第12章预应力结构基本概念及其材料

第12章预应力混凝土结构的基本概念及其材料一、基本概念1.普通钢筋混凝土的局限性*普通钢筋混凝土的使用因上述原因而受到限制*带裂缝而影响耐久性*构件的自重大*高强钢筋无法使用基本原理§12.12.预应力混凝土结构的基本原理Lh/ehhbNppNe=h/L（压）cubhMpNNpMMcpubud）e）qMbhcb（拉）Mbh（压）h/h/（压）bhMc）a）b）以简支梁为例2266cucbMbhMbh上缘：（压应力）下缘：（拉应力）22222313066666ppcpuppcpbNNeMMhbhbhbhbhhNNeMbhbhbh上缘：下缘：（压应力）2.预应力混凝土结构的基本原理概念所谓预应力混凝土，就是事先人为地在混凝土或钢筋混凝土中引入内部应力，且其数值和分布恰好能将使用荷载产生的应力抵消到一个合适程度的配筋混凝土。2.预应力混凝土结构的基本原理1、预应力混凝土的分级I级——全预应力：不消压II级——有限预应力：可受拉，但不开裂III级——部分预应力：允许开裂IV级——钢筋混凝土：无预应力为避免将分级误解为质量的好坏，代之按使用要求限制裂缝宽度和选择预应力度。图示二、配筋混凝土结构的分类2.预应力度：定义：sMM0钢筋混凝土部分预应力全预应力01013.部分预应力混凝土构件的分类：A类：当对构件控制截面受拉边缘的拉应力加以限制时，为A类预应力混凝土构件；B类：当构件控制截面受拉边缘应力超过限值或出现不超过宽度限值的裂缝时，为B类构件。4、配筋混凝土的其它分类方法：“配筋强度比”syppyppyAfAfAf三、预应力混凝土结构的优缺点优点：（1）提高了构件的抗裂度和刚度：（2）节省材料，减少自重；（3）可以减少混凝土梁的竖向剪力和主拉应力；（4）结构质量安全可靠；（5）预应力可以作为结构构件连接的手段。缺点：（1）工艺较复杂；（2）需要专门的设备；（3）预应力拱度不易控制；（4）费用高；张拉钢筋并在台座上固定浇注混凝土构件混凝土强度达设计强度的75%以上时剪断钢筋先张法1.先张法依靠粘结力来传递并保持预加应力预加应力的主要方法§12.2先张法浇混凝土构件，并在构件中预留孔道在构件中预留孔道中穿钢筋并张拉锚固灌浆后张法依靠工作锚具来传递和保持预加应力2.后张法后张法(Pretension)后张法Post-tension二：锚具1.对锚具的要求1、预应力结构对锚具的要求(1)根据设计取用的预应力筋种类、预压力大小及布束的需要选择预应力锚具(2)锚具应只有足够的强度和刚度，安全可靠；(3)构造简单，加工制作方便；(4)施工方便、节省材料、价格低廉。*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。锚具分类方法：按锚固受力筋类型：锚粗钢筋、钢丝束、钢铰线、钢筋束按传递预应力的原理分：支承式和摩擦式按锚具的使用位置不同：张拉端和固定端1、承压型锚具——钢筋螺纹锚：利用螺帽、垫板等的承压作用将预应力钢筋锚固在端部粗钢筋锚固螺母圆垫圈钢垫板螺旋筋预留孔道排气槽螺帽锚固板灌浆排气波纹套管钢筋梁体a）b）特点：属于自承式锚具，操作简单，受力可靠，滑移量小。适用于较短的预应力构件及直线预应构件。缺点：下料长工度精度要求高，不可多根锚固。常用锚具2、承压形锚具：镦头锚具张拉端固定端锚杯型锚环型锚板型特点：支承式锚具，加工简单、张拉方便，锚固可靠，成本低廉缺点：钢丝下料长度要求较严，张拉端一般要扩孔，较费人工适用于单跨结构及直线型构件一般用锚板型墩头锚工作示意图孔道长度L穿束方向固定端锚圈（螺帽）钢丝镦头预留孔道锚杯垫板锚圈（螺帽）锚杯接千斤顶钢丝镦头压浆孔预留孔道扩口张拉端1.DM-60，2.DXM-60，3.DM-120，4.DXM-120墩头锚产品图片3、摩擦型锚具——锥形锚可以用到固定端，也可以用于张拉端钢丝通过摩擦力将预拉力传给锚环，锚环通过承压板将预应力传给混凝土缺点：滑移量大、每根钢丝应力有差异摩擦型锚具——锥形锚摩擦型锚具——夹片式锚铸铁喇叭管锚板锥孔螺旋筋铸铁喇叭管工作锚夹板工作锚接片钢绞线波纹管NconpN摩擦型锚具——夹片式锚BM型扁锚二、施加预应力的方法2.锚具和夹具摩擦型锚具——夹片式锚工程例子二、施加预应力的方法2.锚具和夹具工程例子二、施加预应力的方法2.锚具和夹具张拉设备——千斤顶制孔器穿索机灌孔水泥浆及压浆机张拉台座进入下一节返回什么是镦头锚具：利用钢丝的镦粗头来锚固预应力钢丝的一种支承式锚具返回两种千斤顶返回预应力波纹管波纹管机返回预应力穿索机返回预应力灌浆机返回一、混凝土1、对混凝土的要求混凝土的种类很多，在预应力混凝土中一般采用以水泥为胶结材料的混凝土。预应力混凝土应具有高强度(且早期高强)和小变形(包括收缩和徐变小)的特点。另外，轻质、高性能也将成为预应力混凝土的主要指标。预应力混凝土结构的材料§12.3（1）高强度要求采用高强混凝土的原因：１、采用与高强预应力筋相匹配的高强混凝土，可以充分发挥材料强度，从而有效减小构件截面尺寸和自重．以利于适应大跨径的要求；２、高强混凝土具有较高的弹性模量，从而具有更小的弹性变形和与强度有关的塑性变形，预应力损失也可相应减小，３、高强混凝土具有更高的抗拉强度、局部承压强度以及较强的粘结性能，从而可推迟构件正截面和斜截面裂缝的出现，有利于后张和先张预应力筋的锚固。预应力混凝土不仅应高强而且也要早期高强，以便早日施加预应力，提高构件的生产效率和设备的利用率。2）低收缩、低徐变在预应力混凝土结构中采用低收缩、低徐变的混凝土，一方面可以减小由于混凝土收缩、徐变产少的预应力损失，另一方面也可以有效控制预应力混凝土结构的徐变变形。影响混凝土收缩和徐变的因素：1、2、3、4、53）快硬、早强预应力结构中的混凝土具有快硬、早强的性质，可尽早施加顶应力，加快施工进度提高设备以及模板的利用率。2、混凝土的强度和弹性模量2、混凝土的强度和弹性模量3、高强混凝土高强混凝土是指采用常规的水泥、砂石为原材料，采用常规的生产工艺，主要依靠添加高效减水剂或同时掺加一定数量的活性矿物材料．使新拌混凝上拥有良好的工作性能，并在硬化后具有高强、高密实性的水泥混凝土。目前抗压强度超过50MPa的混凝土通常被认为是高强混凝土，80MPa以上的称为超高强混凝土。4、高性能混凝土人们总是以强度来评价混凝土的性能。但实践表明，诸如桥梁、道路、海上构筑物、化工构筑物等使用寿命期较长且处于恶劣环境中的结构物的破坏原因，并不是强度问题，而是耐久件问题。事实上．强度高的混凝土个一定能够保证有足够的耐久性。混凝土除应较高的强度、良好的工作性能以及在超载、事故或地震情况下有足够的延性外，还必须能够抵抗气候作用、化学侵蚀、磨损以及其他破坏，并具备热反应低、密度小、耐磨、低收缩、低徐变、耐疲劳和放气少等特性。高性能混凝土这一术语就是对这样一种材料的概括。4、高性能混凝土具体体现在：1)较高的早期强度、高验收强度；2)高耐久性，可保护钢筋不被锈蚀，当在恶劣条件下使用时，同样可保持混凝土坚固耐久；3)良好的上作性能，既可配制坍落度为152~203mm的混凝土，又可以配制坍落度大干203mm的流态混凝土，而不发生离析。5、轻骨料混凝土：为了增大预应力混凝土结构的跨越能力、增强其对周围环境的耐久性，除应采用高强的混凝土材料，还必须采用轻质和高性能的混凝土材料。混凝土材料的强度／自重比较低是个不利因素，随着预应力混凝土结构跨径的不断增大，自重也随之增加，这使得结构的承载能力大部分消耗于抵抗自重内力。因此，轻骨料混凝应用于预预应力结构具有直接的经济利益。6、混凝土的应力-应变曲线：7、混凝土的变形横向变形收缩变形徐变变形8、混凝土的疲劳强度高；快硬、早强；混凝土强度等级不应低于C40要求长期荷载作用下混凝土的变形性能——徐变变形性能结硬过程中混凝土体积缩小的性质——收缩使预应力混凝土构件缩短，从而引起预应力钢筋中的预拉应力的下降预应力损失高强混凝土：采用水泥、砂石原料和常规工艺配制，依靠添加高效减水剂或掺加粉煤灰、磨细矿渣、F矿粉或硅粉等活性矿物材料，使新拌混凝土具有良好的工作性能，并在硬化后具有高强度、高密实性的强度等级为C50及以上的混凝土。徐变变形计算影响徐变的主要因素：荷载应力、持荷时间、混凝土的品质与加载龄期、以及构件尺寸和工作的环境等c≤0.5fck，徐变变形与应力成正比----线性徐变c0.6fc----非线性徐变ececlllllleeccc0.8fc----造成混凝土破坏，不稳定徐变变形值徐变系数000,ctttt加载龄期计算考虑龄期混凝土按可查表采用名义徐变系数：50~2000CCtfcmRH0.301001cHtttttttt收缩变形计算收缩开始时的混凝土龄期计算考虑龄期sscsscstttt0,RHcmscsf0名义收缩系数：0.51201350ssssttttthhttt严格控制水灰比注意选用高标号水泥并宜控制水泥用量不大于500kg/m3选用优质活性掺合料加强振捣与养护配制要求与措施二、预应力钢材一、对预应力筋的要求1、高强度预应力筋有效预应力的大小取决于预应力筋张拉控制应力的大小。考虑到预应力结构在施工以及使用过程中将出现的各种预应力损失，只有采用高强材料，才有可能建立较高的有效预应力。提高钢材的强度通常有三种不同的方法：1)在钢材成分中增加某些合金元素．如碳、锰、硅、铬等；2)采用冷拔、冷拉等方法来提高钢材屈服强度；3)通过调质热处理、高频感应热处理、余热处理等方法提高钢材强度。2、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。3、较好的粘结性能在先张法预应力构件中，预应力筋和混凝土之间应具有可靠的粘结力．以确保预应力筋的预应力可靠地传递至混凝土中。在后张法预应力构件中，预应力筋与孔道后灌浆水泥之间应有较高的粘结强度，以使预应力筋与周围的混凝土形成一个整体来共同承受外荷载。另外在采用高强钢丝作为预应力筋时，宜选用刻痕钢丝或以钢丝为母材扭绞形成的钢绞线，以改善钢丝和混凝土之间的粘结性能。4、应力松弛损失要低桥梁规范推荐采用的预应力钢筋种类：１、钢铰线２、高钢度钢丝3、精轧螺纹钢筋一、预加应力的目的是将混凝土变成弹性材料二、预加应力的目的是使高强度筋和混凝土能够共同工作三、预加应力的目的是实现荷载平衡预应力混凝土结构的三种概念§12.3