构。预应力混凝土构件的分类(1)全预应力与部分预应力混凝土构件根据预应力构件截面受拉边缘应力的大小及预应力度的不同进行划分:预应力度受弯构件MM0轴心受拉构件NN00.1全预应力混凝土构件。在荷载效应的标准组合作用下，构件截面受拉边缘上的混凝土不产生拉应力，即保持压应力或零应力工作状态。相当于《规范》中裂缝控制等级为一级，即严格要求不允许出现裂缝的构件。这种预应力混凝土结构抗裂性好，刚度大，但延性较差。0.10部分预应力混凝土构件。在荷载效应的标准组合并考虑长期作用影响下，构件截面受拉边缘上的混凝土允许产生拉应力或裂缝，但最大裂缝宽度不超过允许值。相当于《规范》中裂缝控制等级为三级，即允许出现裂缝的构件。根据荷载效应组合情况，不同程度地保证混凝土不开裂的构件，则称为限值预应力混凝土构件（属于部分预应力混凝土构件）。相当于《规范》中裂缝控制等级为二级，即一般情况下要求不出现裂缝的构件。(2)先张法和后张法预应力混凝土构件根据张拉预应力钢筋与浇注混凝土先后顺序不同划分:先张法预应力混凝土构件先张法预应力混凝土构件就是在浇注混凝土之前，先张拉预应力钢筋的构件。当混凝土达到一定强度以后，切断或放松预应力钢筋，钢筋和混凝土间的粘结作用，从而对混凝土构件产生预压应力。张拉钢筋临时固定钢筋，浇灌混凝土并养护放松钢筋，钢筋回缩，混凝土受预压后张法预应力混凝土构件后张法预应力混凝土构件就是在已完成的构件上张拉预应力钢筋并锚固的构件。它是通过锚具传递预应力的。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、孔道压力灌浆后张法又可分为灌浆和非灌浆两种：(1)灌浆预应力混凝土是在浇注混凝土构件时，预先在构件中留出孔道，当构件混凝土达到规定强度后，将预应力钢筋穿入孔道，张拉到控制应力并锚固，然后向孔道间隙内压力灌入水泥浆，使预应力钢筋与混凝土成为整体。(2)非灌浆预应力混凝土，在浇注混凝土构件时不需要留孔道及灌浆，将预应力钢筋束按设计部位放入构件模板内，然后浇捣混凝土并养护。当构件混凝土达到设计强度后，在构件上直接张拉预应力钢筋束至控制应力，并用锚具将预应力钢筋束两端锚固在构件的端部，张拉预应力钢筋的同时，构件受到预压应力，称为无粘结预应力。(3)有粘结预应力和无粘结预应力混凝土构件根据预应力钢筋与混凝土之间有无粘结划分:通过预应力钢筋与混凝土之间的粘结应力将预应力施加给混凝土构件，称之为有粘结预应力混凝土构件。如先张法预应力混凝土构件、后张法中的灌浆预应力混凝土构件等。无粘结预应力混凝土构件，是通过构件上两端的锚具，将预应力施加在构件上。如后张法中的非灌浆预应力混凝土构件。预应力混凝土构件的材料要求1混凝土(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。混凝土强度高，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。《规范》规定，预应力混凝土构件的混凝土强度等级不应低于C30。对采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋作预应力钢筋的构件，特别是大跨度结构，混凝土强度等级不宜低于C40。2钢筋(1)强度高。预应力钢筋有很大的张拉应力，再加上荷载作用，及为抵消各种预应力损失需要采用较高的张拉应力，要求预应力钢筋具有较高的抗拉强度。(2)具有一定的塑性。为防止预应力混凝土构件发生脆性破坏，要求预应力钢筋具有一定的伸长率。一般要求极限伸长率大于4%。(3)良好的加工性能。要求有良好的可焊性，同时要求钢筋“镦粗”后并不影响其原来的物理力学性能。(4)与混凝土之间有较好的粘结作用。对于采用先张法预应力混凝土构件，当用高强度钢丝时，其表面应进行“刻痕”或“压波”处理。预应力钢材主要有钢绞线、钢丝和热处理钢筋三大类。预应力混凝土构件的锚具和夹具夹具和锚具是指在制作预应力混凝土构件时锚固预应力钢筋的工具。能够取下重复使用的锚具为称夹具(或非工作锚具)；永久固定在构件上的工具称为锚具(工作锚具)。夹具和锚具主要依靠摩阻、握裹和承压锚固来夹住或锚住预应力钢筋。夹具和锚具应具有足够的强度和刚度，锚固性好，构造简单，使用方便，节约材料，价格低，安全可靠。1夹片式锚具(1)JM型锚具锚具由锚环和扇形夹片组成(2)QM型、XM型和OVM型锚具QM型锚具由锚板和夹片组成。XM型锚具的工作原理与QM型锚具基本相同。OVM型锚具是在QM型锚具的基础上，将夹片改为两片，并在夹片背面锯成一条弹性槽，以提高锚固性能和便于施工。QM型、XM型和OVM型锚具都可用于锚固单根或多根钢绞线。2支承式锚具(1)螺丝端杆锚具锚具由螺丝端杆和螺帽两部分组成。主要用于锚固冷拉粗钢筋（直径为22~32mm）及精轧螺纹粗钢筋（直径为25~32mm）。(2)镦头锚具是利用钢丝的镦粗头来锚固预应力钢丝的一种锚具。由锚环、螺母及锚板组成。主要用于锚固多根直线预应力高强钢丝。(3)锥塞式锚具由钢制锚环和锚塞组成。张拉控制应力σcon的确定1定义张拉控制应力是指预应力钢筋在进行张拉时所控制达到的最大应力值。通常用张拉设备（如千斤顶油压表）所指示的总张拉力除以预应力钢筋截面面积而得到的应力值。2控制应力确定原则如果张拉控制应力取值过低，则预应力钢筋经过各种损失后，不能有效地提高预应力混凝土构件的抗裂度和刚度。如果取值过大，钢筋易达到屈服强度，个别钢筋可能脆断，导致构件脆性破坏，可能引起预拉区混凝土开裂或后张法构件端部混凝土局部压坏、构件的延性降低。张拉控制应力值的大小与施加预应力的方法有关，还与预应力钢筋种类有关。(1)对于同一钢种，先张法取值应高于后张法。(2)预应力钢筋都是高强度钢筋，塑性较差，故控制应力不能取得过高。(3)符合下列情况之一者，表10-1中的张拉控制应力限值可提高0.05fptk：1)为了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)为了部分抵消由于应力松弛、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。预应力损失计算预应力混凝土构件在制作和使用过程中，预应力钢筋的张拉应力值不断降低的现象，称为预应力损失。引起预应力损失的因素很多:①由于张拉工艺、构造及材料特性（温度）等各种因素引起构件缩短，钢筋也跟着缩短，即引起预应力损失，可按虎克定律计算；②由某些物理特性（如摩擦）引起预应力损失，按物理特性分析。1由于锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失σl1该种预应力损失存在于先张法和后张法构件中。(1)预应力直线钢筋锚固在台座或构件上的锚具、垫板与构件之间的缝隙被挤紧，以及钢筋和楔块在锚具内滑移，使被拉紧的预应力钢筋内缩引起。plEla1对于块体拼成的预应力结构尚应考虑块体间填缝的预压变形。当采用混凝土或砂浆填缝材料时，每条填缝的预压变形值应取1mm。(2)预应力曲线或折线钢筋锚固时，预应力钢筋回缩，其移动方向与张拉方向相反，因而将产生反向摩擦。由于反向摩擦的作用，锚具变形引起的预应力损失在张拉端最大，随着与张拉端的距离的增大而逐渐减小，直至为零。曲线预应力钢筋应力分布由于锚具变形或预应力钢筋的内缩引起的预应力损失，对于圆弧形预应力钢筋，当其对应的圆心角不大于30度时，距构件端部处x(x≤lf)的σl1fcfconllxrl121反向摩擦影响长度lfcconpfraEl1000减小预应力损失的σl1一般措施：(1)选择锚具变形小或使预应力钢筋内缩小的锚具、夹具，并尽量少用垫板的块数；(2)增加台座长度。采用先张法生产的构件，当台座长度为100m以上时，σl1可忽略不计。2预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦引起的预应力损失σl2该种预应力损失存在于后张法构件中。采用后张法张拉预应力钢筋时，由于钢筋与混凝土孔道壁之间的摩擦阻力与张拉方向相反，钢筋的实际预应力从张拉端往里逐渐减小。产生摩擦损失的原因有两个：(1)对于直线孔道，由于孔道内壁凹凸不平、孔道轴线的局部偏差以及钢筋表面粗糙等原因，使钢筋某些部位紧贴孔道壁而引起摩擦损失；(2)对于曲线孔道，预应力钢筋在弯曲孔道部分张拉，产生了对孔道壁的垂直压力而引起摩擦损失。预留孔道中张拉钢筋与孔道壁的摩擦力xconxconlee1112当2.0x时xconl2减少预应力损失σl2的一般措施：(1)对于较长构件采取两端张拉，则计算中孔道长度按构件的一半长度计算。(2)采用超张拉。张拉到1.1σcon，持荷2min卸荷至0.85σcon，持荷2min张拉至σcon3混凝土加热养护时受张拉的预应力钢筋与承受拉力的设备之间温差引起的预应力损失σl3该种预应力损失存在于先张法构件中。采用蒸汽养护升温时，混凝土强度不大，钢筋受热自由膨胀伸长，两端的台座不升温，其间距离保持不变而产生的预应力损失：tttEpl2102101553减少预应力损失σl3的一般措施：(1)采用两次升温养护。先在常温下养护，待混凝土强度等级达到7.5~10Mpa后，再逐渐升温至规定的养护温度；(2)在钢模上张拉预应力钢筋(如先张大型楼板)。由于预应力钢筋是锚固在钢模上的，升温时两者的温度相同，可以不考虑此项损失。4预应力钢筋应力松弛引起的预应力损失σl4该种预应力损失存在于先张法和后张法构件中。钢筋或钢筋束在高应力下，其长度保持不变时，钢筋的应力会随着时间的增长而逐渐降低，这种现象称为钢筋的应力松弛。(1)对预应力钢丝、钢绞线普通松弛conptkconlf5.04.04低松弛当ptkconf7.0时conptkconlf5.0125.04当时ptkconptkff8.07.0conptkconlf575.02.04(2)对热处理钢筋一次张拉conl05.04超张拉conl035.04预应力钢丝、钢绞线，当5.0ptkconf0.04l减少预应力损失σl4的一般措施：进行超张拉。先控制张拉应力达1.05σcon，持荷5min，然后卸荷再施加张拉应力至σcon。5混凝土收缩、徐变的预应力损失σl5、σ´l5该种预应力损失存在于先张法和后张法构件中。混凝土收缩、徐变引起受拉区纵向预应力钢筋的预应力损失为σl5和受压区纵向预应力钢筋的预应力损失为σ´l5。(1)一般情况先张法构件'560340115pcculf'''5'60340115pcculf后张法构件'555300115pc