《钢筋混凝土结构》课件-6.预应力混凝土构件

钢筋混凝土结构学习目标（1）理解预应力混凝土的基本概念和特点，熟悉先张法和后张法两种施加预应力的方法，掌握预应力混凝土构件对材料的要求。（2）掌握张拉控制应力的概念，以及产生各项预应力损失的原因与减少预应力损失的主要措施。（3）熟悉预应力混凝土构件的构造要求。模块6预应力混凝土构件模模块6预应力混凝土构件模6.1预应力混凝土构件概述6.2施加预应力的方法6.3预应力混凝土构件对材料的要求6.4张拉控制应力、预应力损失和减少损失的措施6.5预应力混凝土构件的构造要求6.1.1预应力混凝土的基本知识6.1预应力混凝土构件概述由于混凝土的特点是抗压强度高，抗拉强度低（约为抗压强度的1/10），因此普通钢筋混凝土的抗裂性能较差。一般情况下，当钢筋的应力超过20N/mm2时，混凝土就会开裂。因此，普通钢筋混凝土构件在正常使用时一般都是带裂缝的。对于允许开裂的普通钢筋混凝土构件，当裂缝宽度限制在0.2～0.3mm时，受拉钢筋应力也只能达到250N/mm2左右。因此，若在普通混凝土结构中配置高强度钢筋，其强度远远不能发挥应有的作用。图6-1所示为一预应力混凝土简支梁。在外荷载作用之前，预先在梁的受拉区施加一对大小相等、方向相反的偏心集中力N，使梁截面上边缘的混凝土产生预拉应力σt，下边缘的混凝土产生预压应力σpc，如图6-1（a）所示。当外荷载q作用时，梁的下边缘混凝土产生拉应力σt，上边缘混凝土产生压应力σc，如图6-1（b）所示。在预压力N和外荷载q的共同作用下，梁的下边缘拉应力将减至σt-σpc，上边缘混凝土应力一般控制为压应力，如图6-1（c）所示。6.1预应力混凝土构件概述图6-1预应力混凝土简支梁6.1预应力混凝土构件概述6.1.2预应力混凝土构件的特点1.预应力混凝土构件的优点（1）抗裂性能较好。（2）刚度较大。（3）充分利用高强度材料。（4）提高构件的抗剪能力。6.1预应力混凝土构件概述2.预应力混凝土构件的缺点预应力混凝土构件虽然具有很多优点，但也存在着一些缺点，如设计计算比较复杂，施工工艺复杂，对质量要求较高，需要有专门的施工设备和技术条件，造价较高等。上述缺点正在不断地被克服，这将使预应力混凝土构件的发展前景更加广阔。6.1预应力混凝土构件概述6.2施加预应力的方法6.2.1先张法（1）在台座（或钢模）上张拉钢筋至设计规定的拉力，并将钢筋用夹具临时锚固在台座（或钢模）上。（2）支模并浇筑混凝土。（3）待混凝土达到设计强度的75%以上时，切断或放松预应力钢筋。图6-2先张法的主要工序6.2.2后张法（1）浇筑混凝土构件，并在构件中预留孔道。（2）待混凝土达到规定强度（设计强度的75%以上）后，在孔道内穿预应力钢筋，并直接在构件上张拉钢筋至设计拉力。（3）用锚具锚固预应力钢筋，为防止钢筋锈蚀，应在孔道内压力灌浆（无黏结混凝土无须灌浆）。图6-3后张法的主要工序6.2施加预应力的方法6.3预应力混凝土构件对材料的要求6.3.1对混凝土的要求（1）高强度。预应力混凝土构件需要采用高强度混凝土，才能建立起较高的预压应力。（2）收缩、徐变小。混凝土的收缩和徐变小，可以减小由于混凝土的收缩和徐变引起的预应力损失。（3）快硬、早强。混凝土的快硬、早强可以提高张拉设备的周转率，加快施工进度。6.3.2对预应力钢筋的要求（1）高强度。预应力钢筋首先要具有很高的强度，因为混凝土预压应力的大小取决于预应力钢筋张拉应力的大小。（2）一定的塑性。高强度钢筋的塑性性能一般较低，为了避免预应力混凝土构件发生脆性破坏，要求预应力钢筋在拉断前应具有一定的伸长率，特别是对处于低温环境和受冲击荷载作用的构件，更应注意钢筋对塑性性能和抗冲击韧性的要求。6.3预应力混凝土构件对材料的要求（3）良好的加工性能。预应力钢筋应具有良好的可焊性，焊后不裂，不产生大的变形。同时，要求钢筋在“镦粗”前后，其物理力学性能基本不变。（4）钢筋与混凝土之间应有较好的黏结强度。先张法构件的预应力主要依靠钢筋与混凝土之间的黏结强度来传递，因此钢筋与混凝土之间必须要有良好的黏结强度。当采用光面高强度钢丝时，表面应做“刻痕”处理。6.3预应力混凝土构件对材料的要求6.4张拉控制应力、预应力损失和减少损失的措施6.4.1张拉控制应力（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弛、摩擦、钢筋分批张拉以及预应力筋与张拉台座之间的温差等因素产生的预应力损失。6.4.2预应力损失和减少损失的措施（1）选择变形小和钢筋内缩小的锚（夹）具，并尽量减少垫板的数量。（2）增加先张法台座的长度，当台座长度超过100m时，σl1可忽略不计。1.张拉端锚具变形和预应力钢筋内缩引起的预应力损失σl16.4张拉控制应力、预应力损失和减少损失的措施2.预应力钢筋的摩擦引起的预应力损失σl2（1）两端张拉。对较长的构件可在两端同时进行张拉，则计算孔道长度可减少一半，但将引起σl2的减少。（2）超张拉。张拉程序为：0→1.1σcon，保持荷载2min→0.85σcon，保持荷载2min→σcon。6.4张拉控制应力、预应力损失和减少损失的措施3.预应力钢筋与张拉设备之间的温差引起的预应力损失σl3（1）采用两次升温养护。先在常温下养护，待混凝土强度达到7.5～10N/mm2时，再逐渐升温至规定的养护温度，此时可以认为钢筋与混凝土已结成整体，能一起胀缩而无应力损失。（2）在钢模上张拉预应力钢筋。由于预应力钢筋在钢模上，所以升温时两者温度相同，因而不会产生温差引起的预应力损失。6.4张拉控制应力、预应力损失和减少损失的措施4.预应力钢筋的应力松弛引起的预应力损失σl41）消除应力钢丝、钢绞线（1）普通松弛。（2）低松弛。6.4张拉控制应力、预应力损失和减少损失的措施2）中强度预应力钢丝、预应力螺纹钢筋（1）中强度预应力钢丝。（2）预应力螺纹钢筋。6.4张拉控制应力、预应力损失和减少损失的措施5.混凝土收缩和徐变引起的预应力损失σl5（1）先张法构件。（2）后张法构件。6.4张拉控制应力、预应力损失和减少损失的措施6.环形构件采用螺旋式预应力钢筋时局部挤压混凝土引起的预应力损σl6用螺旋式预应力钢筋作配筋的环形构件，如水池、油罐、压力管道等，当采用后张法直接在混凝土构件上进行张拉时，预应力钢筋将对环形构件的外壁产生径向压力，混凝土在预应力钢筋的挤压下会发生局部压陷，造成构件直径有所减小，预应力钢筋中的拉应力降低，从而引起预应力损失σl6。该项预应力损失只发生在后张法构件中。6.4张拉控制应力、预应力损失和减少损失的措施6.4.3预应力损失值的组合上述六项预应力损失有的只在先张法构件中出现，有的只在后张法构件中出现，有的在两种构件中均出现，另外，这些损失不是同时发生的，而是在不同阶段分批产生的，为了便于分析和计算预应力构件在各阶段的预应力损失值，按照混凝土预压结束前和预压结束后，分别对先张法构件和后张法构件的预应力损失值进行组合，见表6-4。6.4张拉控制应力、预应力损失和减少损失的措施6.5预应力混凝土构件的构造要求6.5.1预应力混凝土构件的一般构造要求1.截面形式和尺寸对于预应力混凝土梁及预应力混凝土板，当跨度较小时，多采用矩形截面；当跨度或荷载较大时，为减小构件自重，提高构件的承载能力和抗裂性能，可采用T形、工字形或箱形截面。1）截面形式2）截面尺寸一般情况下，预应力混凝土梁的截面高度可取h=(1/20～1/14)l，翼缘宽度可取(1/3～1/2)h，翼缘高度可取(1/10～1/6)h，腹板宽度可取(1/15～1/8)h。6.5预应力混凝土构件的构造要求2.预应力纵向钢筋的布置预应力纵向钢筋的布置方式有三种，即直线布置、曲线布置及折线布置。直线布置如图6-5（a）所示，用于跨度及荷载较小的中小型构件，先张法、后张法均可采用。曲线布置多用于跨度和荷载较大的受弯构件。在预应力混凝土屋面梁、吊车梁等构件靠近支座的斜向主拉应力较大部位，宜将一部分预应力钢筋弯起，使其呈曲线布置，如图6-5（b）所示，一般采用后张法施工。折线布置一般用于有倾斜受拉边的梁，如图6-5（c）所示，一般采用先张法施工，此时会在转向装置处产生摩擦预应力损失。6.5预应力混凝土构件的构造要求图6-5预应力纵向钢筋的布置方式6.5预应力混凝土构件的构造要求3.非预应力钢筋的布置为防止构件在制作、运输、堆放或吊装过程中预拉区混凝土开裂或裂缝宽度过大，可在构件预拉区配置一定数量的非预应力纵向钢筋。6.5预应力混凝土构件的构造要求6.5.2先张法构件的构造要求1.并筋的配筋方式当先张法预应力钢丝按单根方式配筋困难时，可采用相同直径钢丝并筋的配筋方式。并筋的等效直径，对双并筋应取单筋直径的1.4倍，对三并筋应取单筋直径的1.7倍。根据我国的工程实践，预应力钢丝并筋不宜超过3根。对并筋的保护层厚度、锚固长度、预应力传递长度及正常使用极限状态进行验算时，均应按等效直径考虑。当预应力钢绞线等采用并筋方式时，应有可靠的构造措施，如加配螺旋筋或采用缓慢放张预应力的工艺等。6.5预应力混凝土构件的构造要求2.预应力钢筋的净间距和普通混凝土结构一样，先张法预应力钢筋之间也应根据浇筑混凝土、施加预应力及钢筋锚固等方式的不同保持足够的净间距。预应力钢筋之间的净间距不应小于其公称直径的2.5倍且不应小于混凝土粗集料最大粒径的1.25倍，且应符合下列规定：对预应力钢丝，预应力钢筋的净间距不应小于15mm；对三股钢绞线，不应小于20mm；对七股钢绞线，不应小于25mm。6.5预应力混凝土构件的构造要求3.构件端部的加强措施（1）对单根配置的预应力钢筋，其端部宜设置长度不小于150mm且不少于4圈的螺旋筋，如图6-6（a）所示；有可靠经验时，也可利用支座垫板上的插筋代替螺旋筋，但插筋数量不应少于4根，其长度不宜小于120mm，如图6-6（b）所示。（2）对分散布置的多根预应力钢筋，在构件端部10d（d为预应力钢筋的公称直径）范围内应设置3～5片与预应力钢筋垂直的钢筋网，如图6-6（c）所示。图6-6先张法构件端部的加强措施6.5预应力混凝土构件的构造要求（3）对采用预应力钢丝配筋的薄板，在板端100mm长度范围内应适当加密横向钢筋，如图6-6（d）所示。（4）对槽形板类构件，应在构件端部100mm长度范围内沿构件板面设置附加横向钢筋，其数量不应少于2根。（5）对预应力钢筋在构件端部全部弯起的受弯构件或直线配筋的先张法构件，当构件端部与下部支承结构焊接时，应考虑混凝土收缩、徐变及温度变化所产生的不利影响，宜在构件端部可能产生裂缝的部位设置足够的普通纵向构造钢筋。6.5预应力混凝土构件的构造要求6.5.3后张法构件的构造要求1.配筋要求（1）在后张法预应力受弯构件中，宜将一部分预应力钢筋在靠近支座处弯起，弯起的预应力钢筋宜沿构件端部均匀布置。（2）在后张法预应力混凝土构件中，曲线预应力钢丝束、钢绞线束的曲率半径不宜小于4m；对折线配筋的构件，在预应力钢筋弯折处的曲率半径可适当减小。（3）在后张法预应力混凝土构件的预压区和预拉区中，应设置普通纵向构造钢筋，在预应力钢筋弯折处，应加密箍筋或沿弯折处内侧设置钢筋网片。6.5预应力混凝土构件的构造要求2.预留孔道（1）预制构件中预留孔道之间的水平净间距不宜小于50mm，且不宜小于混凝土粗集料粒径的1.25倍；孔道至构件边缘的净间距不宜小于30mm，且不宜小于孔道直径的50%。（2）现浇混凝土梁中预留孔道在竖直方向的净间距不应小于孔道外径，水平方向的净间距不宜小于1.5倍孔道外径，且不应小于粗集料粒径的1.25倍；从孔道外壁至构件边缘的净间距，梁底不宜小于50mm，梁侧不宜小于40mm，如图6-7所示。图6-7预应力框架梁预留孔道净间距要求6.5预应力混凝土构件的构造要求（3）预留孔道的内径应比预应力钢丝束或钢绞线束外径及需穿过孔道的连接器外径大6～15mm（4）在构件两端及跨中应设置灌浆孔或排气孔，其孔距不宜大于12m。6.5预应力混凝土构件的构造要求3.构件端部加强措施（1）后张法预应力混凝土构件端部尺寸应考虑锚具的布置、张拉设备的尺寸和局部受压的要求，必要时应适当加大。6.5预应力混凝土构件的构造要求（2）构件的端部锚固区，应进行局部受压承载力计算，并配置间接钢筋，其体积配筋率不应小于0.5%；为防止构件沿孔道发生劈裂，在局部受压间接钢筋配置区以外，在构件端部长度l不小于3e（e为截面重心线上部或下部预应力钢筋的合力点至邻近边缘的距离）、但不大于1.2h（h为构件端部截面高度），且在高度为2e的附加配筋区范围内应均匀配置附加箍筋或钢筋网片，其体积配筋率不应小于0.5%，如图6-8所示。图6-8防止沿孔道劈裂的配筋范围6.5预应力混凝土构件的构造要求（3）当构件端部预应力钢筋需集中布置在截面下部或集中布置在上部和下部时，应在构件端部0.2h范围内设置附加竖向焊接钢筋网、封闭式箍筋或其他形式的构造钢筋，附加竖