第十章 预应力混凝土结构受力性能

1、混凝土结构设计内容即本学期的三部分内容 预应力混凝土结构 单层工业厂房 多层框架 各部分之间相互独立。2014.8.30 太原理工大学预应力混凝土结构的受力性能chapter 10康锦霞主讲 联系方式：本章提要 了解预应力混凝土的基本概念及优缺点； 掌握预应力混凝土损失的计算和采取的措施； 熟练掌握预应力混凝土轴心受拉构件的设计计算方法； 熟悉预应力混凝土的构造要求。 了解部分预应力混凝土与无粘结预应力混凝土的基本概念。 10.1预应力混凝土的基本知识一、预应力混凝土的原理木桶 锯自行车抱书法国的弗莱西奈预应力混凝土之父 1928年法国E.Freyssinet提出预应力混凝土概念。 脆性材料变

2、为弹性材料全预应力混凝土 有限预应力混凝土 部分预应力混凝土 预应力混凝土成为专门的学科分支 预应力技术应用于钢结构，混凝土结构，基础结构等。 预应力混凝土构件就是在构件受外荷载以前，对混凝土受拉区施加预压应力的构件。 混凝土的缺点产生的问题 原因混凝土抗拉强度太低; 普通混凝土抗拉强度为抗压强度的1/61/20,混凝土的抗拉的应变为抗压应变的1/151/20, 极限拉应变值约为0.1X10-30.15X10-3即每米只能伸长0.10.15mm,此时钢筋的应力为EsXt= 2X105X( 0.1X10-30.15X10-3 ) =2030Mpa 远小于钢筋的屈服强度.裂缝跨度为0.20.3mm

3、 受拉钢筋的应力小于270Mpa，接近HPB300的屈服强度。因此普通混凝土构件均为带裂缝工作。而高强钢筋的强度可以到达 1860 Mpa这样的钢材在普通混凝土中无法使用。问题 钢筋混凝土梁使用大跨结构时出现如下问题：1）增加刚度而加大截面尺寸，导致自重增大形成恶性循环 2）增加钢筋来提高刚度，则钢筋的强度不能充分利用，造成浪费。 3）采用高强钢筋，按正截面承载力可以减少配筋，截面抗弯刚度基本与配件面积成比例降低，故挠度变形控制难以满足。设计控制条件 一般钢筋混凝土梁（reinforced concrete）（RC）由承载力控制 大跨钢筋混凝土梁由变形控制 高强钢筋的混凝土由裂缝宽度控制原理预

4、压应力作用荷载作用共同作用二、 预应力混凝土的特点加载加载*提高刚度和抗裂度提高刚度和抗裂度*减轻结构自重减轻结构自重*提高梁的抗扭和抗剪承载力，提高梁的抗扭和抗剪承载力，但不提高抗弯承载力但不提高抗弯承载力*提高梁的抗疲劳承载力保护钢提高梁的抗疲劳承载力保护钢筋免受大气腐蚀筋免受大气腐蚀总结：优点抗裂性能好；耐久性好、刚度大、变形小；可利用高强度钢筋减轻自重；可提高构件的抗剪能力；提高受压构件的稳定性；可提高构件的抗疲劳强度；缺点：施工复杂、计算复杂 二、预应力混凝土分类 1.根据张拉预应力筋的顺序分 先张法和后张法见flashpre-tension method post-tension

5、method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70%以上时剪断钢筋浇混凝土构件，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特点 先张法特点： 需要台座千斤顶传力架和锚具； 锚具可以重复使用； 适应在预制厂预制； 台座较长可以减少损失保证强度和刚度等优点。 后张法特点：不用台座；可现场张拉；需要灌浆留孔等工艺 先张法的施工设备先张法的施工设备 ( (一一) )台座台座 1、要求：有足够的强度、刚度和稳定性；满足生产工艺的要求。 2、形式： 墩式(传力墩、台面、横梁) 长度100150m，适于中、小型构件。 墩式台座的几种形式如图图6-26-2所示。 槽式(传

6、力柱、上下横梁、砖墙) 长4576m，适于双向预应力构件,易于蒸汽养护。 槽式台座如图图6-36-3所示。 槽式台座2.根据预应力钢筋的不同分为无粘结预应力钢筋和有粘结预应力钢筋；相应的混凝土分为有粘结和无粘结预应力混凝土。 有粘结预应力钢筋：混凝土和钢筋之间通过粘结共同工作，钢筋应力与同一位置的混凝土应力相等。 无粘结预应力钢筋：钢筋和混凝土之间可以自由滑动，钢筋应力处处相等 。无粘结预应力钢筋图片图片有粘结预应力混凝土。有粘结预应力混凝土先张法生产的预应力混凝土构件以及后张法张拉钢筋后在孔道中灌浆所生产的预应力混凝土构件特点受力性能好，裂缝分布均匀，裂缝宽度较小无粘结预应力混凝土无粘结预应

7、力混凝土后张法张拉钢筋后不在孔道中灌浆所生产的预应力混凝土构件特点造价低，便于以后再次张拉或更换预应力钢筋3.根据张拉预应力钢筋的方法分为机械张拉、电热式张拉和自张法 机械张拉：用千斤顶等机械工具直接张拉预应力钢筋。如液压千斤顶、电动螺杆 电热式张拉：低电压强电流通过钢筋使其发热伸长，达设计要求时断电。原理：热胀冷缩。 自张法 ：用自应力水泥制成混凝土，结硬时混凝土膨胀带动混凝土中的钢筋一起伸长，在混凝土中产生压力。4.根据预应力度分为全预应力、部分预应力和钢筋混凝土。 预应力度定义为： 受弯构件 轴心受拉构件。NN0MM0分类全预应力混凝土 部分预应力混凝土 钢筋混凝土 1010全预应力和部

8、分预应力使用荷载下不出现拉应力或裂缝全预应力混凝土构件使用荷载下允许混凝土受拉区产生宽度不大的裂缝部分预应力混凝土构件5根据施加预应力的大小分为全预应力混凝土、有限预应力混凝土和部分预应力混凝土。预应力的大小全预应力混凝土：在使用荷载作用下截面不出现拉应力。特点：抗裂性能好，抗疲劳性能好，反拱值过大，延性较差。 有限预应力混凝土：是指在使用荷载作用下出现拉应力但不开裂。特点：反拱值减小，但仍是脆性破坏。部分预应力混凝土：是指在使用荷载作用下出现裂缝但是裂缝宽度受限制。特点：合理控制裂缝，节约钢材，反拱值减小，延性较好综合经济效果好，但是计算复杂。 三、预应力的计算方法1.近似按弹性材料计算（材

9、力）规范2.压力线法：压力线是指各截面上相应的混凝土压应力合力作用点相连而成的压力线。3.荷载平衡法：由林同炎教授于1963年在美国提出，他认为预应力钢筋对混凝土的作用当成反向的荷载。有兴趣可以参阅林同炎预应力混凝土结构四、施加预应力的方法直接张拉法：用千斤顶等机械工具直接张拉预应力钢筋电热法：低电压强电流通过钢筋使其发热伸长，达设计要求时断电连续配筋法：用旋转工作台将预应力筋缠绕于混凝土块体上或水池壁上自张法：用自应力水泥制成混凝土，结硬时混凝土膨胀带动混凝土中的钢筋一起伸长，在混凝土中产生压力直接加压法：用千斤顶直接在构件两端加力使其获得预压力五、预应力混凝土构件的锚、夹具及张拉设备夹具是

10、指当构件制成后能够取下重复使用的。锚具是指当构件制成后留在构件上不再取下的。建筑工程中常用的锚具有：螺丝端杆锚具、锥形锚具、镦头锚具、夹具式锚具。夹具式锚具主要有JM12型（锚固36根直径d=12mm的钢筋束）QM型（群锚可锚固多根钢绞线）、XM型（斜锚）等。对锚具的要求：安全可靠、不产生滑移、构造简单、使用方便。 锚具和夹具夹具：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：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。锚具和夹具螺丝端杆 LM型螺丝端杆锚 用于预应力钢筋的张拉锚固，依靠对焊与预应力钢筋连接。锚具和夹具钢质锥形夹具锥形夹具可分为圆锥齿板

11、式夹具和圆锥槽式夹具夹具式锚具锚具和夹具墩头锚具镦头夹具:采用镦头夹具时，将预应力筋端部热镦或冷镦，通过承力分孔板锚固。夹具式锚具夹具式锚具QM型锚具与XM型锚具相似，它也是由锚板和夹片组成但锚孔是直的，锚板顶面是平的，夹片垂直开缝。此外，备有配套喇叭形铸铁垫板与弹簧等。夹具式锚具JM12型无粘结钢丝束镦头锚具 无粘结钢绞线夹片式锚具常采用XM型锚具，其固定端采用压花成型埋置在设计部位，待混凝土强度等级达到设计强度后，方能形成可靠的粘结式锚头。 锚具根据受力性能分为摩擦型锚具锚具根据受力性能分为粘结型锚具：利用构件端部预留锥形自锚孔的后浇混凝土锚固预应力钢筋灌浆口（灌浆锚固）6 8螺旋筋8箍筋

12、3铅丝线圈预应力筋锚具根据受力性能分为承压型锚具：利用螺帽、垫板等的承压作用将预应力钢筋锚固在端部预应力筋垫板螺丝杆端螺母对焊接头张拉设备： 拉杆式千斤顶(YL60)，穿心式千斤顶(YC60、YC20、YC18。配置撑脚和拉杆等附件后,可作为拉杆式千斤顶使用。 穿心式千斤顶六、预应力混凝土所用的材料 1. 钢筋强度高；与混凝土间有足够的粘结力；良好的加工性能；具有一定的塑性。要求钢筋热处理钢筋、碳素钢丝、刻痕钢丝、钢绞线、（冷拔低碳钢丝、冷拉钢筋） 2）冷拉钢筋：由热轧钢筋在常温下用机械拉伸而成的。冷拉钢筋为软钢，也分为四个级别。 分别用 ALBLCLDL表示。（现在用的较少） 3）消除应力钢

13、丝：将钢筋拉拔后，校直，经中温回火消除应力并稳定化处理的钢丝。它为硬钢 光面钢丝（分为 P4、P5、P6、P7、P8和P9六个级别）、现行规范有P5、 P7 P9 螺旋肋钢丝（分为 H4、H5、H6、H7、H8和H9六个级别）现行规范有H5、 H7 H9 刻痕钢丝（是指在光面钢丝表面进行刻痕处理，来增加与混凝土的粘结能力，分为I5和I7两种）三种。(取消) 4）钢绞线：由多根高强钢丝捻制在一起经过低温回火处理清除应力后而成的。钢绞线的直径是指钢绞线的外接圆直径即公称直径。分为3股和7股两种，用S表示。公称直径无粘结预应力束新增加或改变名称的 中强度预应力钢丝分为光面和螺旋肋 两种公称直径为5、

14、7和9三种。光面用 表示螺旋肋 表示。 预应力螺纹钢筋分为公称 直径18、25、32、40、50五种。用 表示。 5）冷拔低碳钢丝：把低碳钢冷拔而成的钢丝。根据力学指标可分为甲级和乙级两类。 6）热处理钢筋：将特定强度钢筋再加热、淬火和回火等调质工艺处理的钢筋。热处理钢筋有40si2Mn、48si2Mn和45si2Cr三种，用HT表示。(取消) 7）冷轧带肋钢筋：采用低碳热轧的盘圆钢筋进行冷轧减径，并在其表面轧出横肋的钢筋。钢筋级别有CRB550 、CRB650、CRB800、CRB970、CRB1170用AR表示具体见冷轧带肋钢筋混凝土结构技术规程JGJ95。粘结性能好，适用于钢筋混凝土板类

15、构件配筋。 8）冷轧扭钢筋：以HPB235级盘圆钢筋为原料，经冷轧扁平状并经扭转而成的钢筋。公称直径为6.514mm，抗拉强度设计值为360kN/mm2，其强度比原材料提高将近一倍，但延性较差，一般可用于钢筋混凝土结构构件的受力钢筋。具体见冷轧扭钢筋混凝土结构技术规程JGJ115。分类 我国目前在预应力混凝土中使用的预应力钢筋主要有钢绞线、钢丝、热处理钢筋。 钢绞线是有直径56mm的高强度钢丝撵制成的。用三根钢丝捻制成的钢绞线，其结构为1X3，公称直径有8.6mm、10.8mm、12.9mm。 钢丝可分为冷拉钢丝和消除应力钢丝。 按外形可分为圆钢丝、螺旋肋钢丝、刻痕钢丝。 按应力松弛性能分为普通松弛即级松弛和低松弛即级松弛。 热处理钢筋是用热轧的螺纹钢筋经淬火和回火的调质热处理而成的。 按外形可分为有纵肋和无