10 预应力混凝土结构

第十章预应力混凝土结构PrestressedConcreteStructure10.1预应力混凝土的基本概念１、普通钢筋混凝土的缺点：由于混凝土的抗拉强度低，所以：a.在使用阶段总会出现裂缝。b.对于大跨度结构，难以满足挠度和裂缝的要求。如果增大截面尺寸，则回导致自重增加，形成恶性循环；如果靠增加配筋，或用高强钢筋，则钢材的强度得不到充分利用，造成浪费。因此，普通钢筋混凝土结构不能用于：对变形和裂缝宽度有严格限制；大跨度结构和重载结构。为解决上述问题：2、预应力：在混凝土结构承受使用荷载之前的制作阶段预先对砼施加压应力。手握拉紧的皮筋预应力钢筒混凝土管（PrestressedConcreteCylinderPipe）简称PCCP，是一种新型的钢性管材。它是带有钢筒的高强度混凝土管芯缠绕预应力钢丝，喷以水泥砂浆保护层，采用钢制承插口，同钢筒焊在一起，承插口有凹槽和胶圈形成了滑动式胶圈的柔性接头，是钢板、混凝土、高强钢丝和水泥砂浆几种材料组成的复合结构，具有钢材和混凝土各自的特性。根据钢筒在管芯中位置的不同，可分为两种：内衬式预应力钢筒混凝土管（PCCPL）、埋置式预应力钢筒混凝土管（PCCPE）。预应力钢筒混凝土管（PCCP）具有合理的复合结构、承受内外压较高、接头密封性好、抗震能力强、施工方便快捷、防腐性能好、维护方便等特性，被工程界所关注，广泛应用于长距离输水干线、压力倒虹吸、城市供水工程、工业有压输水管线、电厂循环水工程下水管道、压力排污干管等。与以往管材相比，PCCP具有适用范围广，经济寿命长、抗震性能好、安装方便、运行费用低，基本不漏水等优点。我国引用预应力钢筒混凝土管（PCCP）的水利工程有：山西万家寨引黄工程、深圳东部引水工程、哈尔滨磨盘山引水工程等，在运用过程中受到好评。3、预应力混凝土结构主要优点是：①提高构件的抗裂度，因此适用于对裂缝要求严格的结构；②提高了构件的刚度，减少构件的总挠度；③节省材料（可节省钢材３０％～５０％）和减轻结构自重，因此适用于跨度大或承受重型荷载的构件；④提高了结构或构件的耐久性、耐疲劳性和抗震能力。缺点：需要增设施加预应力的设备，制作技术要求较高，施工工序长。某些构件如大跨度结构，有时会产生反拱，影响正常使用。4、预应力混凝土的分类按照使用荷载下对截面拉应力控制要求的不同，预应力混凝土结构构件可分为三种：①全预应力混凝土指在全部荷载组合下构件截面上均不允许出现拉应力。大致相当于裂缝控制等级为一级的构件。②有限预应力混凝土指在短期荷载作用下，容许混凝土承受不超过其抗拉强度的拉应力值；但在长期荷载作用下，混凝土不得受拉的要求设计。相当于裂缝控制等级为二级的构件。③部分预应力混凝土部分预应力混凝土是按在使用荷载作用下，容许出现裂缝，但最大裂宽不超过允许值的要求设计。相当于裂缝控制等级为三级的构件。全预应力混凝土：具有抗裂性和抗疲劳性好、刚度大等优点，但也存在构件反拱值过大，延性差，预应力钢筋配筋量大，施加预应力工艺复杂、费用高等主要缺点。有限或部分预应力混凝土：１）介于全预应力和普通钢筋混凝土之间，有很大的选择范围，设计者可根据结构的功能要求和环境条件，选用不同的预应力值以控制构件的变形和裂缝；２）并在破坏前具有必要的延性；３）使总造价降低；减小过大的反拱。因而是当前的一个主要发展趋势。5、设计预应力构件时，其计算内容包括：使用阶段（１）承载力计算（２）抗裂＼裂缝宽度计算（３）挠度验算施工阶段（１）混凝土强度验算（２）抗裂验算END10.2.1施加预应力的方法先张法预应力是靠钢筋和混凝土之间的黏结力传递。①基建投资比较大，可以成批生产。后张法②后张法spcsp锚具下混凝土局部承压问题预应力是靠两端的工作锚传递给混凝土的。可现场制作，多用于大型构件。增加了留口、灌浆等工序，施工比较复杂。无粘结预应力混凝土★钢筋和混凝土之间能滑动。★一定要有非预应力筋，适合于采用混合配筋。③④自张法施加于应力，称为自应力混凝土。10.2.2预应力混凝土的材料（1）预应力混凝土结构对钢筋的要求①高强度预应力混凝土构件在制作和使用过程中，由于种种原因，会出现各种预应力损失，为了在扣除预应力损失后，仍然能使混凝土建立起较高的预应力值，需采用较高的张拉应力，因此预应力钢筋必须采用高强钢筋（丝）；②具有一定的塑性为防止发生脆性破坏，要求预应方钢筋在拉断时，具有一定的伸长率；③良好的加工性能即要求钢筋有良好的可焊性，以及钢筋“镦粗”后并不影响原来的物理性能；④与混凝土之间有较好的黏结强度、先张法构件的预应力传递是靠钢筋和混凝土之间的黏结力完成的，因此需要有足够的黏结强度。（2）预应力混凝土结构对混凝土的要求①强度高预应力混凝土只有采用较高强度的混凝土，才能建立起较高的预压应力，并可减少构件截面尺寸，减轻结构自重。对先张法构件，采用较高强度的混凝土可以提高黏结强度，对后张法构件，则可承受构件端部强大的预压力；②收缩、徐变小这样可以减少由于收缩、徐变引起的预应力损失；③快硬、早强这样可以尽早施加预应力，加快台座、锚具、夹具的周转率，以利加快施工进度，降低间接费用。一般预应力混凝土构件的混凝土强度等级不低于C30，当采用高强钢丝时不低于C40。10.2.3锚具和夹具锚、夹具：用于固定钢筋构件制作完后，能取下重复使用–––夹具用于永久固定钢筋、作为构件的一部分–––锚具不同种类的锚具，有不同的固定原理。同时固定预应力筋不同。锚具不同则回缩量不同，尺寸外形对构件的影响不同。先张法单根冷轧带肋钢筋的张拉采用粗钢筋作为预应力筋时，对于单根钢筋最常用的办法是在钢筋端部，连接一工具式螺杆，螺杆穿过台座的活动钢横梁后，用螺母固定。利用普通千斤顶推动活动钢横梁就可以张拉钢筋，如图所示。后张法的锚具钢丝束的张拉：常采用图所示的锥形锚具配用外夹式双作用千斤顶进行张拉。锥形锚具由钢锚圈及带齿的园锥体锚塞组成，锚塞中间有小孔，作为锚固后灌浆用。施工时，由双作用千斤顶先张拉钢丝，之后又将锚塞顶压入锚圈内。钢筋束或钢铰线的张拉：可采用图a所示的JM12型锚具。JM12型锚具由锚环和夹片组成，夹片可为3~6片，用以锚固3~6根直径为12~14mm的钢筋，或5~6根7股4mm的钢铰线。施工时，用JM12型锚具配用穿心式千斤顶进行张拉。单根粗钢筋的张拉：可采用图b所示的螺丝端杆锚具。施工时，将要张拉单根预应力钢筋与螺丝端杆锚具焊接，螺丝端杆锚具的另一端与张拉设备相连，张拉完毕后，通过螺帽和垫板将预应力钢筋锚固在构件上。钢丝束或钢铰线的张拉。END①fptk表示预应力钢筋的强度标准值。fpyk表示预应力钢丝、钢铰线的强度标准值。②不宜超过表中数值。但也不宜过低，而不能充分利用钢筋的强度：项次1和项次2：；项次3：。③《规范》还规定,当符合一定情况时（书上）,[σcon]可以提高0.05fptk或提高0.05fptk：10.3.1预应力钢筋张拉控制应力10.3.2预应力损失◆定义：预应力筋张拉后，由于混凝土和钢材的性质以及制作方法上原因，预应力筋中应力会从scon逐步减少，并经过相当长的时间才会最终稳定下来，这种应力降低现象称为预应力损失。◆由于最终稳定后的应力值才对构件产生实际的预应力效果。因此，预应力损失是预应力混凝土结构设计和施工中的一个关键的问题。◆过高或过低估计预应力损失，都会对结构的使用性能产生不利影响。主要有：◆锚固损失sl1：锚具变形引起预应力筋的回缩、滑移◆摩擦损失sl2：后张法预应力筋与孔道壁之间的摩擦，先张法预应力筋与锚具之间以及折点处的摩擦。◆温差损失sl3：先张法中的热养护引起的温差损失◆松弛损失sl4：预应力筋在高应力的长期作用下会产生松弛。◆混凝土的收缩和徐变引起的损失sl5◆环形构件中由于混凝土的挤压引起的预应力损失sl6。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slEla1s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。当为曲线型预应力钢筋时，由于钢筋回缩受到曲线型孔道反向摩擦力的影响，σl1要降低,而且构件各截面所产生的损失值不尽相同，离张拉端越远，其值越小。至离张拉端某一距离lf，预应力损失σl1降为零，此距离为反向摩擦影响长度。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。2）预应力钢筋与孔道壁之间摩擦引起的预应力损失σl2211lconkxess式中k——考虑孔道局部偏差对摩擦影响的系数，查表：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（以弧度计）。当近似公式：0.2kx2()lconkxss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：conconconsssmin2min285.01.10荷载荷载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）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。4）钢筋应力松弛引起的预应力损失σl4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。采用超张拉可使应力松弛损失有所降低。超张拉程序为:conconss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（占全部损失的40%~50%）混凝土结硬时产生体积收缩，在预压力作用作用下，混凝土会发生徐变，这都会使构件缩短，构件中的预应力钢筋跟着回缩，造成预应力损失。先张法构件151/22045151/2204555sssscupclcupclff后张法构件151/22025151/2202555sssscupclcupclff式中σpc,σpc′——分别为完成第一批预应力损失后受拉区、受压区预应力钢筋合力点处混凝土法向压应力；fcu′——施加预应力时混凝土的实际立方体抗压强度。一般fcu′不等于构件混凝土的立方体强度fcu，但要求fcu≥0.75fcu′；ρ，ρ′——受拉区、受压区预应力钢筋和非预应力钢筋的配筋率。先张法构件00AAAAAAspsp后张法构件nspnspAAAAAA式中Ap,Ap′——分别为受拉区和受压区预应力钢筋截面面积，对称配筋的构件，取ρ，ρ′，此时配筋率应按钢筋截面面积的一半进行计算；A0,An′——分别为混凝土换算截面积、净截面面积。后张法构件收缩徐变损失比先张法构件小，原因是后张法构件在施加预应力时，混凝土的收缩已完成一部分。以上公式适用于一般相对湿度环境，高湿度环境下，σl5，σl5′应降低