预应力砼结构的基本知识PPT课件.ppt

1 预应力砼结构的基本知识 第一节预应力砼的概念 2 一 钢筋混凝土的缺欠 混凝土材料力学性能中的一个基本矛盾是 抗压强度高 抗拉强度很低 ft fc 10 砼的极限拉应变仅为极限压应变的 1 20 1 30 即每m只能拉长0 1 0 15mm 3 因此 混凝土受拉区开裂较早 此时的钢筋应力只有 20 40 N mm2左右 大概只发挥了其强度的十分之一左右 因而在使用阶段钢筋砼构件一般是带裂缝工作的 4 见表分析 5 因此 引起矛盾 构件中若采用高强度钢筋 将使 使用荷载下钢筋的工作应力提高很多 挠度和裂缝宽度将远远超过允许值 若拉区最大裂缝控制在0 3mm以内的话 钢筋的拉力仅达到150 250N mm2 只占高强钢筋抗拉强度设计值 1000 1300N mm2 的15 20 不能充分利用高强钢筋的强度 6 实际上高强度钢筋在钢筋混凝土构件中将很难得到合理的使用 因而不能采用高强度钢筋 而采用高强度混凝土也是没有意义的 因为高强度混凝土对提高抗裂度 刚度和减小裂缝宽度的作用很小 7 总之 钢筋混凝土构件过早开裂的问题不解决 就不能有效的利用高强材料 结果 阻碍了钢筋混凝土结构自身的发展 8 另一方面 钢筋混凝土结构的应用 也受到过早开裂导致的刚度降低 裂缝开展的制约 如用于大跨结构时 为满足挠度控制的要求 需要加大截面尺寸来增大刚度 以致使构件的承载力中有较大一部分用于负担结构的自重 跨度越大 自重在承载力中所占比例就越大 很不经济 不合理 甚至是不可能的 因此 限制了应用范围 9 二 预应力混凝土的基本概念 那么 如何解决这个矛盾呢 可否设想 借助于混凝土的抗压强度来补偿其抗拉强度的不足 以推迟受拉区混凝土的开裂 即 在构件受外荷以前 使它先存在着一种应力状态 预加应力 用以减小或抵消外荷作用时产生的拉应力 10 实际上 预加应力的概念在日常生活和生产实践中早有所应用 如 11 12 在钢筋混凝土结构中情况如何呢 13 施加预应力的概念虽然早已存在 但预应力混凝土结构的推广和应用 还只是近50年来有了高强钢筋才变为现实 为什么 因为 有预应力损失 14 施加预应力后 应用范围扩大 例如 非预应力吊车梁跨度为6m 预应力吊车梁跨度可达12m 非预应力屋架18 21m 预应力屋架30 36m或更大 15 目前预应力混凝土应用 世界上最大的预应力砼贮罐直径达82m 高达36m 预应力轻骨料砼建造的飞机库屋盖结构跨度达90m 预应力箱形截面桥梁跨度达240m以上 预应力电视塔高达549m 我国设计制造的大跨度预应力砼屋架跨度达60m 16 预应力混凝土与普通砼 两者相比 预应力混凝土有如下特点 1 提高构件的抗裂能力 只有当混凝土的预压应力全部抵消转而受拉且受拉应变超过混凝土的极限拉应变时 构件才会开裂 2 增大了构件的刚度 使混凝土转变成弹性材料预应力混凝土构件正常使用时 可能不开裂或只有很小的裂缝 混凝土基本上处于弹性阶段工作 17 3 充分利用高强度材料前已分析4 扩大了构件的应用范围因改善了抗裂性能 可用于防水 抗渗性及抗腐蚀要求的环境 采用高强度材料 结构轻巧 刚度大 变形小 可用于大跨度 重荷载及承受反复荷载的结构 18 预应力混凝土结构的缺点 施工麻烦 工艺复杂 需要锚具 精度要求较高 施工周期较长 造价高 且不能提高构件的承载力 19 第二节施加预应力的方法 先张法与后张法先张法 先张拉钢筋后浇筑混凝土 后张法 先浇筑混凝土后张拉钢筋 具体施工顺序与特点 20 先张法 21 一 先张法在先张法中 预应力是靠钢筋与砼之间的粘结力来传递的 施加预应力是靠张拉钢筋来实现的 即张拉高强度的钢筋 并将其锚固在砼构件内 由于钢筋弹性回缩 就使砼受压 22 后张法 23 二 后张法 后张法是靠锚具来保持预应力的 锚具将永远附在构件上 24 25 锚具 26 上述后张法的缺点是 工序多 预留孔道占截面面积大 施工复杂 27 夹具与锚具是预应力混凝土构件的重要工具 夹具 构件制作完毕能取下来重复使用的称为夹具 锚具 留在构件上不能再取下的称为锚具 统称为锚具 有时 为简便起见 28 三 后张无粘结预应力 另一种后张法 后张无粘结预应力施工技术 特点 不需要预留孔道 无粘结预应力筋可与非预应力筋同时铺设 并可采用曲线配筋 布置灵活 有粘结预应力指沿预应力筋全长其周围均与混凝土粘结握裹在一起的 无粘结预应力指预应力筋伸缩 滑动自由 不与周围混凝土粘结的 29 其主要工序为 1 制作无粘结预应力筋 加涂层 套管 2 绑扎钢筋 图a 3 浇筑混凝土 图b 4 张拉预应力筋 30 四 先张法和后张法的比较 先张法 工艺简单 靠粘结力锚固预应力筋不需要永久性的工作锚具 但需要台座或钢模等设施 适于 在预制厂制造标准预应力构件 如楼板或过梁等 后张法 通过锚具传递预压应力工艺较复杂 慢 需要在构件上安装永久性的工作锚具 成本高 适于 现场浇筑 就地张拉 吊装的大型建筑中的特大构件 31 第三节预应力砼的材料 一 预应力钢筋 一 对钢筋性能要求 强度高 使混凝土获得较高的预压应力 良好的塑性 以保证在较高应力下不会发生拉断破坏 良好的可焊性 以保证必要的加工 与砼有较好的粘接强度原因 预应力钢筋 高应力状态 32 二 预应力钢筋分类 国内常用的预应力钢筋有钢筋 钢丝 钢绞线 分为两大类 1 无物理屈服点钢筋 丝 1 钢铰线 由多股 3或7股 高强钢丝铰合而成 再经低温回火制成 特点 钢铰线比单根钢丝直径大 但具有一定的柔性 施工方便且不降低强度 33 2 消除应力钢丝 经过低温回火处理的钢丝称为 解释 高碳钢经过多次冷拔 存在较大的内应力 需采用低温回火来消除内应力 在外形上分为 光面 刻痕及螺旋肋三种 用 p I H表示 34 3 热处理钢筋 用热轧中碳钢经过调质热处理后制成的高强度钢筋 特点 具有强度高 松弛小等特点 以圆盘形式供应 省掉对焊和整直等工序 施工方便 35 2 有物理屈服点钢筋 冷拉低合金钢 采用热轧钢筋经冷拉后得到 特点 钢筋经冷拉后屈服强度提高 塑性有所降低 钢筋冷拉后可以提高抗拉强度 当钢筋用于抗压时 其强度并不提高 规范提倡优先采用强度高 性能好的预应力钢筋 钢丝 钢铰线 注 钢筋冷拔后则同时提高抗拉及抗压强度 36 37 补充 钢筋的冷拉与冷拔 1 钢筋的冷拉在常温下将有明显流幅的钢筋拉伸到强化阶段k点 然后卸载 卸载后钢筋将沿k直线恢复到0 钢筋产生残余变形00 如果再张拉 应力应变曲线将沿0 kd变化 转折点高于冷拉前屈服点b 但流幅不明显 38 时效硬化 冷拔后 若停留相当时间或高温作用后再张拉 曲线将沿0 kk 变化 转折点提高到k 点 工程应用 一方面提高钢筋的屈服强度 同时钢筋的长度也延长了 从而达到节约钢材的目的 39 2 钢筋的冷拔将直径为6 8mm的钢筋在常温下通过比自身直径小0 5 1mm的钨金拔丝模冷拔而成 钢筋在通过拔丝模后受到很大的侧向挤压而产生塑性变形 迫使钢材内部发生变化而提高钢筋的强度 40 二 混凝土 预应力砼结构对砼性能的要求是 1 高强度 必须 砼强度等级愈高 承受的预压应力愈大 能显著提高构件的抗裂度 2 收缩 徐变小 以减少构件的预应力损失 3 快硬 早强 可缩短生产周期 提高了张拉工具的周转率 41 规范 规定 预应力砼结构的砼强度等级不宜低于C30 当采用高强钢丝或热处理钢筋时 砼强度等级不宜低于C40 42 三 截面形状和尺寸 通常是 梁高h 1 20 1 14 l0 也可取非预应力梁高的70 左右 梁腹宽b 1 10 1 6 h 宜小些 一般情况 截面的宽高比宜小 翼缘和腹板的厚度也不宜大 43 第四节预应力砼构件计算基本原理 一 张拉控制应力和预应力损失1 张拉控制应力 con 在制作预应力混凝土构件时 张拉设备所控制的总张拉力除以预应力筋截面积得到的应力称为 44 con取值越高 混凝土的预压应力越高 可以节约钢筋 但张拉控制应力应有所控制 原因 首先 钢筋的强度是一定的 不能无限制的张拉 其次 如果张拉力过大 会使钢筋应力进入屈服阶段产生塑性变形而达不到预期的预应力效果 甚至还会在加荷时出现脆性断裂而突然破坏 45 因此 在充分利用钢筋强度的前提下 对钢筋的张拉应力必须有所控制 结构设计规范 规定 预应力钢筋的张拉控制应力 con不应超过表所列数值 46 那么 一根钢筋究竟要拉多大的力才达到要求呢 就是以钢筋张拉控制应力 con乘以一根钢筋的截面面积来决定的 注 fpyk为用于预应力钢筋的冷拉钢筋强度标准值 fptk为用于预应力钢筋的碳素钢丝等的强度标准值 47 因此 在预应力砼构件计算时需解决两个问题 钢筋要张拉多大的力 预应力损失值有多少 48 因为 砼预压应力的大小 取决于钢筋弹性回缩的程度 钢筋要有足够回弹力 这就牵涉到钢筋要张拉多大的力 因为通过张拉钢筋建立的预应力并不全部有效 实际有效的预应力受各种因素影响有所降低 这就牵涉到预应力损失值有多少 49 2 预应力损失 从张拉开始到构件使用 由于张拉工艺和材料的特性等原因 钢筋的张拉控制应力将不断的降低 这部分降低值称为预应力损失 在设计时要正确计算预应力损失值 施工时要尽量减少预应力损失 预应力结构的成败关键 50 造成预应力损失的原因主要有以下六种 锚具变形和钢筋滑动引起的预应力损失 l1 先 后 锚具变形越大 预应力损失亦越大 约占总损失的5 10 左右 51 预应力钢筋与孔道壁之间摩擦引起的预应力损失 12 后 在后张法张拉钢筋时 由于钢筋与孔道壁之间的摩擦妨碍了钢筋伸长 因此 约占总损失的5 15 左右 混凝土加热养护时 预应力筋与台座之间温度差引起预应力损失 13 先 约占20 左右 52 钢筋应力松弛引起的预应力损失 14 先 后 占总损失的15 左右 砼收缩 徐变引起的应力损失 15 先 后 占总损失的50 60 这是一项数值较大 并占很大比重的预应力损失 必须认真对待 53 环形配筋对砼局部挤压引起的预应力损失 16 后 直径不大于3m的圆筒形结构 如水管等 采用环形配筋时 因钢筋在圆筒上作螺旋式张拉时 砼受到局部挤压而产生压陷 引起预应力损失 约占总损失的15 左右 减少各项预应力损失的措施有很多 有兴趣同学可看书 54 注意 一般情况下 预应力损失总值大约可达200 250N mm2之多 故在设计及制作时要对此有足够的重视和估计 上述各种原因引起的应力损失 是分批出现的 55 二 预应力砼结构计算原理 计算内容 除承载力计算外 一般还应包括 裂缝和变形验算 承载力是任何构件都必须保证的 对预应力构件也不例外 所以承载力计算是预应力结构必不可少的计算内容 裂缝和变形验算是为了满足预应力结构的正常使用和耐久性要求 此外 还应进行施工阶段的应力校核 56 1 承载力计算 计算时 截面承载力达到极限状态 以受弯构件来说 梁破坏时钢筋达到抗拉设计强度fy 砼达到抗压设计强度fc 这与普通钢筋砼截面承载力极限的应力状态基本相同 那么 预应力梁与非预应力梁 如果两者的尺寸 形式 材料等均相同 则它们破坏时能承受的荷载情况如何呢 57 答案 即 施加预应力并不能提高构件的承载力 是一样的 两者的承载力计算基本相同 因为破坏时 两者的钢筋达到抗拉设计强度fy 砼达到抗压设计强度fc极限状态时情况一样 58 2 抗裂及裂缝宽度验算 抗裂验算 考虑砼获得预压应力后 在使用荷载作用下受拉区应力是否超过砼的抗拉强度ftk 采用预应力是提高构件抗裂度的主要手段 而砼预压应力的大小 取决于钢筋可能弹性回缩的程度 这就需要考虑钢筋张拉多大的力 预应力损失值有多大 剩下的预应力效果有多少等问题 59 抗裂验算 钢筋张拉应力减去预应力损失 剩下的有效预应力如能使构件在荷载作用下受拉区应力不超过砼抗拉强度ftk 构件就不会开裂 这就是抗裂验算 60 按对抗裂要求的不同 规范规定 根据不同裂缝控制等级进行裂缝验算 第一级 严格要求不出现裂缝的构件 在荷载的短期效应组合下 构件受拉边缘砼不应产生拉应力 61 第二级 一般要求不出现裂缝的构件 计算时 对构件受拉边缘砼的拉应力有较严格的限制 大部分预应力砼屋面梁 托梁 屋架以及中 重级工作制吊车梁等对抗裂的要求都属于这一级 62 第三级 允许出现裂缝的构件 采用冷拉钢筋配筋的预应力砼一般构件都属于这一级 其最大裂缝宽度 max的计算值不应超过允许值 0 2mm 63 3 变形验算 由于预应力砼构件在使用荷载下不出现裂缝或出现裂缝延迟 故其截面刚度较非预应力砼构件为大 同时 施加预应力时有反拱作用 因此构件的挠度一般能满足使用要求 若根据结构设计的实践经验能肯定构件具有足够的刚度时 可不进行挠度验算 否则应用结构力学方法验算 64 4 预应力砼构件在制作 运输 吊装等施工阶段的验算 由于预应力砼在构件制作 运输和吊装时的受力状态与使用时的受力状态不同 而且砼的实际强度也比使用阶段为低 故设计时应对构件分别进行制作 运输 吊装阶段的承载力计算和抗裂及裂缝宽度等的验算 65 小结 在构件承受荷载以前 预先