建筑结构 PPT课件 第7章 预应力混凝土结构

建筑结构机械工业出版社第7章预应力混凝土结构

本章主要介绍预应力混凝土的概念及优缺点，预应力的施加方法，预应力结构的设备，预应力混凝土结构的材料，预应力的损失和预应力混凝土结构构造要求等内容。第7章预应力混凝土结构本章主要内容

7.1.1预应力混凝土的概念及优缺点1.为什么使用预应力混凝土

由于混凝土的抗拉性能很差，使钢筋混凝土存在两个无法解决的问题：一是在使用荷载作用下，钢筋混凝土受拉、受弯等构件通常是带裂缝工作的。二是从保证结构耐久性出发，必须限制裂缝宽度。为了要满足变形和裂缝控制的要求，则需增大构件的截面尺寸和用钢量，这将导致自重过大，使钢筋混凝土结构用于大跨度或承受动力荷载的结构成为不可能或很不经济。7.1预应力混凝土的基本概念

理论上讲，提高材料强度可以提高构件的承载力，从而达到节省材料和减轻构件自重的目的。但在普通钢筋混凝土构件中，提高钢筋强度却难以收到预期的效果。这是因为，对配置高强度钢筋的钢筋混凝土构件而言，承载力可能已不是控制条件，起控制作用的因素可能是裂缝宽度或构件的挠度。当钢筋应力达到500~1000N/mm2时，裂缝宽度将很大，无法满足使用要求。因而，钢筋混凝土结构中采用高强度钢筋是不能充分发挥其作用的。而提高混凝土强度等级对提高构件的抗裂性能和控制裂缝宽度的作用也极其有限。

混凝土抗拉强度及极限拉应变值都很低。其抗拉强度只有抗压强度的1/10～1/18，极限拉应变仅为0.0001～0.00015，即每米只能拉长0.1~0.15mm，超过后就会出现裂缝。而钢筋达到屈服强度时的应变却要大得多，约为0.0005～0.0015，如HPB235级钢筋就达1×10-3。对使用上不允许开裂的构件，受拉钢筋的应力只能用到20~30N/mm2，不能充分利用其强度。对于允许开裂的构件，当受拉钢筋应力达到250N/mm2时，裂缝宽度已达0.2~0.3mm.。2.预应力混凝土的基本原理

为了避免钢筋混凝土结构的裂缝过早出现，充分利用高强度钢筋及高强度混凝土，可以设法在结构构件承受使用荷载前，预先对受拉区的混凝土施加压力，使它产生预压应力来减小或抵消荷载所引起的混凝土拉应力，从而将结构构件的拉应力控制在较小范围，甚至处于受压状态，以推迟混凝土裂缝的出现和开展，从而提高构件的抗裂性能和刚度。

预应力混凝土的基本原理可用图6.1.1说明。3、预应力混凝土的特点与钢筋混凝土相比，预应力混凝土具有以下特点：

1.抗裂性能好。刚度大。

2.节省材料、减小自重。

3.提高构件的抗剪能力。

4.提高受压构件的稳定性。

5.提高构件的耐疲劳性能。

6.技术要求高；

7.需专门的设备；

8.开工费用大、成本高。注意：预应力混凝土不能提高构件的承载能力。也就是说，当截面和材料相同时，预应力混凝土与普通钢筋混凝土受弯构件的承载能力相同，与受拉区钢筋是否施加预应力无关。7.1.2预应力的施加方法

按照张拉钢筋与浇筑混凝土的先后关系，施加预应力的方法可分为先张法和后张法两类。

1.先张法定义：先张拉预应力钢筋，然后浇筑混凝土的施工方法，称为先张法。

张拉设备：主要工艺过程是：穿钢筋→张拉钢筋→浇筑混凝土并进行养护→切断钢筋。锚具（一）锚具（二）主要优点：生产工艺简单，工序少，效率高，质量易于保证，同时由于省去了锚具和减少了预埋件，构件成本较低。适用范围：主要用于工厂化大量生产，尤其适宜用于长线法生产中、小型构件。2.后张法定义：先浇筑混凝土，待混凝土硬化后，在构件上直接张拉预应力钢筋，这种施工方法称为后张法。张拉设备主要工艺过程：浇筑混凝土构件（在构件中预留孔道）并进行养护→穿预应力钢筋→张拉钢筋并用锚具锚固→往孔道内压力灌浆，如图6.1.5。主要优点：预应力钢筋直接在构件上张拉，不需要张拉台座，所以后张法构件既可以在预制厂生产，也可在施工现场生产。大型构件在现场生产可以避免长途搬运，故我国大型预应力混凝土构件主要采用后张法。主要缺点：生产周期较长；需要利用工作锚锚固钢筋，钢材消耗较多，成本较高；工序多，操作较复杂，造价一般高于先张法。7.1.3预应力结构的设备（一）锚具1.对锚具的要求临时夹具(在制作先张法或后张法预应力混凝土构件时，为保持预应力筋拉力的临时性锚固装置)和锚具(在后张法预应力混凝土构件中，为保持预应力筋的拉力并将其传递到混凝土上所用的永久性锚固装置)都是保证预应力混凝土施工安全、结构可靠的关键设备。因此，在设计、制造或选择锚具时应注意满足下列要求：受力安全可靠；预应力损失要小；构造简单、紧凑，制作方便，用钢量少；张拉锚固方便迅速，设备简单。7.1.3预应力结构的设备2.锚具的分类锚具的型式繁多，按其传力锚固的受力原理，可分为：（1）依靠摩阻力锚固的锚具。如楔形锚、锥形锚和用于锚固钢绞线的JM锚与夹片式群锚等，都是借张拉预应力钢筋的回缩或千斤顶压，带动锥销或夹片将预应力钢筋楔紧于锥孔中而锚固的。（2）依靠承压锚固的锚具。如镦头锚、钢筋螺纹锚等，是利用钢丝的镦粗头或钢筋螺纹承压进行锚固。（3）依靠粘结力锚固的锚具。如先张法的预应力钢筋锚固，以及后张法固定端的钢绞线压花锚具等，都是利用预应力钢筋与混凝土之间的粘结力进行锚固的。7.1.3预应力结构的设备3.目前预应力结构中几种常用的锚具（1）锥形锚锥形锚（又称为弗式锚），主要用于钢丝束的锚固。它由锚圈和锚塞（又称锥销）两部分组成。（2）镦头锚镦头锚主要用于锚固钢丝束，也可锚固直径在14mm以下的预应力粗钢筋。钢丝的根数和锚具的尺寸依设计张拉力的大小选定。（3）钢筋螺纹锚具当采用高强粗钢筋作为预应力钢筋时，可采用螺纹锚具固定。即借助于粗钢筋两端的螺纹，在钢筋张拉后直接拧上螺帽进行锚固，钢筋的回缩力由螺帽经支承垫板承压传递给梁体而获得预应力。7.1.3预应力结构的设备3.目前预应力结构中几种常用的锚具（4）夹片锚具夹片锚具体系主要作为锚固钢绞线之用。由于钢绞线与周围接触的面积小，且强度高、硬度大，故对其锚具的锚固性能要求很高，JM锚是我国60年代研制的钢绞线夹片锚具。（5）固定端锚具采用一端张拉时，其固定端锚具，除可采用与张拉端相同的夹片锚具外，还可采用挤压锚具和压花锚具。（6）连接器连接器有两种：钢绞线束N1锚固后，用来再连接钢绞线束N2的，叫锚头连接器；当两段未张拉的钢绞线束N1、N2需直接接长时，则可采用接长连接器.7.1.3预应力结构的设备（二）千斤顶各种锚具都必须配置相应的张拉设备，才能顺利地进行张拉、锚固。与夹片锚具配套的张拉设备，是一种大直径的穿心单作用千斤顶。（三）预加应力的其他设备按照施工工艺的要求，预加应力尚需有以下一些设备或配件。7.1.4预应力混凝土结构的材料1.预应力钢筋要求（1）高强度（2）具有一定的塑性（3）良好的加工性能（4）与混凝土有较好的黏结强度种类:(1)热处理钢筋

(2)钢绞线

(3)消除应力钢丝2、混凝土要求：（1）强度高（2）收缩、徐变小（3）快硬、早强（4）弹性模量高选用：一般采用C30以上，当采用钢丝、钢绞线时取C40以上。7.1.5预应力的损失（一）张拉控制应力

1.定义在张拉预应力钢筋时所达到的规定应力,用σcon表示。

2.张拉控制应力的确定原则张拉控制应力取得高些，不但可以提高构件的抗裂性能和减小挠度，而且可以节约钢材。因此，σcon值适当取高一些是有利的。但σcon值不能过高。否则会产生以下问题：（1）构件延性变差钢筋种类张拉方法先张法后张法消除应力钢丝、钢绞线热处理钢筋（2）可能引起钢丝断裂或钢筋应力超过屈服强度（3）增大预应力损失3.张拉控制应力的数值注：下列情况，表中数值可提高0.05fptk；①要求提高构件在施工阶段的抗裂性能而在使用阶段受压区内设置的预应力筋；②要求部分抵消由于应力松驰、摩擦、钢筋分批张拉以及预应力钢筋与张拉台座之间的温差因素产生的预应力损失。7.1.5预应力的损失(二）预应力损失

预应力损失：由于张拉工艺和材料特性等原因，从张拉钢筋开始直到构件使用的整个过程中，经张拉所建立起来的钢筋预应力将逐渐降低，这种现象称为预应力损失。

1.张拉端锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失产生原因：由于经过张拉的预应力钢筋被锚固在台座或构件上以后，锚具、垫板与构件之间的缝隙被压紧，以及预应力钢筋在锚具中的滑动，造成预应力钢筋回缩而产生的预应力损失。

产生范围：先张法构件、后张法构件。减小措施：（1）选择变形小或预应力筋滑动小的锚具、夹具，并尽量减少垫板的数量；（2）对于先张法张拉工艺，选择长的台座。台座长度超过100m时，可忽略不计。

2.预应力钢筋与孔道的摩擦引起的预应力损失。产生原因：后张法构件在预留孔道中张拉钢筋时，因钢筋与孔道壁之间的接触引起摩擦阻力而产生的预应力损失。产生范围：后张法构件。减少措施：（1）采用两端张拉；（2）采用“超张拉”工艺。其工艺程序为：

停2min停2min01.1σcon0.85σconσcon。

3.混凝土加热养护时，预应力钢筋与台座间温差引起的预应力损失产生原因：当先张法构件进行蒸汽养护时，随着钢筋温度升高，其长度也增加（由于新浇混凝土尚未结硬，不能约束钢筋增长），而台座长度固定不变，因此张拉后的钢筋变松，预应力钢筋的应力降低。降温时混凝土和钢筋已粘结成整体，二者一起回缩，钢筋的应力不能恢复到原来的张拉应力值。产生范围：采用蒸汽养护的先张法构件。

减少措施：

(1)蒸汽养护时采用两次升温养护，即第一次升温至20℃，恒温养护至混凝土强度达到7~10N/mm2

时，再第二次升温至规定养护温度。

(2)在钢模上张拉，将构件和钢模一起养护。此时，由于预应力钢筋和台座间不存在温差，故温差损失为0。

4.预应力钢筋应力松驰引起的预应力损失产生原因：预应力钢筋应力松驰引起的预应力损失实际上是钢筋的应力松驰和徐变引起的预应力损失的统称。产生范围：先张法构件、后张法构件。减小措施：

(1)采用应力松驰损失较小的钢筋作预应力钢筋；

(2)采用“超张拉”工艺。5.混凝土收缩和徐变引起的预应力损失产生原因：由于混凝土的收缩和徐变使构件长度缩短，被张紧的钢筋回缩而产生的预应力损失。此项预应力损失是各项损失中最大的一项，在直线预应力配筋构件中约占总损失的50％，在曲线预应力配筋构件中约占30％左右。产生范围：先张法构件、后张法构件。

减少措施：

(1)设计时尽量使混凝土压应力不要过高；

(2)采用高强度等级水泥，以减少水泥用量，同时严格控制水灰比；

(3)采用级配良好的骨料，增加骨料用量，同时加强振捣，提高混凝土密实性；

(4)加强养护，使水泥水化作用充分，减少同的收缩。有条件时宜采用蒸汽养护。

6.环形构件采用螺旋预应力筋时局部挤压引起的预应力损失产生原因：由于构件环形配筋时，预应力钢筋将混凝土局部压陷，使构件直径减小而产生的预应力损失。产生范围：直径d≤3m的后张法构件中。

7.2.1先张法构件1、钢筋的间距

预应力钢筋的净距不应小于其公称直径或等效直径的1.5倍，且符合下列规定：对热处理钢筋及钢丝，不应小于25mm；对3股钢绞线，不应小于20mm；对7股钢绞线，不应小于25mm。当先张法预应力钢丝按单根方式配筋有困难时，可采用相同直径钢丝并筋的配筋方式。7.2预应力混凝土结构构造要求（2）端部加强措施7.2.2后张法(有粘结预应力混凝土)(1)孔道及排气孔要求7.2.2后张法(有粘结预应力混凝土)(2)端部加强措施为了提高锚具下混凝土的局部抗压强度，防止局部混凝土压碎，应采取在端部预埋钢板(厚度)，并应在垫板下设置附加横向钢筋网片或螺旋式钢筋等措施。7.2.2后张法(有粘结预应力混凝土)(3)长期外露的金属锚具应采取涂刷或砂浆封闭等防锈措施。(4)管道压浆要密实，水泥砂浆不宜小于M20，水灰比为，为减少收缩，可掺入O.001水泥用量的铝粉。本章小结1、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。这种由配置预应力钢筋再通过张拉或其他方法建立预应力的结构，就称为预应力混凝土