第4章4.预应力混凝土结构

工程结构（1）第四节预应力混凝土结构预应力混凝土构件学习目标•掌握预应力混凝土的概念•熟悉施加预应力的方法•了解预应力混凝土构件截面的受力特点•熟悉预应力损失产生的原因及减少预应力损失的措施预应力混凝土构件qk=10kN/mL0计算跨度为5.2m的简支梁，截面尺寸为200×450mm2，作用均布活荷载标准值qk=10kN/m，均布恒荷载gk=5kN/m。（假定梁跨度增加一倍，截面尺寸也按比例增大，）钢筋混凝土的缺点预应力混凝土一般概念预应力混凝土构件对比一般梁和大跨度梁（或重载）情况预应力混凝土构件大跨度梁：按承载力计算确定的配筋，不能满足挠度和裂缝宽度要求。为了满足挠度和裂缝宽度控制要求，不得不增加钢筋或加大截面尺寸。加大截面尺寸(增加刚度)，会导致自重进一步增大，形成恶性循环。如增加钢筋来提高刚度，钢材的强度得不到充分利用，造成浪费。钢筋混凝土的缺点结论1：普通混凝土不适用于大跨度和重荷载的情况。预应力混凝土一般概念预应力混凝土构件对比一般梁和改用高强度钢筋配筋情况预应力混凝土构件采用高强钢筋，按正截面承载力要求可减少配筋：截面抗弯刚度基本与配筋面积成比例降低，故挠度变形控制难以满足；裂缝宽度与钢筋应力基本成正比，裂缝宽度也会超过允许限值。钢筋混凝土的缺点结论2：在普通混凝土构件（或结构）中，高强度钢筋和高强度混凝土无法得到应用。预应力混凝土一般概念预应力混凝土构件预应力混凝土定义：在构件受荷载以前，预先施加压力使受拉区预先产生预压应力，称为预应力混凝土构件。预应力混凝土一般概念作用：这种预压应力可以部分或全部抵消外荷载产生的拉应力(通过人为控制预压力Np的大小，可使梁截面受拉边缘混凝土产生压应力、零应力或很小的拉应力，以满足不同的裂缝控制要求)，因而可减少甚至避免裂缝的出现。kpN(a)p或pN(b)(c)或(d)kpN(a)p或pN(b)(c)或(d)kpN(a)p或pN(b)(c)或(d)预应力混凝土构件预应力混凝土优点改善结构的使用性能：受弯和受拉构件中采用预应力，可延缓裂缝的出现，减少使用荷载下的裂缝宽度；截面刚度显著提高，使构件挠度减小，可建造大跨度的结构。使高强度钢材和混凝土得到应用：减少用钢量，截面小，自重轻，适用于大跨结构。受剪承载力提高；卸载后结构变形或裂缝得到恢复在使用荷载下，预应力构件基本上处于弹性工作阶段。提高构件的疲劳承载力：有利于结构承受动荷载。预应力混凝土一般概念预应力混凝土构件预应力混凝土缺点施工工序多；施工周期长；需要专业设备；对施工技术要求高；费用高等预应力混凝土一般概念适用范围：普通钢筋混凝土构件力不能及的情形（如大跨度及重荷载结构或有防水、抗渗要求者）。预应力混凝土构件施加预应力的方法通常通过张拉钢筋给混凝土施加预应力。按照张拉钢筋与浇筑混凝土的先后关系，可分为先张法和后张法两种。先张法构件是通过预应力钢筋与混凝土之间的粘结力传递预应力的。适用于在预制厂大批制作中、小型构件，如预应力混凝土楼板、屋面板、梁等。一、先张法施加预应力的方法张拉钢筋浇筑混凝土切断钢筋，混凝土预压预应力混凝土构件先张法的施工设备——夹具夹具是先张法构件施工时保持预应力筋拉力，并将其固定在张拉台座(或设备)上的临时性锚固装置。钢质锥形夹具预应力混凝土构件后张法构件是依靠其两端的锚具锚住预应力钢筋并传递预应力的。这样的锚具是构件的一部分，是永久性的，不能重复使用。适用于在施工现场制作大型构件，如预应力屋架、吊车梁、大跨度桥梁等。二、后张法施加预应力的方法浇筑混凝土构件穿预应力钢筋锚固钢筋，孔道灌浆预应力混凝土构件后张法的施工设备——锚具预应力锚具是确保预应力结构能保持持久正常工作状态的关键部件，它是随着预应力主材(高强度钢筋、钢丝或钢绞线)生产技术的发展而研制开发的。预应力混凝土构件⑴单孔夹片锚预应力混凝土构件⑵多孔夹片锚预应力混凝土构件⑶扁锚预应力混凝土构件锚制作工艺预应力混凝土构件预应力混凝土构件扁锚施工现场预应力混凝土构件后张法其他设备：波纹管及灌浆孔灌浆孔与波纹管预应力混凝土构件所谓张拉是指借助油泵、千斤顶和锚具拉伸并锚固预应力筋，对结构构件建立预加力的过程。后张法其他专业设备——张拉设备预应力混凝土构件预应力混凝土构件无粘结预应力混凝土近几年发展的的预应力混凝土新技术：无粘结预应力混凝土，属后张法一种。无粘结预应力钢筋与混凝土一同浇筑。避免预留孔洞，穿筋，灌浆繁杂过程。适用于跨度大于6m的楼板及大跨度梁。施加预应力的方法预应力混凝土构件无粘结预应力梁铺筋预应力混凝土构件张拉工艺预应力混凝土构件1——高密度聚乙烯或聚丙烯套管2——防腐润滑油脂（1～2mm厚）3——钢绞线（裸线直径为6.25～28.6mm)无粘结钢绞线预应力混凝土构件预应力混凝土构件思考题1为何钢筋混凝土受弯构件不能有效利用高强度钢筋和混凝土？2简述预应力混凝土的基本原理。3施加预应力的方法有哪几种？试列举几个适用范围。预应力混凝土构件思考题什么是张拉控制应力？为何张拉控制应力不能取值过大，也不能取值过小？张拉控制应力的上限值、下限值分别为多少。什么是预应力损失？引起预应力损失的因素有那些？什么是应力松弛？如何减少各项预应力的损失值？预应力损失如何组合？预应力混凝土构件张拉控制应力σcon张拉控制应力是指张拉预应力钢筋时所控制的最大应力值，其值为张拉设备所控制的总的张拉力除以预应力钢筋面积得到的应力值。预应力混凝土构件为何张拉控制应力不能取值过大，也不能取值过小？σcon是施工时张拉预应力钢筋的依据，其取值应适当。若过大，则会产生如下问题：（1）个别钢筋可能被拉断；（2）使开裂荷载与破坏荷载相近，一旦开裂，将很快破坏，即可能产生无预兆的脆性破坏；（3）还会增大预应力钢筋的松弛损失。另外，对后张法构件有可能造成端部混凝土局部受压破坏。因而对张拉控制应力应规定上限值。同时，为了保证构件中建立必要的有效预应力，张拉控制应力取值也不能过小，即也应有下限值。预应力混凝土构件钢筋种类张拉方法先张法后张法预应力钢丝、钢绞线0.750.75热处理钢筋0.70.65混凝土规范规定预应力钢筋的张拉控制应力值不宜超过下表规定的张拉控制应力限值，且不应小于0.4fptk。ptkfptkfptkfptkf张拉控制应力限值张拉控制应力的上限值、下限值预应力混凝土构件预应力损失lossofprestress将预应力钢筋张拉到控制应力后，由于混凝土和钢材的性质及制作方法上的原因，其拉应力值将逐渐减少，并经过相当长的时间才会最终稳定下来，这种应力降低的现象称为预应力损失。预应力混凝土构件各种因素引起的预应力损失张拉端锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失混凝土加热养护时，受张拉的钢筋与承受拉力的设备之间的温差引起的预应力损失预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦引起的预应力损失预应力钢筋的应力松弛引起的预应力损失环向预应力钢筋挤压混凝土引起的预应力损失混凝土的收缩和徐变引起的预应力损失预应力损失1l6l5l4l3l2l预应力混凝土构件预应力损失值的组合先张法构件后张法构件混凝土预压前(第一批)的损失混凝土预压后(第二批)的损失4321llll5l21ll654lll预应力损失的组合预应力混凝土构件预应力混凝土材料——钢材非预应力钢筋：热轧钢筋（HRB235，HRB335，HRB400，RRB400）预应力钢筋：碳素钢丝，刻痕钢丝，钢绞线，热处理钢筋，冷加工钢筋有粘结钢绞线整盘有粘结钢绞线预应力混凝土构件1×3钢绞线6.45、8.60、10.75、12.901×7钢绞线9.0、12.0、15.0无粘结预应力钢丝束15.0（7φ5）无粘结预应力钢绞线1×7－φ121×7－φ15钢材示意预应力混凝土构件在预应力混凝土结构中所采用的混凝土一般要求混凝土的强度等级不低于C30。目前，我国在一些重要的预应力混凝土结构中，已开始采用C50~C60的高强混凝土，最高混凝土强度等级已达到C80，并逐步向更高强度等级的混凝土发展。国外混凝土的平均抗压强度每10年提高5~10MPa，现已出现抗压强度高达200MPa的混凝土。预应力混凝土