预应力混凝土结构应用构件

1.1第10章预应力混凝土结构构件1.1第10章预应力混凝土结构构件返回总目录1.2第10章预应力混凝土结构构件1.2教学提示：预应力混凝土结构是由配置受力的预应力钢筋通过张拉或其他方法建立预应力的混凝土制成的结构。它从本质上改善了钢筋混凝土结构受力性能，具有技术革命的意义。本章难点在混凝土构件中预应力钢筋的应力将出现损失。引起预应力损失的因素较多，各种预应力出现的时刻和延续的时间各不相同，先张法构件和后张法构件在同一应力阶段上发生的预应力损失也不尽相同，因而增强了计算的复杂性。本章在预应力混凝土基本原理学习基础上，介绍预应力轴心受拉构件和预应力混凝土受弯构件设计理论。教学要求：要求学生熟练掌握预应力混凝土结构的基本概念、各项预应力损失值的意义和计算方法、预应力损失值的组合。熟练掌握预应力轴心受拉构件各阶段的应力状态、设计计算方法和主要构造要求。掌握预应力混凝土受弯构件各阶段的应力状态、设计计算方法和主要构造要求。1.3第10章预应力混凝土结构构件1.3●10.1预应力混凝土结构的基本原理与计算规定●10.2预应力混凝土轴心受拉构件●10.3预应力混凝土受弯构件●10.4预应力混凝土的构造要求●10.5思考题●10.6习题本章内容1.4第10章预应力混凝土结构构件1.410.1预应力混凝土结构的基本原理与计算规定10.1.1预应力混凝土的概念普通钢筋混凝土结构充分利用了钢筋和混凝土两种材料受力特点，具有诸多优点，但也存在着缺点：混凝土抗拉强度和极限拉应变很低，导致裂缝过早地出现。混凝土极限拉应变约为(0.10～0.15)10-3，钢筋HPB235、HRB335、HRB400和RRB400屈服时，其应变约为(1.00～1.80)10-3。由此可以看出，混凝土开裂时钢筋的设计强度只发挥了1/11左右。普通钢筋混凝土不可能充分利用高强度材料。提高混凝土强度等级对提高其极限拉应变值很小(不能使用高强混凝土)，对构件承载力提高极限值不大。采用高强度钢筋，导致构件变形和裂缝的扩展，使fmax≤flim，≤不成立(不能使用高强钢筋)，使构件不能满足正常使用极限状态要求。在很多情况下，普通钢筋混凝土结构不能适应大跨度、大开间工程结构的需要。采用普通钢筋混凝土建造大跨度、大开间结构，由于无法利用高强度材料，必将导致结构的截面尺寸和自重过大，以致无法建造。为了避免混凝土结构中出现裂缝或推迟裂缝的出现，充分利用高强度材料以及适应大跨度、大开间工程结构的需要，目前最好的办法是在结构构件受外荷作用前，预先对外荷产生拉应力部位的混凝土施加压力造成人为的压应力状态(注意：施工阶段与maxwlimwmaxwlimw1.5第10章预应力混凝土结构构件1.510.1预应力混凝土结构的基本原理与计算规定使用阶段应力状态的区别)。它所产生的预压应力可以抵消外荷载所引起的大部分或全部拉应力，从而使结构构件在使用时的拉应力不大甚至处于受压状态，这样，结构构件在外荷载作用下，裂缝不致产生；即使产生，裂缝开展宽度也不致过大。这种在构件受荷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。现以预应力简支梁的受力情况，说明预应力的基本原理(如图10.1所示)。在外荷载作用前，预先在梁的受拉区施加一对大小相等、方向相反的偏心预压应力N，使得梁截面下边缘混凝土产生预压应力(如图10.1(a)所示)。当外荷q作用时，截面下边缘将产生拉应力(如图10.1(b)所示)。在二者共同作用下，梁的应力分布为上述两种情况的叠加；梁的下边缘应力可能是数值很小的拉应力(如图10.1(c)所示)，也可能是压应力。也就是说，由于预压力的作用可部分抵消或全部抵消外荷载所引起的拉应力，因而延缓了混凝土构件的开裂。预应力混凝土与普通混凝土相比，具有以下特点：(1)构件的抗裂度和刚度提高。由于预应力钢筋混凝土中预应力的作用，当构件在使用阶段外荷载作用下产生拉应力时，首先要抵消预压应力。这就推迟了混凝土裂缝的出现并限制了裂缝的发展，从而提高了混凝土构件的抗裂度和cpscts1.6第10章预应力混凝土结构构件1.610.1预应力混凝土结构的基本原理与计算规定刚度。(2)构件的耐久性增加。预应力混凝土能避免或延缓构件出现裂缝，而且能限制裂缝的扩大，构件内的预应力筋不容易锈蚀，延长了使用期限。(3)自重减轻。由于采用高强度材料，构件截面尺寸相应减小自重减轻。(4)节省材料。预应力混凝土可以发挥钢材的强度，钢材和混凝土的用量均可减少。(5)预应力混凝土施工，需要专门的材料和设备、特殊的工艺造价较高。由此可见，预应力混凝土构件从本质上改善了钢筋混凝土结构受力性能，因而具有技术革命的意义。cp(压应力)拉应力N(a)预压力作用1.7第10章预应力混凝土结构构件1.710.1预应力混凝土结构的基本原理与计算规定ct(拉应力)压应力(b)荷载作用(c)预压力与荷载共同作用图10.1预应力梁的受力情况1.8第10章预应力混凝土结构构件1.810.1预应力混凝土结构的基本原理与计算规定10.1.2预应力混凝土的分类预应力混凝土按预加应力的方法可分为先张法预应力混凝土和后张法预应力混凝土；按预加应力的程度可分为全预应力混凝土和部分预应力混凝土；按预应力钢筋与混凝土的黏结状况可分为有黏结预应力混凝土和无黏结预应力混凝土；按预应力筋的位置可分为体内预应力混凝土和体外预应力混凝土。1.先张法预应力混凝土和后张法预应力混凝土钢筋混凝土构件中配有纵向受力钢筋，通过这些纵向受力钢筋并使其产生回缩，对构件施加预应力。根据张拉预应力钢筋和浇捣混凝土的先后顺序，将建立预应力的方法分为先张法和后张法。1)先张法预应力混凝土先张法的主要工序是：①钢筋就位(如图10.2(a)所示)；②张拉预应力钢筋(如图10.2(b)所示)；③临时锚固钢筋，浇注混凝土(如图10.2(c)所示)；④切断预应力筋，混凝土受压，此时混凝土强度约为设计强度的75%(如图10.2(d)所示)。采用先张法时，预应力的建立主要依靠钢筋与混凝土之间的黏结力。该方法适用于以钢丝或d16mm钢筋配筋的中、小型构件，如预应力混凝土空心板等。1.9第10章预应力混凝土结构构件1.910.1预应力混凝土结构的基本原理与计算规定先张法工艺简单，质量比较容易保证，成本低，所以，先张法是目前我国生产预应力混凝土构件的主要方法之一。钢筋拉伸c=0pcp-p(a)(b)(c)(d)切断钢筋，钢筋回弹图10.2先张法预应力混凝土构件施工工序1.10第10章预应力混凝土结构构件1.1010.1预应力混凝土结构的基本原理与计算规定2)后张法预应力混凝土后张法的主要工序是：①制作构件，预留孔道(塑料管，铁管)(如图10.3(a)所示)；②穿筋(如图10.3(b)所示)；③张拉预应力钢筋(如图10.3(c)所示)；④锚固钢筋，孔道灌浆(如图10.3(d)所示)。采用后张法时，预应力的建立主要依靠构件两端的锚固装置。该法适用于钢筋或铰线配筋的大型预应力构件，如屋架、吊车梁、屋面梁。后张法施加预应力方法的缺点是工序多，预留孔道占截面面积大。施工复杂压力灌浆费时，造价高。灌浆(a)(b)(c)(d)图10.3后张法预应力混凝土构件施工工序1.11第10章预应力混凝土结构构件1.1110.1预应力混凝土结构的基本原理与计算规定2.全预应力混凝土和部分预应力混凝土对于预应力混凝土结构，可依据其预应力度不同，划分为若干等级。1970年国际预应力混凝土协会和欧洲混凝土委员会(CEB-FIP)曾建议将配筋混凝土分为4个等级：Ⅰ级(全预应力混凝土)、Ⅱ级(有限预应力混凝土)、Ⅲ级(部分预应力混凝土)和Ⅳ级(普通钢筋混凝土)。1)全预应力混凝土全预应力混凝土系指预应力混凝土结构在最不利荷载效应组合作用下，混凝土中不允许出现拉应力。全预应力混凝土具有抗裂性好和刚度大等优点。但也存在着以下缺点：①抗裂要求高，预应力钢筋的配筋量取决于抗裂要求，而不是取决于承载力的需要，导致预应力钢筋配筋量增大；②张拉应力高，对锚具和张拉设备要求高，锚具下混凝土受到较大的局部压力，需配置较多的钢筋网片或螺旋筋；③施加预压力时，构件产生过大反拱，而且由于高压应力下的徐变和反拱随时间而增长。2)部分预应力混凝土1.12第10章预应力混凝土结构构件1.1210.1预应力混凝土结构的基本原理与计算规定部分预应力混凝土系指预应力混凝土结构在最不利荷载效应组合作用下，容许混凝土受拉区出现拉应力或裂缝。其中，对最不利荷载效应组合作用下，受拉区出现拉应力但不出现裂缝的预应力混凝土结构称为有限预应力混凝土.部分预应力混凝土既克服了全预应力混凝土的缺点，又可以用预应力改善钢筋混凝土构件的受力性能，使开裂推迟，增加刚度并减轻自重。与全预应力混凝土结构相比，部分预应力混凝土结构虽然抗裂性能稍差，刚度稍小，但只要能满足使用要求，仍然是允许的。越来越多的研究成果和工程实践表明，采用部分预应力混凝土结构是合理的。可以认为，部分预应力混凝土结构的出现是预应力混凝土结构设计和应用的一个重要发展。3.有黏结预应力混凝土和无黏结预应力混凝土有黏结预应力混凝土系指预应力钢筋与其周围的混凝土有可靠的黏结强度，使得在荷载作用下预应力钢筋与其周围的混凝土有共同的变形。先张法预应力混凝土和后张法预应力混凝土均为有黏结预应力混凝土。1.13第10章预应力混凝土结构构件1.13无黏结预应力混凝土系指预应力钢筋与其周围的混凝土没有任何黏结强度，在荷载作用下预应力钢筋与其周围的混凝土各自变形。这种预应力混凝土采用的预应力筋全长涂有特制的防锈油脂，并套有防老化的塑料管保护。4.体内预应力混凝土和体外预应力混凝土体内预应力混凝土系指预应力筋布置在混凝土构件体内的预应力混凝土。先张法预应力混凝土和后张法预应力混凝土等均属此类。体外预应力混凝土系指预应力筋布置在混凝土构件体外的预应力混凝土(如图10.4所示)。混凝土斜拉桥与悬索桥属此类特例。10.1预应力混凝土结构的基本原理与计算规定体外预应力钢筋T形梁体外预应力钢筋转向块转向块1转向块1-1图10.4体外预应力混凝土结构1.14第10章预应力混凝土结构构件1.1410.1预应力混凝土结构的基本原理与计算规定10.1.3预应力混凝土的材料1.预应力钢筋与普通混凝土构件不同，钢筋在预应力构件中，从构件制作到构件破坏，始终处于高应力状态，故对钢筋有较高的质量要求。预应力混凝土结构对钢筋的性能要求：(1)高强度。预应力混凝土构件通过张拉预应力钢筋，在混凝土中建立预压应力。在制作和使用过程中，由于多种原因使预应力钢筋的张拉应力产生应力损失。为了在扣除应力损失以后，仍然能使混凝土建立起较高的预应力值，需要采用较高的张拉应力，因此，预应力钢筋必须采用高强度钢材。(2)较好的黏结性能。在受力传递长度内钢筋与混凝土间的黏结力是先张法构件建立预应力的前提，因此必须有足够的黏结强度。当采用光面高强钢丝时，表面应经“刻痕”或“压波”等措施处理后方能使用。(3)较好的塑性。为实现预应力结构的延性破坏，保证预应力筋的弯曲和转折要求，预应力筋必须具有足够的塑性，即预应力筋必须满足一定的拉断延伸率和弯折次数的要求。我国目前用于预应力混凝土结构中的钢材有热处理钢筋、消除应力钢丝(有光面、螺旋肋、刻痕)和钢绞线三大类。1.15第10章预应力混凝土结构构件1.1510.1预应力混凝土结构的基本原理与计算规定热处理钢筋具有强度高、松弛小等特点。它以盘圆形式供货，可省掉冷拉、对焊等工序，大大方便施工。高强钢丝用高碳钢轧制成盘圆后经过多次冷拔而成。它多用于大跨度构件，如桥梁上的预应力大梁等。钢绞线一般由多股高强钢丝经铰盘拧成螺旋状而形成，多在后张法预应力构件中采用。2.混凝土预应力混凝土构件对混凝土的基本要求：(1)高强度。预应力混凝土需要采用较高强度的混凝土，才能建立起较高的预压应力，有效地减小构件截面尺寸，减轻构件自重节约材料。对于先张法构件，高强度的混凝土具有较高的黏结强度，可减少构件端部应力传递长度；对于后张法构件，采用高强度混凝土可承受构件端部较高的局部压应