《结构设计原理》叶见曙_课件__第12章_预应力混凝土结构的基本概念及其材料

1、1、混凝土的抗拉强度和极限拉应变很小： 混凝土临近拉裂时，受拉钢筋应力s20 30Mpa，钢筋利用不充分。 对某些不允许开裂的结构如水池、油罐、恶劣环境下的结构是不适应的。12.1 概述普通钢筋砼的缺点2、大跨度结构时，为满足构件强度、变形、裂缝控制的要求，需加大截面尺寸，使构件自重进一步增大，造成安装困难，材料浪费，或造型不协调。3、当采用高强钢筋、高强混凝土时，由于裂缝宽度控制在0.2mm，而高强钢筋的弹性模量与普通钢筋相当，高强材料的优势无法体现。 结论：由于普通钢筋混凝土结构无法改善构件使用性能，也无法有效利用高强材料，有必要发展一种新的工艺方法预应力混凝土结构。预应力混凝土结构。12

2、.1 概述普通钢筋砼的缺点木桶是用环向竹箍对桶壁预先施加环向压应力。当桶中盛水后，水压引起的拉应力小于预加压应力时，桶就不会漏水。 从书架上取下一叠书，由于受到双手施加的压力，这一叠书就如同一横梁，可以承担全部书的重量。 2、预应力的工作原理 在混凝土结构承受外荷载之前，预先对其在外荷载作用下的受拉区施加预压应力，以改善结构使用性能，这种结构形式称为预应力混凝土结构。NpNpPPNpNpPP拉压压压拉-压+拉-压+ 下面以简支梁为例，说明预应力混凝土结构的基本原理：或预应力的作用可部分或全部抵消外荷载产生的拉力，从而提高构件的抗裂性。（分解）应力叠加：NpNpPPNpNpPP拉消压压kcktk

3、c+pt+-ptpca)kt+pc0+c)b)a）+-b)kt+pc=0c)kt+pc0下缘：对混凝土或钢筋混凝土梁的受拉区受拉区预先施加压应力，这种应力的大小和分布规律，能有利于抵消使用荷载作用下产生的拉应力，因而使混凝土构件在使用荷载作用下不致开裂，或推迟开裂，或者使裂缝宽度减小。即，即，由于预压力的存在避免混凝土开裂，使梁全截面参与工作，改善了梁中混凝土的抗拉性能，并且达到充分利用高强钢材性能的目的。12.1 概述预应力砼结构基本原理a. 节省材料，减轻自重，增加跨越能力。b. 提高构件的抗裂性、增加截面刚度。c. 可以减小混凝土梁的竖向剪力和主拉应力。d. 预加力还可以作为结构构件的连

4、接手段，促进了桥梁结构新体系与施工方法的发展。12.1 概述预应力砼结构优点预应力损失：预应力损失：最主要的问题是在使用阶段如何保持有效预应力不至于降低到最小。技术要求高：技术要求高：需要有一定的专门设备和配备一支技术熟练的专业队伍。预应力反拱度不易控制。12.1 概述预应力砼结构缺点大跨度结构（大跨度桥梁）；特种结构（防漏 、防渗和压力容器 ）；对构件的刚度和变形控制要求较高的结构构件。除在桥梁工程采用外，路基边坡治理、库岸斜坡治理中也广泛应用（如预应力锚杆、预应力锚索） 12.1 概述预应力砼结构应用公路桥规将预应力度（）定义为由预加应力大小确定的消压弯矩MO与外荷载产生的弯矩M的比值，即

5、=M0/Ms式中：预应力度；M0消压弯矩。构件抗裂边缘预压应力抵消到零时的弯矩。Ms按作用（或荷载）短期效应组合计算的弯矩。12.1 概述预应力度全预应力混凝土：沿预应力方向的正截面不出现拉应力，即部分预应力混凝土：沿预应力方向的正截面出现拉应力或出现不超过规定宽度的裂缝，即对拉应力加以限制时，为A类构件类构件（拉而不裂）；拉应力超过限值或出现不超过限定的裂缝宽度时，为B类构件类构件（裂而有限）3. 钢筋混凝土：不施加预应力的混凝土结构，即101012.1 概述预应力砼的分类张拉钢筋并在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先张法依靠粘结依靠粘结力来传递力来传递

6、并保持预并保持预加应力加应力 12.2 预应力张拉方法先张法伸长张拉台座预应力筋混凝土压缩a）b）c）临时锚固pN压缩 图 12-2 先张法工艺流程示意图 a)预应力钢筋就位，准备张拉 b)张拉并锚固，浇筑构件混凝土 c)松锚，预应力钢筋回缩，制成预应力混凝土构件 12.2 预应力张拉方法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后张法依靠工作锚具依靠工作锚具来传递和保持来传递和保持预加应力预加应力12.2 预应力张拉方法后张法12.2 预应力张拉方法后张法12.2 预应力张拉方法后张法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

7、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。12.2 预应力结构锚具夹具：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：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。12.2 预应力结构锚具锚具分类方法：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1. 按锚具的使用位置不同：张拉端和固定端12.2 预应力结构锚具分类常用的锚具 1 钢筋螺纹锚用于锚高强粗钢筋优点：锚固可靠；构造简单；施工方便；预应力损失小缺点

8、：有时螺纹不易咬紧而需要用双螺母常用的锚具 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）12.2 预应力锚具钢筋螺纹锚特点：特点：属于自承式锚具，操作简单，受力可靠，滑移量小。缺点：缺点：下料长工度精度要求高，不可多根锚固。适用适用于较短的预应力构件及直线预应构件。12.2 预应力锚具钢筋螺纹锚2、承压形锚具墩头锚具镦头锚具：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用途：用途：主要用于锚固钢丝束，锚固5mm和7mm。组成组成：(1)锚杯 (2)锚圈 (3)冷镦

9、头工作原理：工作原理：借镦头直接承压将钢丝锚固于锚杯上。优点：优点：(1)可靠（不滑丝） (2)预应力损失小 (3)工序简单缺点缺点: (1)如张拉吨位过大，钢丝数很多，施工麻烦； (2)对钢丝的下料长度要求很精确，12.2 预应力锚具墩头锚具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12.2 预应力锚具墩头锚锚具墩头锚产品图片12.2 预应力锚具墩头锚3、摩擦型锚具锥形锚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用途：可以用到固定端，也可以用于张拉端缺点：滑移量大、每根钢丝应力有差

10、异12.2 预应力锚具锥形锚4、夹片锚用途：用途：锚固钢绞线之用，锚固由（155）根不等的s 15.2 mm或s 12.7mm钢绞线所组成的预应力钢束。组成：组成：夹片；锚板；锚垫板优点：优点：（1）锚固吨位大；（2）各根钢绞线均为单独工作，1根钢绞线锚固失效也不会影响全锚。缺点：缺点：因锚板锥孔布置的需要，必须扩孔。12.2 预应力锚具夹片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NconpNl张拉设备张拉设备千斤顶千斤顶l制孔器制孔器l穿索机穿索机l灌孔水泥浆及压浆机灌孔水泥浆及压浆机l张拉台座张拉台座 12.2 预应力锚具其它设备两种千斤顶返回预应力波纹管波纹管

11、机返回1、制孔器： 后张法构件的预留孔道是由制孔器来形成的。预应力穿索机返回2、穿索机 对于大跨桥梁，有的预应力钢筋很长，人工穿束十分吃力，故采用穿索（束）机。 (1) 液压式 (2) 电动式预应力灌浆机预应力灌浆机 返回 3、灌孔水泥浆及压浆机 1）水泥浆作用：避免力筋锈蚀和锚具松动，并使力筋与梁体混凝土结合为整体配合比：水灰比0.400.45；适量的减小剂强度等级：不低于构件砼等级的80%；30MPa 2）压浆机 它主要由灰浆搅拌桶、贮浆桶和压送灰浆的灰浆泵以及供水系统组成。张拉台座l采用先张法生产预应力混凝土构件时，需设置用作张拉和临时锚固预应力钢筋的张拉台座。l设计时应保证它具有足够的

12、强度、刚度、稳定性。l1、强度高。减小构件截面尺寸，充分发挥钢筋的抗拉强度；l2、收缩、徐变小。以减小因收缩、徐变引起的预应力损失；l3、快硬、早强。可尽早施加预应力，加快台座、锚具、夹具的周转率。l混凝土的配制要求与措施：严格控制水灰比；注意选用高标号水泥并宜控制水泥用量；选用优质活性掺合料；d.加强振捣与养护。l预应力混凝土构件的混凝土强度等级不低于C40。12.3 预应力砼结构材料砼（1 1）对钢材的要求：）对钢材的要求：强度高具有一定的塑性良好的加工性能与混凝土之间有较好的粘结强度低松弛耐腐蚀12.3 预应力砼结构材料钢材（2 2）钢材的种类：）钢材的种类：钢筋钢丝钢绞线（一般由七股3

13、、 4或5 的高强钢丝捻制而成）冷拉低合金钢筋热处理钢筋冷拔低碳钢丝（常见直径为5mm、4mm和3mm）高强钢丝（碳素钢丝，刻痕钢丝），直径45mm。12.3 预应力砼结构材料钢材l钢绞线 钢绞线是用2、3、7股高强钢丝扭结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，通常用于无粘结预应力筋，强度可高达1860MPa。2股和3股钢绞线用途不广，仅用于某些先张法构件，以提高与混凝土的粘结强度。12.3 预应力砼结构材料钢绞线无粘结预应力束无粘结预应力束12.3 预应力砼结构材料钢绞线 高强度钢丝是采用优质碳素钢盘条，经过几次冷拔后得到。高强钢丝的强度为14701860MPa。钢丝直径为39mm。为增加与混凝土粘结强度，钢丝表面可采用