第五章预应力混凝土结构PPT课件.ppt

第五章预应力混凝土构件 本章主要介绍预应力混凝土的基本原理 预应力混凝土结构构件的工艺及特点 预应力值建立和传递的原理 质量控制及技术措施 本章提要 5 1概述 混凝土受拉构件 受弯构件 大偏心受压构件等 在各种荷载作用下 都存在受拉区 当荷载不是太大时 上述构件中将出现裂缝 钢筋混凝土构件的另一大缺点是不能采用高强度钢筋 5 1 1普通钢筋混凝土结构的缺点 最后一点是 提高混凝土强度等级对构件抗裂性所起的作用也是极其有限的 因为各等级混凝土的极限抗拉应变相差不大 增加构件截面尺寸能提高抗裂性 但所需混凝土多 构件自重大 5 1 2预应力混凝土的基本原理 所谓预应力混凝土就是在混凝土构件承受使用荷载前的制作阶段 预先对使用阶段的受拉区施加压应力 造成一种人为的应力状态 当构件承受使用荷载而产生拉应力时 首先要抵消混凝土的预压应力 然后随着荷载的增加 受拉区混凝土产生拉应力 因此 可推迟混凝土裂缝的出现和开展 以满足使用要求 这种在结构构件承受荷载以前预先对受拉区混凝土施加压应力的结构构件 就称为预应力混凝土构件 如图5 1所示 一简支梁在承受外荷载之前 预先在梁的受拉区施加一对大小相等 方向相反的集中力P 则构件各截面的应力分布如图5 1 a 下边混凝土纤维的压应力为 pc 仅在使用荷载作用下 梁跨中截面应力分布如图5 1 b 跨中截面下边缘混凝土的拉应力为 t 当两种应力状态相互叠加时 如图5 1 c 所示 梁跨中下边缘的应力可能是数值很小的拉应力 也可能是压应力 甚至应力为零 视施加压力P和荷载的相对大小而定 图5 1预应力混凝土构件 5 1 3预应力混凝土的受力特征 图5 2为两根梁的荷载 挠度曲线对比图 从图5 2可知预应力混凝土构件具有如下受力特征 1 对混凝土构件施加预应力可以提高构件的抗裂性 2 预应力的大小可人为地根据需要调整 3 在使用荷载作用下 构件在开裂前处于弹性工作阶段 材料力学的公式完全适用 4 施加预应力对构件正截面承载力无明显影响 但预应力对斜截面承载力有一定提高 图9 2简支梁荷载挠度曲线 5 1 4施加预应力的方法 1 先张法 先张法是指首先在台座上或钢模内张拉钢筋 并作临时锚固 然后浇筑混凝土 待混凝土达到一定强度后剪断或放松钢筋 钢筋剪断后将产生弹性回缩 但钢筋与混凝土之间存在着粘结力 混凝土就会阻止钢筋回缩而混凝土本身受到预压应力 先张法的主要工序见图5 3所示 2 后张法 后张法是指先浇筑混凝土构件并预留好孔道 待混凝土达到一定的强度后在孔道内穿入钢筋 然后直接在构件上张拉钢筋 最后用锚具在构件两端将钢筋锚固 阻止钢筋回缩 从而对构件施加预应力 钢筋张拉完毕并将张拉端锚固后 预留孔道内应按要求灌浆 后张法的主要工序见图9 4所示 3 锚具锚具是锚固预应力筋的装置 它对在构件中建立有效预应力起着至关重要的作用 先张法构件中的锚具可重复使用 也称夹具或工作锚 后张法构件依靠锚具传递预应力 锚具也是构件的组成部分 不能重复使用 对锚具的要求是 安全可靠 使用有效 节约钢材及制作简单 锚具按其构造形式及锚固原理 可以分为三种基本类型 锚块锚塞型锚具 螺杆螺帽型锚具 镦头型锚具 先张法 后张法各有优缺点 先张法生产工序少 工艺简单 施工质量容易保证 不需在构件上设永久性锚具 生产成本低 在长线台座上 一次可生产多个构件 先张法主要适合于工厂内生产中 小型构件 后张法不需要台座 构件既可在工厂也可在现场制作 后张法构件只能单一逐个地施加预应力 工序多 操作也麻烦 而且需设永久性锚具 成本高 一般用于运输不便的大 中型构件 图5 3先张法主要工序示意图 a 张拉钢筋 b 支模并浇捣混凝土 c 放松并截断预应力钢筋 图5 4后张法主要工序示意图 a 制作混凝土构件 b 张拉钢筋 c 张拉端锚固并对孔道灌浆 5 1 5预应力混凝土构件的优缺点 预应力混凝土构件的抗裂性能远高于普通钢筋混凝土构件 增加了混凝土结构的使用范围 在使用荷载作用下一般不出现裂缝 构件的耐久性好 刚度大 变形也小 能充分利用高强度钢筋和高强度混凝土 减少了钢筋用量 截面小 减轻了构件自重 从而为混凝土结构用于大跨度结构创造了良好的条件 预应力技术的采用 也为装配式结构提供了良好的装配 拼装手段 可通过纵 横方向施加预应力钢筋 把装配式结构连成理想的整体 其主要缺点是施工设备要求高 施工较复杂 设计计算较繁 5 1 6预应力混凝土构件的分类 1 我国规范对预应力砼分类原则 根据裂缝控制程度划分 2 我国规范对预应力混凝土的具体分类 1 裂缝控制等级为一级 严格要求不出现裂缝的构件 即在使用荷载下 构件受拉区不允许出现拉应力 2 裂缝控制等级为二级 一般要求不出现裂缝的构件 即在使用荷载下 构件受拉区允许出现小于混凝土抗拉强度的拉应力 3 裂缝控制等级为三级 允许出现裂缝的构件 即在使用荷载下 构件受拉区允许出现小于规定的混凝土最大裂缝宽度的的裂缝 5 2预应力混凝土结构的材料 预应力混凝土结构构件所用的混凝土 应满足下列要求 1 强度高 2 收缩 徐变小 3 快硬 早强 选择混凝土强度等级时 应考虑施工方法 先张或后张 构件跨度 使用情况 如有无振动荷载 以及钢筋种类等因素 5 2 1混凝土 5 2 2钢材 预应力结构构件所用的钢筋 丝 应满足下列要求 1 强度高 2 具有一定的塑性 3 良好的加工性能 4 与混凝土之间有较好的粘结强度 特别是先张法构件 当采用光面高强钢丝时 表面应经 刻痕 或 压波 等措施处理后方能使用 5 3预应力混凝土结构构件的基本计算规定 因预应力混凝土结构构件在施工阶段和使用阶段处于完全不同的受力状态 故应分别进行施工阶段和使用阶段的设计计算或验算 规范规定 一般需进行下列计算或验算 5 3 1计算内容 1 承载力计算 对预应力混凝土轴心受拉构件只进行正截面承载力计算 对预应力混凝土受弯构件应同时进行正截面和斜截面承载力计算 2 裂缝控制验算 根据使用要求及耐久性要求 确定构件是不允许开裂还是允许开裂 不允许开裂的构件应进行抗裂验算 允许开裂的构件则应进行裂缝宽度验算 3 变形验算 对预应力混凝土受弯构件应进行挠度验算 5 3 1 1使用阶段计算 施工阶段验算是指对构件在制作 运输和吊装过程中所受力的实际情况而进行的承载力和抗裂性的验算 对后张法构件还应验算锚具处的局部受压承载力 5 3 1 2施工阶段验算 5 3 2张拉控制应力 con 1 con的定义 张拉控制应力是指张拉预应力筋时预应力筋应达到的拉应力规定值 用 con表示 张拉时预应力筋实有的应力可由张拉设备上的测力计所示的总拉力除以预应力钢筋截面面积得出 2 张拉控制应力的确定 张拉控制应力的数值与钢筋的种类和施加预应力的方法有关 规范规定的张拉控制应力允许值见表5 1 表5 1张拉控制应力允许值 con 5 3 3预应力损失 l 按照某一控制张拉应力值张拉好的预应力钢筋的初始张拉应力 由于张拉工艺和材料特性等原因 会从构件制作到安装使用各个过程中不断降低 这种预应力降低的现象称为预应力损失 引起预应力损失的因素很多 规范给出了以下六种因素及其产生的相应预应力损失值的计算方法 在先张法和后张法中 张拉钢筋一般总是先将钢筋一端锚固而在另一端张拉 待钢筋张拉到规定的控制应力 con后 便再把张拉端的预应力筋锚固在台座或构件上 锚具变形和预应力钢筋滑动回缩引起的预应力损失 l1 按下式计算 其中 张拉端锚具变形和预应力筋滑动的内缩值 mm 按表5 2取用 5 3 3 1张拉端锚具变形和钢筋内缩引起预应力损失 后张法构件在张拉预应力筋时 由于钢筋与孔道壁之间的摩擦力存在 它将使预应力筋截面的应力随距张拉端的距离的增大而减小 图5 5 这种应力损失称为摩擦损失 规范规定 摩擦损失 l2按下列公式计算 其中 k 按表5 3取用 对于 x 0 2的预应力混凝土构件 l2可按下式近似计算 5 3 3 2预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦引起的预应力损失 设预应力钢筋与台座之间的温差为 t 钢筋的线膨胀系数 1 0 10 5 弹性模量Es 2 0 105N mm2 于是预应力损失 l3为 l3 Es s Es t 2 105 1 0 10 5 t 即 l3 2 t 5 3 3 3受张拉的钢筋与承受拉力的设备之间温差引起的预应力损失 所谓钢筋应力松弛 是指钢筋在高应力状态下 在长度不变条件下 由于钢筋的塑性变形而使应力随时间的延续而降低的现象 1 预应力钢丝 钢绞线普通松弛 钢丝 钢绞线低松弛 当 con 0 7fptk时 5 3 3 4预应力筋应力松驰引起的预应力损失 当0 7fptk con 0 8fptk时 2 热处理钢筋 一次张拉 l4 0 05 con超张拉 l4 0 035 con 根据试验资料和经验 规范规定 混凝土收缩 徐变引起的预应力损失 l5按下列公式计算 1 先张法构件 5 3 3 5混凝土收缩 徐变引起的预应力损失 2 后张法构件 对先张法构件 对后张法构件 此处不作详细介绍 5 3 3 6用螺旋式预应力钢筋作配筋的环形构件 由于混凝土的局部挤压引起的预应力损失 表5 2锚具变形和钢筋内缩值a mm 图5 5预应力钢筋的应力损失 l2 表5 3摩擦系数 为了分析和计算方便起见 规范将预应力构件在各阶段的预应力损失值按表5 4的规定组合 发生在混凝土预压以前的预应力损失称为第一批预应力损失 用 l 表示 发生在混凝土预压以后的称为第二批预应力损失 用 l 表示 规范同时还规定 当按上述规定计算求得的预应力总损失值小于下列数值时 则按下列数值取用 先张法构件100N mm2 后张法构件80 N mm2 5 3 4预应力损失的组合及减少预应力损失的措施 5 3 4 1各阶段预应力损失值的组合 表5 4各阶段预应力损失值的组合表 1 选择变形小或预应力筋滑动小的锚具或夹具 尽量减少垫板的数量 增加先张法台座长度 以减小 l1值 2 采用高强度等级混凝土 高标号水泥 降低水泥用量 减小水灰比 采用良好级配的骨料 尽可能提高混凝土的密实度并加强养护 从而减少预应力损失 l5 3 钢筋放张时混凝土的实有立方体强度值不能定得太低 并使得混凝土的预压应力 pc和 pc 不大于0 5fcu 5 3 4 2减少预应力损失的措施 4 对预应力钢筋进行超张拉 以减少钢筋松弛所引起的预应力损失 5 采用合适的施工工艺 如对预应力筋进行两端张拉 加热养护采用 两阶段升温养护 即先在较低温度下养护 使混凝土达到一定强度后 再升温至规定的温度下进行养护 从而可减少由温差和摩擦引起的预应力损失 5 4预应力混凝土结构的构造要求 截面形式一般为矩形 T形 工字形和箱形 因预应力对构造刚度和抗裂能力有提高作用 故构件截面可选得小些 一般取截面高度h为 1 20 1 14 l l为构件跨度 宽度也相应减小 5 4 1截面形式及尺寸 9 5 2构件端部的构造钢筋 为防止预应力构件端部及预拉区的裂缝 对各种预制构件应按下述构造措施配置防裂钢筋 1 对于槽形板类构件 应在构件端部100mm范围内沿构件板面设置附加的横向钢筋 其数量不少于2根 如图5 21所示 2 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 3 当构件在端部有局部凹进时 应增设折线构造钢筋或其它有效的构造钢筋 图5 22 4 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非预应力纵向构造钢筋 图5 21附加横向钢筋 图5 22端部凹进处构造配筋 1 折线构造钢筋 2 竖向构造钢筋 5 4 3先张法构件的构造要求 1 钢筋 丝 间距 先张法预应力钢筋之间的净间距应根据浇筑混凝土 施加预应力及钢筋锚固等要求确定 预应力钢筋之间的净间距不应小于其公称直径或等效直径的1 5倍 且应符合下列规定 对热处理钢筋及钢丝 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 2 钢丝的并筋配筋方式 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 对双并筋应取为单筋直径的1 4倍 对三并筋应取为单筋直径的1 7倍 并筋的保护层厚度 锚固长度及预应力传递长度等均应按等效直径考虑 当预应力钢绞线 热处理钢筋采用并筋方式时 应有可靠的构造措施 3 钢筋的保护层 纵向预应力钢筋的保护层厚度取值同普通钢筋混凝土构件 4 端部附加钢筋 先张法预应力混凝土构件 预应力钢筋端部周围的混凝土应采取下列加强措施 1 对单根预应力钢筋 其端部宜设置长度不小于150mm且不少于4圈的螺旋筋 图5 23 a 当有可靠经验时 亦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 图5 23 b 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片与此预应力钢筋垂直的钢筋网 3 对采用预应力钢丝配筋的薄板 在板端100mm范围内应适当加密横向钢筋 图5 23端部附加钢筋的插筋 9 5 4后张法构件的构造要求 1 预留孔道 1 对预制构件 孔道之间的水平净距不宜小于50mm 孔道至构件边缘的净距不宜小于30mm 且不宜小于孔道直径的一半 2 在框架梁中 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应小于1 5倍孔道外径 从孔壁算起的混凝土保护层厚度 梁底不宜小于50mm 梁侧不宜小于