职业教育(结构)07...ppt

第7章预应力混凝土构件基本知识 第7章预应力混凝土构件基本知识 1 1普通混凝土抗裂性很差混凝土的极限拉应变很低 只有0 0001 0 0015 这时钢筋应力仅20 30N mm2 另外提高混凝土的强度也不明显1 2高强材料得不到充分应用裂缝宽度一般应限制在0 2 0 3mm以内 受拉钢筋应力最高也只能达到150 250N mm21 3结构自重大使用性能不好普通混凝土结构不能适应现代化建设大跨度和大空间的需要 因为无法采用高强度的材料 势必导致截面尺寸过大和自重过大 1 普通混凝土构件存在问题 2 预应力混凝土的产生 1 1最早给混凝土施加预应力的概念是1888年德国工程师道伦 W Doehring 提出的 由于当时钢材的强度不高 故未能获得实际结果 1 21928年法国工程师费列西奥 E Freyssinet 利用高强度的钢丝和高强度等级的混凝土并施加高的预应力 大于400N MM2 来制造预应力混凝土构件才获得实际意义的成功 1 3我国是1954年开始研究预应力混凝土结构 并与1956年推广 以后获得了较大的发展 7 1预应力混凝土构件的基本概念 基本原理1 C20普通钢筋混凝土简支梁 在荷载作用下 在梁跨中下边缘产生10N mm2的拉应力 混凝土梁早已开裂 且裂缝已有相当的开展 一 预应力基本原理及特点分析 2 在预压力作用下 截面下边缘 预压区 跨中产生压应力 1 10N mm2 形成反拱f1 1 1 2 3 在外荷载作用下 截面下边缘产生拉应力 2 9N mm2 其挠度为f2 f2 4 在预压力及外荷载作用 截面下边缘产生应力 2 1 1N mm2 其挠度为f2 f1 f 所谓预应力砼构件就是在构件受荷之前 制作阶段 人为给拉区砼施加预压应力 受荷之后 使用阶段 首先要抵消拉区砼的预压应力 若再加荷拉区砼开裂 直至破坏为止 常见预应力钢筋砼构件有 预应力钢筋砼轴拉构件 预应力钢筋砼受弯构件 预应力混凝土大偏心受压构件 偏心受拉构件 预应力混凝土预制桩等得到广泛的应用 1 2预应力混凝土与钢筋混凝土的比较1 2 1预应力混凝土结构中 混凝土的强度等级要高 钢筋的强度也要高 1 2 2预应力程度较高预应力混凝土结构 性能如同均质弹性材料 而普通钢筋混凝土在使用荷载作用下的性能是非线性的 1 2 3预应力混凝土结构刚度大 挠度小 裂缝宽度小 1 2 4一旦预应力被克服后 预应力混凝土和普通混凝土结构就没有本质上的不同 因而正截面承载力是一样的 1 2 5预应力混凝土梁的斜截面抗剪强度高于普通混凝土 因而预应力混凝土梁的腹板可做得较薄 大大减轻了自重 1 3预应力混凝土的特点优点 1 3 1裂缝宽度小 刚度大 挠度小 结构的耐久性好 1 3 2抗裂性高 可建造水工建筑 储水结构 抗渗结构 1 3 3充分利用高强材料 节约了钢材 减轻了自重 特别在大跨度的结构中更为经济 1 3 4提高构件的抗剪性能 试验表明 纵向预应力钢筋起着锚栓的作用 阻碍着构件斜裂缝的出现与开展 1 3 5提高构件的抗疲劳性能 在预应力结构中 由于钢筋事先张拉 在往复移动荷载的作用下 钢筋应力变化幅度不大10 以下 不会引起钢筋疲劳 1 3 6提高受压构件的稳定承载力 对于长细比较大的受压构件 由于预应力钢筋张拉的很紧 不但预应力钢筋本身不会压弯 而且可帮助周围混凝土提高抗弯的能力 缺点 1 3 7工艺较复杂 对质量要求高 因而需要配备一支技术较熟练的专业队伍 1 3 8需要有一定的专门设备 如张拉机具 灌浆设备等 1 3 9预应力混凝土结构的开工费用较大 对构件数量少的工程成本较高 1 4应用范围 1 4 1在建筑中可用于建造大型屋面板 屋面梁 承重桁架 吊车梁 建造薄壁空间结构 多层框架和单层大跨度建筑 也可建造墙板 柱子等 1 4 2桥梁中建造了预应力箱形截面简支梁跨度达240m 斜拉预应力混凝土桥跨度可达400m 1 4 3特种结构方面可建造预应力混凝土电视塔 石油开采平台 预应力混凝土囤船 预应力压力容器等 预应力混凝土预制桩 预应力空心板 打完预制桩后 预应力管桩施工现场 预应力混凝土连续箱梁在未完成受力体系转换时的支架系统至关重要 2 预加应力的方法根据预应力筋张拉时间的先后 习惯上把预加应力方法分为先张法 后张法和同张法 先 后张法比较 a 钢筋就位 b 张拉钢筋 并临时固定 然后浇混凝土 c 养护后 切断放松钢筋 2 1先张法 2 1 2传力途径 是依靠钢筋与砼的粘结力阻止钢筋的弹性回弹 使截面砼获得预压应力 2 1 3特点 施工简单 靠粘结力自锚 不必耗费特制锚具 临时锚具可以重复使用 一般称工具式锚具或夹具 大批量生产时经济 质量稳定 使用于中小型构件工厂化生产 2 1 1主要张拉程序 先在台座上按规定设计要求将钢筋张拉到控制应力 并用锚具临时固定 浇注砼 待砼达到设计强度75 以上切断放松钢筋 先浇砼 待砼达到设计强度75 以上 再张拉钢筋 钢筋束 2 2后张法 有粘结预应力 2 2 1其主要张拉程序 为埋管制孔 浇砼 抽管 养护穿筋张拉 锚固 灌浆 防止钢筋生锈 2 2 2传力途径 依靠锚具阻止钢筋的弹性回弹 使截面砼获得预压应力 2 2 3特点 这种方法设备简单 不需要张拉台座 生产灵活 但需要可靠的锚具及千斤顶 锚具用钢量大 适用大型构件的现场施工 这种做法钢筋与砼结为整体称为有粘结力预应力砼 有粘结力预应力砼由于粘结力 阻力 的作用使得预应力钢筋拉应力降低 导致砼得到压应力降低 所以应设法减少这种粘结力 2 3后张法无粘结预应力混凝土 2 3 1张拉程序 预应力钢筋沿全长外表涂刷沥青油毡等润滑防腐材料 包上塑料护套或套管 预应力钢筋与砼不建立粘结力 浇砼养护 张拉钢筋 锚固2 3 2特点 施工时跟普通砼一样 将钢筋放入设计位置可以直接浇砼 不必要预留孔洞 穿筋 灌浆 简化施工程序 由于无粘结力预应力砼得到有效预压应力增大 降低造价 适用于跨度大 6m 的曲线配筋的梁体 无粘结预应力束 无粘结的钢绞线是用防腐油脂涂在钢绞线表面 并用外塑料护套而成 2 4 1张拉工艺 一般是利用膨胀水泥配制混凝土 使它在硬化过程中不但不发生凝缩 反而发生膨胀 在混凝土膨胀的时候 配置在体中的预应力筋就被张拉 而混凝土本身则由于膨胀受到钢筋的限制而同时获得预压应力 2 4 2传力途径 人们把这种依靠混凝土自身膨胀来张拉钢筋而产生的预应力 人们把这种依靠混凝土自身膨胀来张拉钢筋而产生的预应力叫做自应力 把采用这种方法的预应力混凝土叫做自应力混凝土 我国目前已采用自应力混凝土大规模生产承插口管道 起最大直径已达1200mm 2 4同张法 先张法 预应力由混凝土与钢筋间的粘结力来传递 后张法 预应力由构件两端锚具实现 比较先 后张法 7 2预应力混凝土构件的一般规定 1 预应力混凝土材料性能要求1 1钢筋的性能 1 2预应力钢筋的种类 1 2 1消除应力钢丝包括光面 P 螺旋肋 H 三面刻痕 I 消除应力钢丝见 预应力砼用钢丝 GB T5223 是用高碳镇静钢轧制成的盘园 经过加温 淬火 铅浴 酸洗 冷拔 回火矫直等处理工序来消除应力 而成的碳素钢丝可提高抗拉强度 光面钢丝fpy 1250N mm2 其余fpy 1110N mm2 这样钢直径4 9mm 强度高低 低松弛 1 2 2钢绞线由多根冷拉钢丝在绞线机上咬合并经消除应力回火而成的总称 有1 3捻用于先张法 1 7捻是外层钢丝围绕一根直径大20 的中心钢丝绞成后张法中应用广泛 直径用 S表示 外径8 6 15 2mm fpy 1110 1320N mm2 强度高 低松弛 伸直性好 比较柔软 盘弯方便 粘结性好 钢丝绳与钢绞线的区别 在制作工艺上 钢丝绳是由钢丝绞成股 再由股捻成绳 有中间夹麻芯或钢芯和不加芯的钢丝绳 钢绞线是由钢丝只经过一次扭绞 在性能上 钢丝绳的弹性模量小与钢绞线 1 2 4冷拉低合金钢和冷拔低碳钢丝由于强度低 不再列入钢筋砼规范 规范 规定 预应力钢筋宜采用预应力钢绞线 消除应力钢丝 也可采用热处理钢筋 无粘结预应力钢筋则采用高强钢丝和钢绞线 预应力钢筋的发展趋势是高强度 低松弛 粗直径 耐腐蚀 1 2 3热处理钢筋将合金钢 40Si2Mn 48Si2Mn 45Si2Cr 经过调质热处理而成 达到提高抗拉强度 fPy 1040N mm2 改善塑性性能 HT表示 这种筋具有强度高 节省钢材 低松弛的特点 其 6 10mm以盘园形式供给省去焊接 有利施工 1 3 混凝土 规范 规定 预应力砼结构强度等级不宜低于C30 当采用钢绞线 钢丝 热处理钢筋时预应力砼结构强度等级不宜低于C40 2 张拉控制应力 con 2 1定义 张拉控制应力是指预应力钢筋在张拉时 所控制达到的最大应力值 其值为张拉设备 如千斤顶上的油压表 所指示的总张拉力除以预应力钢筋截面面积而得出的应力值 以 con表示 2 2张拉控制应力 con对预应力混凝土构件预压效果的影响分析 2 2 1如果 con取值过低 则预应力钢筋经过各种损失后 对混凝土产生的预压应力过小 预应力混凝土的效果不明显 因此 规范 规定 con不应小于0 4fptk 2 2如果 con取得太高 可能出现下列问题 2 2 2预应力钢筋已超过实际屈服强度而失去回缩能力 或已发生脆断现象 2 2 3构件的开裂荷载与破坏荷载接近 使构件在破坏前无明显预兆 构件的延性较差 2 2 4构件的反拱过大 或者预拉区产生裂缝影响正常使用 规范 规定 在一般情况下 张拉控制应力 con值不宜超过下表的限值 规范指出 为了提高构件制作 运输及吊装阶段的抗裂性而在受压区设置的预应力钢筋 其允许控制应力提高5 张拉控制应力限值 7 3预应力损失 7 3 1定义 由于张拉工艺和材料特性的原因 从构件的制作 运输 安装 使用等各个过程中 使预应力钢筋的应力不断降低 这降低的部分就叫预应力损失 7 3 2引起预应力损失的原因及的措施1 锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失 l1当为直线型预应力钢筋时式中a 张拉端锚具变形和钢筋回缩值 l 张拉端至锚固端之间的距离 减少此项损失的措施有 选择变形小或预应力钢筋内缩小的锚具 尽量减少垫板数 对先张法构件 选择长台座 2 预应力钢筋与孔道壁之间摩擦引起的预应力损失 l2 式中k 考虑孔道局部偏差对摩擦影响的系数 x 张拉端至计算截面的孔道长度 可近似取该孔道在纵轴上的投影长度 预应力钢筋与孔道壁的摩擦系数 从张拉端至计算截面曲线型孔道部分切线的夹角 当 减少该项损失 可采取以下措施 对较长的构件可在两端进行张拉 采用超张拉 张拉程序可采用 当第一次张拉至1 1 con时 预应力钢筋应力沿EHD分布 当张拉应力降至0 85 con 由于钢筋回缩受到孔道反向摩擦力的影响 预应力沿FGHD分布 当再张拉至 con时 钢筋应力沿CFGHD分布 可见 超张拉钢筋中的应力比一次张拉至 con的应力分布均匀 预应力损失要小一些 3 混凝土加热养护时 受张拉的钢筋与承受拉力的设备之间温差引起的损失 l3 为了缩短先张法构件的生产周期 混凝土常采用蒸汽养护办法 升温时 新浇的混凝土尚未结硬 预应力筋与台座之间的温差 t使钢筋受热自由伸长 但两端的台座是固定不动的 即距离保持不变 于是钢筋就松了 钢筋的应力降低 降温时 预应力钢筋与混凝土已黏结成整体 加上两者的温度线膨胀系数相近 二者能够同步回缩 放松钢筋时因温度上升钢筋伸长的部分已不能回缩 因而产生了温差损失 仅先张法构件有该项损失 l3 2 t N mm2 减少此项损失的措施有 采用二次升温养护 先在常温下养护至混凝土强度等级达到C7 5 C10 再逐渐升温至规定的养护温度 这时可认为钢筋与混凝土已结成整体 能够一起胀缩而不引起预应力损失 在钢模上张拉预应力钢筋 由于钢模和构件一起加热养护 升温时两者温度相同 可不考虑此项损失 4 钢筋应力松弛引起的预应力损失 l3 钢筋的应力松弛是指钢筋在高应力作用下及钢筋长度不变条件下 其应力随时间增长而降低的现象 钢筋应力松弛有以下特点 应力松弛与时间有关 开始快 以后慢 应力松弛与钢材品种有关 冷拉钢筋 热处理钢筋的应力松弛损失比碳素钢丝 冷拔低碳钢丝 钢绞线要小 张拉控制应力 con高 应力松弛大 采用超张拉可使应力松弛损失有所降低 超张拉程序为 因为在较高应力下持荷两分钟所产生的松弛损失与在较低应力下经过较长时间才能完成的松弛损失大体相当 所以经过超张拉后再张拉至 con时 一部分松弛损失已完成 5 混凝土的收缩徐变引起的预应力损失 l5 混凝土结硬时产生体积收缩 在预压力作用作用下 混凝土会发生徐变 这都会使构件缩短 构件中的预应力钢筋跟着回缩 造成预应力损失 先张法构件 后张法构件 式中 pc pc 分别为完成第一批预应力损失后受拉区 受压区预应力钢筋合力点处混凝土法向压应力 fcu 施加预应力时混凝土的实际立方体抗压强度 一般fcu 不等于构件混凝土的立方体强度fcu 但要求fcu 0 75fcu 受拉区 受压区预应力钢筋和非预应力钢筋的配筋率 先张法构件 后张法构件 式中Ap Ap 分别为受拉区和受压区预应力钢筋截面面积 对称配筋的构件 取 此时配筋率应按钢筋截面面积的一半进行计算 A0 An 分别为混凝土换算截面积 净截面面积 后张法构件收缩徐变损失比先张法构件小 原因是后张法构件在施加预应力时 混凝土的收缩已完成一部分 公式适用于一般相对湿度环境 高湿度环境下 l5 l5 应降低 反之则增加 减少此项损失的措施有 采用高标号水泥 减少水泥用量 降低水灰比 采用级配良好的骨料 加强振捣 提高混凝土的密实性 加强养护 以减少混凝土的收缩 控制混凝土应力 pc 要求以防止发生非线性徐变 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 l6后张法中 当D 3m l6 30MPa 当D 3m 不考虑该项损失 此处D为环形构件的直径 2 预应力损失值的组合 各阶段预应力损失值的组合预应力损失值的组合先张法构件后张法构件混凝土预压前 第一批 的损失 l l1 l2 l3 l4 l1 l2混凝土预压后 第二批 的损失 l l5 l4 l5 l6 规范 把预应力损失分为两批 混凝土受预压前产生的损失为第一批损失 l 而混凝土受预压后产生的预应力损失为第二批预应力损失 l 本次课小结 1 预应力混凝土结构是在结构构件受外荷载作用前 先人为地对它施加压力 由此产生的预压应力状态用于减小或抵消外荷载所产生的拉应力 达到推迟受拉区混凝土开裂的目的 2 预加应力的方法常见的有先张法和后张法 3 先张法是通过钢筋与混凝土的粘结力来传递预压应力的 而且要有一定的传递长度 为了使拉区混凝土尽快得到有效预压应力 减少钢筋的回弹 要对端部混凝土采取加强措施 以减小传递长度 4 对于后张法是依靠锚具传递预压应力 为了提高锚具下混凝土的局部抗压强度 防止锚具下混凝土局部压坏 所以必须对锚具下混凝土进行有效计算并采取加强措施 3 由于预应力混凝土是通过张拉钢筋而使混凝土得到较大的预应力 预应力钢筋要经受较大的拉力 混凝土必须承受较大的压力 因而钢筋和混凝土应当采用较高强度的材料 4 张拉钢筋时所达到的应力不得超过规范规定的张拉控制应力 con其值应控制在规范规定的范围内 不能过高 也不能过低 5 预应力损失是指预应力混凝土构件在制作和使用过程中 预应力钢筋的拉应力和混凝土压应力逐渐降低的现象 预应力损失对构件的刚度 抗裂度均产生不利影响 因此 应采取各种有效措施 以减少各项预应力损失 使之控制在一定范围内 作业 1 什么叫预应力混凝土结构 为什么对构件要施加预应力 2 什么在普通钢筋混凝土中不能有效地利用高强钢材和高强混凝土 而在预应力混凝土结构中必须采用高强钢材和高强混凝土 3 比较普通钢筋混凝土结构和预应力钢筋混凝土结构的区别 它们各自有何优缺点 4 施加预应力的方法有哪几种 它们的主要区别是什么 5 预应力混凝土对材料有哪些要求 6 什么是张拉控制应力 为什么其取值不能过高或过低 与哪些因素有关 7 什么叫预应力损失 引起应力损失的因素及采取措施 预备知识 先 后张法轴拉构件各阶段的应力分析 预应力混凝土轴心受拉构件从张拉钢筋开始直至构件破坏 截面中钢筋和混凝土应力的变化分为两个阶段 施工阶段和使用阶段 每个阶段又包括了若干特征受力过程 1 在施工阶段 构件截面没有开裂 可以把预应力混凝土视作弹性材料 因而可以用材料力学的分析方法对构件截面的应力进行计算 在使用阶段构件开裂前 材料力学的方法仍然适用 此时预应力混凝土构件可看做承受两个力系 一个是由外荷载所产生 另一个是把全部预应力钢筋的合力看作反向作用在构件上的外力所产生 2 抓住施工 使用阶段中的特征受力状态 搞清各个状态已经发生的预应力损失 以及与该状态相应的混凝土强度 先张法施工阶段轴拉构件见下表 后张法施工阶段轴拉构件 先 后张法使用阶段的荷载见下表 先张法和后张法预应力轴心受拉构件计算公式的异同点 施工阶段 先张法和后张法计算 pc的公式形式类似 不同之处在于先张法采用A0 后张法采用An 由此可以得出 若 con Ap以及截面尺寸 材料强度相同 由于A0 An 则后张法建立的有效预压应力要比先张法高一些 另外 l计算值也不同 使用阶段 用于计算N0 Ncr Nu的公式 其形式对先 后张法构件采说是相同的 截面面积都用A0 直至构件开裂前 先张法预应力钢筋应力比后张法少 E pc 所以说后张法构件 con相当于先张法构件的 con E pc 7 4预应力混凝土轴心受拉构件的计算 预应力混凝土轴心受拉构件的计算包括使用阶段和施工阶段的计算和验算 7 4 1使用阶段1 正截面承载力计算当预应力混凝土轴心受拉构件达到承载能力极限状态时 全部轴心拉力由预应力钢筋和普通钢筋承担 此时 预应力钢筋和普通钢筋均已屈服 于是 其正截面受拉承载力应按下式计算 式中 结构重要性系数 N 构件的轴心拉力设计值 fpy fy 分别为预应力钢筋与普通钢筋的抗拉强度设计值 Ap As 分别为预应力钢筋与普通钢筋的截面面积 2 抗裂度及裂缝宽度验算当构件截面上的应力超过预压应力 pc与混凝土实际抗拉强度ftk之和时 截面将开裂 由于结构的使用功能及所处环境的不同 对构件裂缝控制的要求也应不同 因此 对预应力混凝土轴心受拉构件 应根据所处环境和使用要求 选用相应的裂缝控制等级 并按下列规定进行受拉边缘应力或正截面裂缝宽度验算 对严格要求不出现裂缝的构件 一级构件 对一般要求不出现裂缝的构件 二级构件 荷载效应的标准组合 准永久组合下构件抗裂验算边缘的混凝土法向应力 式中 在荷载效应的标准组合下满足 在荷载效应的准永久组合下满足 式中 混凝土法向应力为零时 全部预应力钢筋和非预应力钢筋的合力 对允许出现裂缝的构件 三级构件 式中 有效受拉混凝土截面面积 对先张法构件取构件截面面积 对后张法构件取扣除孔道后的构件截面面积 7 4 2施工阶段验算预应力混凝土构件在放张预应力钢筋 先张法 或张拉预应力钢筋完毕 后张法 时 混凝土受到的预压应力最大 而这时混凝土的强度通常仅达到设计强度的75 构件承载力和后张法构件端部锚固区局部受压承载力是否足够 应予验算 1 张拉 或放张 预应力钢筋时 构件承载力验算 式中 放松预应力钢筋或张拉完毕时混凝土所受的预压应力 放张预应力钢筋或张拉完毕时混凝土的轴心抗压强度设计值 后张法构件按不考虑损失计算 即2 后张法构件端部锚固区局部受压验算 后张法构件端部由于锚具下垫板面积很小而承受很大的局部压力 该压力要经过一段距离才能扩散至整个截面 锚固区混凝土处于三向应力状态 即 靠近垫板处为压应力 距离端部较远处为拉应力 当横向拉应力超过混凝土 的抗拉强度时 端部锚固区将出现纵向裂缝 并导致局部承压破坏 先张法构件按第一批损失出现后计算 即 因此需进行锚具下混凝土的抗裂度和强度的验算 锚固区抗裂度主要取决于垫板与构件的端部尺寸 端部截面局部承压强度则通过配置间接钢筋来满足 Fl 局部受压面上作用的局部压力设计值 端部受压截面尺寸验算 局部受压区截面尺寸应符合下列要求 Aln 混凝土局部受压净面积 应在中扣孔道 凹槽部分面积 c 混凝土强度的影响系数 l 混凝土局部受压承载力强度的提高系数 Al 混凝土局部承压面积 当有垫板时 可考虑预压力沿锚具垫圈边缘在垫板中按450扩散后传至混凝土的受压面积 fc 张拉时混凝土的轴心抗压强度设计值 Ab 局部受压时的计算底面积 按与局部承压面积 同心 对称 原则确定 局部受压承载力计算 式中 cor 配置间接钢筋的局部受压承载力提高系数 Acor 钢筋网或螺旋筋以内的混凝土核芯面积 重心应与Al的重心重合 且满足Ap Acor Al v 间接钢筋的体积配筋率 要求 0 5 当为方格网配筋时当为螺旋式配筋时式中l1 l2 钢筋网两个方向长度 l1 l2 n1 As1 l1方向的钢筋根数和单根钢筋的截面面积 n2 As2 l2方向的钢筋根数和单根钢筋的截面面积 s 方格网或螺旋筋的间距 Ass1 螺旋式单根间接钢筋的截面面积 dcor 螺旋钢筋范围以内的混凝土直径 7 5预应力混凝土构件的一般构造要求 1 钢筋的净距及保护层 2 后张法 有粘结力预应力砼 孔道及排气孔要求 孔道间水平净距 50mm 孔道至构件边净距 30mm且 孔径 2 孔道内径 预应钢筋束外径 10 15 mm 排气孔距或灌浆孔 12m 在框架梁中 预留孔道在竖直方向的净距不应小于孔道外径 水平方向的净距不应小于1 5倍孔道外径 从孔壁