第九单元预应力混凝土结构的基本概念及材料.ppt

第九单元预应力混凝土结构的基本概念及材料 预应力混凝土结构的基本原理 预应力混凝土结构的特点及分类 部分预应力混凝土与无黏结预应力混凝土 1 部分预应力混凝土的概念与受力特征 2 无黏结预应力混凝土结构的概念和受力性能 预加应力的方法和设备 1 预加应力的方法 2 锚具与千斤顶的类型 预应力混凝土结构的材料 1 钢材 2 混凝土 概要 9 1概述 普通钢筋混凝土的局限 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 s 20 30Mpa 钢筋利用不充分 同时使构件刚度下降 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 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 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 9 1概述 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 一 预应力混凝土结构的基本原理 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 一 预应力混凝土结构的基本原理 Np Np 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 Np Np 拉 消压 压 kc kt kc pt pt pc a kt pc 0 c b a b kt pc 0 c kt pc 0 下缘 二 预应力混凝土结构的特点 优点 提高构件的抗裂性 增加截面刚度 节省材料 减轻自重 增加跨越能力 因而可以减少钢筋用量和减小截面尺寸 能有效利用高强度钢丝和高等级混凝土的优良性能 适用于大跨度 大柱网 大型的结构构件 二 预应力混凝土结构的特点 缺点 工艺较复杂 对质量要求高 制作需要较多的张拉设备及需要一定加工精度要求的锚具 预应力反拱不易控制 开工费用较大 不宜用于跨径较小 构件数量少的工程 成本较高 二 预应力混凝土结构的特点 应用 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 二 预应力混凝土结构的特点 地锚加固斜坡 二 预应力混凝土结构的特点 地锚加固斜坡 二 预应力混凝土结构的特点 预应力连续钢构桥 二 预应力混凝土结构的特点 预应力连续钢构桥施工 三 预应力混凝土的分类 加筋混凝土结构 配有钢筋的混凝土结构 预应力度 扣除全部预应力损失后的预应力在构件抗裂边缘产生的预压应力 由作用短期效应组合产生的构件抗裂边缘的法向应力 消压弯矩 按作用短期效应组合计算的弯矩值 三 预应力混凝土的分类 按预应力度分为 1 全预应力混凝土 1 沿预应力筋方向的正截面不出现拉应力 2 部分预应力混凝土 1 0 预应力筋方向的正截面出现拉应力或出现不超过规定宽度的裂缝 3 钢筋混凝土 0 无预加应力 部分预应力混凝土A类构件 当对拉应力加以限制时 部分预应力混凝土B类构件 当对拉应力超过限值或出现不超过限值的裂缝时 9 2部分预应力混凝土和无黏结预应力混凝土 一 部分预应力混凝土的基本概念 全预应力混凝土 部分预应力混凝土 零应力 或 无拉应力 容许其下边缘出现拉应力或裂缝 反拱过大 一般采用预应力钢筋和非预应力钢筋混合钢筋 节约预应力钢筋 改善预应力混凝土使用性能 二 部分预应力混凝土的受力特征 特点 受力特征介于全预应力混凝土梁和普通钢筋混凝土梁之间 消压弯矩M0 外加荷载产生的梁底混凝土拉应力与梁底有效预应力相互抵消 使梁底混凝土应力为零时外加荷载产生的弯矩 二 部分预应力混凝土的受力特征 特点 采用预应力钢筋只能提高梁的抗裂性能 不能提高梁的承载力 优点 部分预应力改善了结构的使用性能 节省高强预应力钢材 简化施工工艺 降低工程造价 提高构件的延性 可以合理的控制裂缝 三 部分预应力混凝土的优缺点 缺点 与全预应力混凝土相比抗裂性略低 刚度较小 设计计算略为复杂 与钢筋混凝土相比 所需的预应力工艺复杂 作用 改善裂缝的分布 增加极限承载力和提高破坏时的延性 可以配置在结构中难以配置预应力筋的部分 四 非预应力钢筋的作用 分类 用来增强应力传递时梁的承载力 用来承受临时荷载或者意外荷载 用来改善梁的结构性能以及提高梁的承载力 名词解释 无黏结预应力混凝土梁 配置的主筋为无黏结预应力钢筋的后张法预应力混凝土梁 无黏结预应力钢筋 单根或多根高强钢丝 钢绞线或粗钢筋 沿其全长涂有专用防腐油脂涂料层 使之与周围混凝土不建立黏结力 张拉时可沿着纵向发生相对滑动的预应力钢筋 五 无黏结预应力混凝土结构的基本概念 制作方法 将预应力筋沿全长涂刷润滑防锈涂料 套以塑料管 施工时 直接放入模板中 浇筑混凝土 待混凝土达到强度要求后 利用混凝土作为支承件张拉钢筋 张拉完毕后锚固钢筋 优点 省去了传统方法中预埋管道 穿束 压浆等工艺 简化施工工艺 缩短施工周期 摩阻力小 可应用于曲线配筋的梁体 缺点 开裂荷载相对较低 且一旦裂缝出现 将很快达破坏 因此 需设置一定数量的非预应力筋来改善构件受力性能 五 无黏结预应力混凝土结构的基本概念 名词解释 纯无黏结预应力混凝土梁 受力钢筋全部采用无黏结预应力钢筋的梁 无黏结部分预应力混凝土梁 采用无黏结预应力钢筋和适当数量的非预应力有黏结钢筋形成混合配筋的梁 六 无黏结预应力混凝土构件的受力性能 1 纯无黏结预应力混凝土梁 裂缝形态与发展 随着荷载的增大 在梁的最大弯矩截面腹筋出现一条或几条裂缝 接着裂缝宽度和高度迅速发展 在梁顶部开裂 顶部混凝土被压碎 荷载 挠度曲线 为两个阶段 且第二个阶段没有明显直线段 六 无黏结预应力混凝土构件的受力性能 1 纯无黏结预应力混凝土梁 跨中截面的预应力钢筋应力 该应力增量总是低于有黏结预应力筋的应力增量 六 无黏结预应力混凝土构件的受力性能 纯无黏结预应力混凝土梁的抗弯强度比有黏结筋梁的低 而且破坏时呈明显的脆性 这些不足 可以通过混合配筋的方法改变 六 无黏结预应力混凝土构件的受力性能 无黏结部分预应力混凝土梁 2 无黏结部分预应力混凝土梁 其受力性能介于有黏结预应力筋梁和无黏结预应力筋梁之间 六 无黏结预应力混凝土构件的受力性能 2 无黏结部分预应力混凝土梁 荷载 挠度曲线 三直线的形状 裂缝的开展 与配有同样钢筋的普通钢筋混凝土梁很接近破坏状态 梁呈现弯曲破坏 六 无黏结预应力混凝土构件的受力性能 2 无黏结部分预应力混凝土梁 预应力筋应力 极限应力比纯无黏结筋梁大很多 应力增量 在梁达到破坏时的应力增量与综合配筋指标有密切关系 在承受跨中荷载时 与跨高比有一定关系 六 无黏结预应力混凝土构件的受力性能 9 3预应力筋的方法和设备 一 预加应力的主要方法 预应力筋的方法 先张法 后张法 一 预加应力的主要方法 先张法 概念 先在张拉台座上张拉预应力钢筋 并进行临时锚固 再浇筑构件混凝土 待混凝土达到要求强度后 缓慢放松张拉力 通过预应力钢筋与混凝土间的粘结作用使混凝土获得预压应力 优点 1 工序简单 2 不必耗费锚具 3 质量较稳定缺点 1 仅适于中 小跨度结构 2 需台座和预制场地 一 预加应力的主要方法 先张法 张拉钢筋并在座上固定 先张法 依靠粘结力来传递并保持预加应力 一 预加应力的主要方法 先张法 一 预加应力的主要方法 先张法 一 预加应力的主要方法 后张法 概念 先浇筑构件混凝土 并在其中预留孔道 或设套管 待混凝土达到要求强度后 张拉预应力钢筋 并用特制的锚具将预应力钢筋锚固于混凝土构件上 使混凝土获得并保持其预压应力 优点 1 无需台座 2 适宜大跨度和曲线配筋缺点 1 工艺复杂 2 锚具用量大 一 预加应力的主要方法 后张法 后张法 依靠工作锚具来传递和保持预加应力 一 预加应力的主要方法 后张法 一 预加应力的主要方法 后张法 后张法先浇筑混凝土 后张拉钢筋 靠工作锚具传递和保持预加应力 无需台座 锚具用于固定和传递预应力 不可重复利用 可用于曲线配筋的构件 先张法先张拉钢筋 后浇筑混凝土 靠黏结力传递和保持预加应力 需要台座 锚具用于临时固定 可重复利用仅适用于直线配筋的中小型构件 一 预加应力的主要方法 夹具和锚具是在制作预应力构件时锚固预应力钢筋的工具 二 夹具和锚具 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 1 对锚具的要求 受力安全可靠预应力损失小构造简单 紧凑 制作方便用钢量少张拉锚固方便迅速 设备简单 二 夹具和锚具 2 锚具的分类 按传力锚固的受力原理来分摩阻型锚具 依靠摩阻力实现锚固如楔形锚 锥形锚和夹片式群锚等承压型锚具 依靠局部承压实现锚固如镦头锚 钢筋螺纹锚等粘结型锚具 依靠粘结力实现锚固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 二 夹具和锚具 摩擦型锚具 锥形锚 二 夹具和锚具 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优点 锚固方便 锚具体积小缺点 回缩量大 预应力损失严重 不能重复张拉和接长 承压型锚具 墩头锚 二 夹具和锚具 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 主要用于锚固钢丝束 锚固5mm和7mm 承压型锚具 墩头锚 二 夹具和锚具 组成 1 锚杯 2 锚圈 3 冷镦头工作原理 借镦头直接承压将钢丝锚固于锚杯上 优点 1 可靠 不滑丝 2 预应力损失小 3 工序简单缺点 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 承压型锚具 墩头锚 二 夹具和锚具 承压型锚具 钢筋螺纹锚 二 夹具和锚具 作用机理 利用螺帽 垫板等的承压作用将预应力钢筋锚固在端部 承压型锚具 钢筋螺纹锚 二 夹具和锚具 特点 属于自承式锚具 操作简单 受力可靠 滑移量小 缺点 下料长工度精度要求高 不可多根锚固 适用于较短的预应力构件及直线预应构件 千斤顶 张拉设备 三 千斤顶 制孔器 后张法构件的预留孔道是由制孔器来形成的 四 其他设备 预应力波纹管 波纹管机 张拉台座 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 四 其他设备 张拉台座 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 四 其他设备 9 4预应力混凝土结构的材料 高强材料 钢材 混凝土 一 钢材 钢材的种类 钢筋 钢丝 钢绞线 一般由七股 3 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4 5mm 一 钢材 对钢材的要求 强度高 具有一定的塑性 良好的加工性能 低松弛 耐腐蚀 与混凝土之间有较好的粘结强度 一 钢材 钢精轧螺纹钢筋 为解决粗直径钢筋的连接问题 钢筋表面轧制成不带纵向肋的精制螺纹 可用套筒直接连接 但随着近年来高强钢丝和钢绞线的大量生产 这种