《预应力混凝土构》PPT课件.ppt

第十章 预应力混凝土结构简介 本章内容：预应力混凝土结构构件。 学习重点：预应力混凝土的工作原理，以及 施加预应力的方法，预应力损失 的种类及组合。 本章提要 预 应 力 混 凝 土 结 构 Prestressed Concrete Structure 第十章 预应力混凝土结构简介 第一节 预应力混凝土的基本概念 混凝土的抗拉强度太低，导致受拉区混凝土过早开裂，或 者裂缝宽度过宽，不满足适用性和耐久性的要求。混凝土 的极限拉应变约为0.1-0.1510-3，钢筋弹性模量为 2105N/mm2，则受拉钢筋的应力只能到20-30N/mm2，不能 充分利用其强度；对允许开裂的构件，当受拉钢筋的应力 达到250N/mm2，裂缝宽度已达0.2-0.3mm。 钢筋混凝土梁应用于大跨度结构时，如为增加刚度而加大 截面尺寸，会导致自重进一步增大，形成恶性循环。 高强钢筋的使用，应力达500-1000N/mm2，裂缝宽度将很大 ，无法满足使用要求。 ep Npc ct N q ct-pc 由于预加应力pc较大，受拉 边缘仍处于受压状态，不会 出现开裂； 受拉边缘应力虽然受拉，但拉应力小于混 凝土的抗拉强度，一般不会出现开裂； 受拉边缘应力超过混凝土的抗拉强度，虽然会产 生裂缝，但比钢筋混凝土构件（Np =0）的开裂明 显推迟，裂缝宽度也显著减小。 第一节 预应力混凝土的基本概念 普通钢筋混凝土中高强钢筋得不到充分利用，因而采 用高强钢筋是不经济的，而提高混凝土的强度等级对 提高构件的抗裂性能的作用极其有限。 为了更好地利用混凝土的抗压性能，避免混凝土过早 的出现裂缝，采用预应力混凝土结构是最好的方法。 1928年法国杰出的土木工程师E.Freyssnet发明了预应力混凝土。 预应力混凝土已经广泛应用于工业与民用建筑及交 通运输建筑中。例如：预应力空心楼板、屋面大梁、 屋架、吊车梁、预应力桥梁、铁路轨枕等。在水工建 筑中也用来修建码头、 闸门、调压室、压力水管、工 作桥、水电站厂房的屋面梁及吊车梁等结构构件，也 可用预加压力的方法来加固大坝、衬砌隧洞等。 第一节 预应力混凝土的基本概念 预应力钢筋的下端锚固在坝基 下的岩石中，在坝顶用千斤顶 张拉钢筋，然后加以锚固。 能使坝体的上游面产生预压应 力，以抵消因水压作用而产生 的拉应力。 大大减缩坝体截面和增加坝体 的稳定性。 在水利水电工程的应用： 马鞍山水库大坝最大坝高31m,安全鉴定为三类坝,坝体抗滑稳 定不满足规范要求。为了节约投资、简化施工难度,采用预应 力锚索加固坝体。 龙滩大坝底孔闸墩和支承梁式保证弧形工作闸门安全运行的关 键受力结构，预应力锚索采用一端张拉的后张法施工。 五强溪表孔闸墩采用预应力钢筋混凝土结构型式. 棉花滩水电站大坝预应力锚索孔道采用了预埋钢导管成孔， 导管在加工厂下料、打磨管口，在现场拼装，对倾角、高差 较大导管进行了多次拼装、预埋。 第一节 预应力混凝土的基本概念 预应力混凝土构件是在承受外荷载作用之前，先对混 凝土预加压力，使其在构件截面上产生的预压应力来 抵消外荷载引起的部分或全部拉应力。这样，在外荷 载作用下，构件裂缝就能延缓或不出现，以充分发挥 高强度钢筋的作用，改善混凝土的受拉性能，满足使 用要求。 预应力钢筋 有粘结预应力钢筋 无粘结预应力钢筋 预应力混凝土结构的优缺点： 优点： 延缓构件开裂，减小裂缝宽度； 刚度大，变形小； 节约钢筋，减轻自重，可建造大跨高层结构。 施工工序多，技术要求高； 需要专门的锚具和张拉设备，以及预应力钢筋， 费用高； 开裂荷载与破坏荷载过于接近，破坏前的延性差 。 产生过大的反拱，影响正常使用。 缺点： 根据功能的要求，分成不同的类别进行设计。目前 对预应力混凝土构件主要根据截面应力状态分为： （1）全预应力混凝土。 （2）有限预应力混凝土。 （3）部分预应力混凝土。 （4）钢筋混凝土。预应力为零时的混凝土。 我国新编的水工混凝土结构设计规范规定，预应力混凝土 结构构件设计时，应根据环境条件和预应力钢筋种类选用不同 的裂缝控制等级。三种裂缝控制等级大体上相当于前三种。 截 面 控 制 裂 缝 的 程 度 不 同 全预应力混凝土当使用荷载作用时，不允许出 现拉应力的构件，相当于规范中裂缝控制等 级为一级，即严格要求不出现裂缝的构件。 部分预应力混凝土当使用荷载作用时，允许出 现裂缝，但最大裂缝宽度不超过允许值的构件， 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。 限值预应力混凝土当使用荷载作用下根据荷载 效应组合情况，不同程度地保证混凝土不开裂的 构件，相当于规范中裂缝控制等级为二级， 即一般要求不出现裂缝的构件。亦属于部分预应 力混凝土。 优先采用预应力混凝土的结构： 要求裂缝控制等级较高的构件； 大跨度或受力很大的构件； 对构件刚度和变形控制要求较高的结构构件。 预应力混凝土构件要按承载能力极限状态和正常使 用极限状态进行计算外，还需验算施工阶段（制作 、运输、安装）混凝土的强度和抗裂性能。 1、使用阶段：承载力计算；抗裂、裂缝宽度验算 ；挠度验算。 2、施工阶段：混凝土强度验算、抗裂验算。 设计预应力混凝土构件的计算内容： 在构件上建立预应力，一般式通过张拉钢筋来实现的 。 将张拉钢筋锚固在混凝土构件上，由于钢筋弹性回缩 ，使得混凝土受到压力。 根据结构及施工的具体条件，正确选择张拉方法与张 拉工艺是设计预应力结构的一个前提。 第二节 施加预应力的方法 先张法 第二节 施加预应力的方法 预应力是靠钢筋与混凝土之间的粘结力来传递的。 优点：工序少、效率高、质量易保证；施工简单。 缺点：需要专门台座，基建投资较大；施加的预应力较小 ，用于中小构件和直线型配筋构件。 先张法在浇灌混凝土之前张拉钢筋的方法，称为先张法。 先张法施工工艺： 先在专门的台座上张拉钢筋，然后用锚具将钢筋临时 固定在台座上，再浇筑混凝土构件，待混凝土达到一定强 度（一般不低于混凝土设计强度的75%）后，从台座上切 断或放松钢筋（简称放张）。在钢筋弹性回缩时，利用钢 筋与混凝土之间的粘结力，使混凝土受到压力作用，从而 产生预压应力。 先张法构件一般采用细钢丝、冷轧带肋钢筋或冷拉钢筋 作为预应力钢筋。 第二节 施加预应力的方法 后张法 在结硬后的混凝土构件上张拉钢筋的方法称为后张法 。 预应力是靠钢筋端部的锚具来传递的。 优点：不需要专门台座，可现场制作，应用灵活，用于大 型构件； 缺点：需要留孔，灌浆，施工复杂；锚具要附在构件内， 耗钢量大。 第二节 施加预应力的方法 张拉钢筋一般采用千斤顶或机械张拉。也有采用电热法的 ，将钢筋通电、使得发热伸长，在钢筋两端用锚具将钢筋 固定在构件或台座上，待停止通电钢筋冷却回缩，形成预 应力。 电热法只需要一套简单的变压设备，操作方便，但张拉的 准确性不易控制。 第二节 施加预应力的方法 在后张法中，按预应力筋粘结状态又可分为： 有粘结预应力钢筋混凝土和无粘结预应力钢筋混凝土。 先浇捣混凝土构件，并在预应力钢筋设计位置上预 留孔道，待混凝土达到一定强度（一般不低于混凝土 设计强度的75%）后，将预应力钢筋穿入孔道，利用构 件本身作为承力台座张拉钢筋，随着钢筋的张拉，构 件混凝土同时受到压缩，张拉完毕后用锚具将预应力 钢筋锚固在构件上。 第二节 施加预应力的方法 后张法施工工艺： 无粘结预应力混凝土 锚具的可靠性 高强钢丝的可靠度 一定要有非预应力筋 另外，也有采用自张拉法来施加预应力的，称为自 应力混凝土。就是采用膨胀水泥浇制混凝土，在硬化 过程中，构件自身膨胀伸长，与其粘结在一起的钢筋 阻止混凝土膨胀，就使混凝土受到预压应力。 自应力混凝土主要用来制造压力钢管。 第二节 施加预应力的方法 1 1）强度高；）强度高； 预应力钢筋具有较高的抗拉强度。 2 2）具有一定的塑性；）具有一定的塑性；为避免构件发生脆性破坏，预 应力筋在拉断前具有一定的伸长率。 3 3）良好的加工性能；）良好的加工性能；以满足对钢筋焊接、镦粗的加 工要求。 4 4）与混凝土之间有良好的粘结；）与混凝土之间有良好的粘结；通常采用刻痕 或压波方法来提高与混凝土粘结强度。 钢 材 我国目前常用的预应力钢材主要有： 钢绞线 钢丝 热处理钢筋 冷轧带肋钢筋 第三节 预应力混凝土的材料与张拉锚具 1、钢绞线 钢绞线是用直径56mm的高强钢丝捻制而成的一种高强预应 力筋，其中以7股钢绞线应用最多。7股钢绞线的公称直径为 9.515.2 mm，强度可高达1860MPa。 无粘结预应力束 2、钢丝 分为冷拉钢丝和消除应力钢丝两种。 外形分为光圆钢丝、螺旋肋钢丝、刻痕钢丝三种。 极限抗拉强度标准值可达1770N/mm2。 钢丝公称直径为39mm。 为增加与混凝土粘结强度，钢丝表面可采用刻痕或压波，也 可制成螺旋肋。 刻痕钢丝 螺旋肋钢丝 3、热处理钢筋 用热轧螺纹钢筋经过淬火和回火的调质热处理后制成的高强 度钢筋，按其螺纹外形分为有纵肋和无纵肋两种。直径为 610mm，抗拉强度为1470 N/mm2 。 第三节 预应力混凝土的材料与张拉锚具 混凝土 1）强度高。预应力混凝土要求采用高强混凝土，可以施加较大的 预压应力，有利于减小构件截面尺寸，以适用大跨度的要求； 2）收缩、徐变小，有利于减少收缩、徐变引起的预应力损失； 3）快硬、早强。可较早施加预应力，加快施工速度，提高台座、 模具、夹具的周转率 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。 夹具和锚具 夹具：当预应力构件制成后能够取下重复使用的称为夹 具； 锚具：留在构件上不再取下的称锚具。 二者均是依靠摩阻、握裹和承压锚固来夹住或锚住钢筋 。 在先张法中，张拉钢筋时要用张拉夹具夹持钢筋，张 拉完毕后，要用锚具将钢筋临时锚固在台座上。 后张法也要用锚具来张拉与锚固钢筋。 第三节 预应力混凝土的材料与张拉锚具 对锚具的要求： （1）安全可靠，具有足够的强度和刚度； （2）应使预应力钢筋在锚具内尽可能的不产 生滑移； （3）构造简单，便于机械加工制作； （4）使用方便，省材料，价格低。 第三节 预应力混凝土的材料与张拉锚具 螺丝端杆锚具 常用锚具类型： 优点：操作简单，预 应力钢筋基本不发生 滑动； 缺点：对预应力钢筋 长度的精度要求高， 不能太长或太短。 螺丝端杆锚具 第三节 预应力混凝土的材料与张拉锚具 锥形锚具 优点：锚固多根平行钢丝束或钢绞线束； 缺点：滑移大，不易保证每根应力均匀。 第三节 预应力混凝土的材料与张拉锚具 第三节 预应力混凝土的材料与张拉锚具 镦头锚具 (a) 张拉端 (b) 分散式固定端 (c) 集中式固定端 预应力靠镦头的承压力传到锚环，在依靠罗纹上的 承压力传到螺帽，再经过垫板传到混凝土构件上。 优点：锚固性能可靠，锚固力大，张拉操作方便； 缺点：对钢筋钢丝束的长度精度要求高。 夹具式锚具 预应力靠摩擦力将预拉力传给夹片，夹片依靠其斜 面上的承压力传锚环，再由锚环依靠承压力传给构件。 梳子板夹具 一、预应力钢筋张拉控制应力con 预应力钢筋在进行张拉时，所控制达到的最大应力值。其值为张拉 设备（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，以con表示。 它是预应力筋在构件受荷以前所经受的最大应力。 张拉控制应力con取值越高，预应力筋对混凝土的预压作用越 大，抵消部分预应力损失，可以使预应力筋充分发挥作用。 但con取值过高，可能会在张拉时引起破断事故，产生过大应 力松弛。因此，规范规定了张拉控制应力限值con。 第四节 预应力钢筋控制应力及预应力损失 张拉控制应力的大小与施加预应力的方法有关，先张法高于后张 法。先张法在台座上张拉钢筋，预应力钢筋中的拉应力就是张拉 控制应力con，施加后混凝土弹性回缩造成预应力筋拉力降低；后 张法在混凝土构件上张拉钢筋，张拉的同时混凝土被压缩，张拉 控制应力已经扣除混凝土弹性压缩后的钢筋应力。 第四节 预应力钢筋控制应力及预应力损失 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con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。 q采取各种因素产生的预应力损失进行叠加的方法求得总预应 力损失。6项预应力损失。 由于预应力的通过张拉预应力筋得到，凡是能使预应力筋 产生缩短的因素，都将引起预应力损失，主要有： 锚固损失：锚具变形引起预应力筋的回缩、滑移。 摩擦损失：在预应力筋张拉过程中，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，也会使张拉应力造成损失。 温差损失：先张法中的热养护引起的温差损失。 松弛损失：长度不变的预应力筋，在高应力的长期作用下会 产生松弛，会引起预应力损失。 混凝土的收缩和徐变引起的损失。 螺旋式预应力钢筋对混凝土的局部挤压损失。 第四节 预应力钢筋控制应力及预应力损失 由于张拉工艺和材料特性等原因，预应力钢筋在张拉时 所建立的拉应力，在构件制作和使用过程中会受到损失。 1、张拉端锚具变形和钢筋内缩引起的损失11 。 2、预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦