钢筋混凝土教学课件―预应力混凝土工程

1,第四节预应力混凝土工程,一、概述1、混凝土发展过程：素混凝土钢筋混凝土预应力混凝土2、预应力的优点：截面小，重量轻，刚度大；抗裂性、耐久性好；节约钢材；在较大跨度结构中，综合经济效益好。,砼结构工程,2,3、预应力筋的种类,冷拔低碳钢丝，直径：35；冷拉钢筋；碳素钢丝，直径：38；钢绞线，由6根碳素钢丝缠绕而成；热处理钢筋，直径：610；精轧螺纹钢筋，直径：25，32。,4、对混凝土的要求混凝土强度等级一般不低于C30；当采用碳素钢丝、钢绞线、V级钢筋（热处理）作预应力时，混凝土强度等级不宜低于C40。,砼结构工程预应力工程,3,5、预应力的施加方法,（1）根据与构件制作相比较的先后顺序，分为：先张法后张法按工艺分为：一般后张法；后张自锚法；无粘结后张法；电热法。（2）按钢筋的张拉方法分为：机械张拉；电热张拉。,砼结构工程预应力工程,4,二、先张法,砼结构工程预应力工程,5,（一）、先张法施工设备,一）台座组成：台面、横梁、承力结构。分为：墩式台座、槽式台座、桩式台座等。1、墩式台座：以混凝土墩作为承力结构的台座称为墩式台座。一般用于生产中小型构件。（1）墩式台座分类：简易墩式台座；重力墩式台座；构架式台座；,砼结构工程预应力工程,6,计算简图：,砼结构工程预应力工程,7,（2）墩式台座计算要点：,M抗倾覆力矩MG1l1+G2l2M，倾覆力矩M，T1抗倾覆系数,稳定性验算：（抗倾覆、抗滑移的能力）A、抗倾覆验算：,砼结构工程预应力工程,8,B、抗滑移验算：,T抗滑移能力。TN，Fu(G1+G2)摩擦力N，台面抵抗力P张拉力合力,强度验算：支承横梁的牛腿，按柱子的牛腿计算配筋；墩式台座与台面接触的外伸部分，按偏心受压构件计算；台面按轴心受压构件计算；横梁按承受均布荷载的简支梁计算。,砼结构工程预应力工程,9,2、槽式台座,用于张拉力和倾覆力矩较大的构件生产。,砼结构工程预应力工程,10,二）张拉机具和夹具,1、钢丝的夹具和张拉机具（1）钢丝夹具锚固夹具：锥形、楔形。,砼结构工程预应力工程,11,张拉夹具：偏心式、钳式、楔形。,墩头锚具：采用冷墩形成。,砼结构工程预应力工程,12,（2）张拉机具,要求：简易可靠，准确控制钢丝的拉力，稳速增大拉力。种类：A、卷扬机张拉：弹簧测力、杠杆测力。B、电动螺杆张拉机张拉：构造简单，体积小，重量轻，操作灵活，移动方便。,砼结构工程预应力工程,13,2、钢筋的夹具和张拉机具,（1）钢筋夹具锚固夹具：工具式螺杆螺丝端杆锚具；穿心式夹具自锚；墩头锚固：d22mm加热锻打张拉夹具：压销式、穿心式。,（2）钢筋张拉机具油压千斤顶、拉伸机、穿心式千斤顶、电动螺杆张拉机。,砼结构工程预应力工程,14,15,16,（二）先张法施工工艺,工艺流程图：,砼结构工程预应力工程,17,一）张拉,1、张拉控制应力和超张拉最大应力张拉控制应力（规范规定）冷拉钢筋0.9fPYK冷拔低碳钢丝0.70fPUK碳素刻痕钢丝、钢绞线0.75fPUK超张拉最大应力冷拉钢筋0.95fPYK其它0.75fPUK,砼结构工程预应力工程,18,2、张拉程序,（1）超张拉法：01.0501.03,持荷2分钟,3、张拉顺序（1）多根同时张拉；（2）单根张拉。,砼结构工程预应力工程,19,二）混凝土的浇筑与养护,1、浇筑要求：同一生产线的构件应一次浇筑完毕；构件应避开温度缝；振捣时不应碰撞钢丝；叠层生产时，下层混凝土强度达5MPa，方可浇筑上层构件；混凝土的水灰比应严格控制，振捣应密实。2、养护：自然养护；湿热养护。,砼结构工程预应力工程,20,三）预应力筋放张,1、放张要求混凝土强度应大于75C设；（重叠生产指最上层构件）放张过程中，应使预应力构件自由伸缩，避免过大的冲击与偏心。同时还应使台座承受的倾覆力矩及偏心力减小；保证预应力筋与混凝土之间的粘结。2、放张方法钢丝：数量少，逐根放张；数量多，同时放张。粗钢筋：数量少，逐根加热熔断；数量多，同时放张。,砼结构工程预应力工程,21,22,3、放张顺序,轴心受压构件：同时放张。偏心构件：先同时放张预应力较小区域内的预应力筋；再同时放张预应力较大区域内的预应力筋。如不能满足上述要求，应分阶段、对称、相互交错进行放张。注意：放张时，应拆除侧模。,砼结构工程预应力工程,23,三、后张法,砼结构工程预应力工程,24,1、定义：,制备留有孔道的混凝土构件，混凝土达到设计规定强度后，穿筋并用张拉机具张拉钢筋至设计规定应力值，借助锚具把预应力筋锚固在构件端部，最后，孔道灌浆，这种预加应力的方法称为后张法。,2、特点：混凝土的弹性压缩对预应力值的建立无直接影响；锚具不能重复使用，成本高；工艺比较复杂（构件制作、留孔、穿筋、张拉、灌浆）；可拼装预制构件（现场拼装）。,砼结构工程预应力工程,25,3、适用范围,现场制作大型构件，避免大型构件运输的麻烦。,4、生产过程（1）构件生产阶段；（2）预加应力阶段（包括锚具、预应力筋制作、张拉、灌浆等）,砼结构工程预应力工程,26,对锚具的要求：,尺寸准确；不致产生预应力筋的滑移；有足够刚度和强度。,（一）锚具和预应力筋的制作,常见预应力筋类型：单根钢筋，直径大于12毫米；钢筋束与钢绞线束；钢丝束。,砼结构工程预应力工程,27,1、锚具张拉端：螺丝端杆锚具。固定端：帮条锚具或墩头锚具。（1）螺丝端杆锚具组成：螺丝端杆、螺母、垫板。（2）帮条锚具组成：帮条、衬板。（3）镦头锚具直接在钢筋端部用热镦、冷镦、锻打成型。（4）级精轧螺旋钢筋直径有25和32两种。,一）单根预应力筋的锚具及制作,砼结构工程预应力工程,28,螺丝端杆锚具：,砼结构工程预应力工程,29,2、预应力筋的制作,（1）制作：包括配料、对焊、冷拉等工序。（2）下料长度计算锚具特点：螺丝端杆外露在孔道外的长度为120150mm，帮条、镦头视锚具尺寸而定。对焊接头：每个对焊接头的压缩量约等于钢筋直径。钢筋冷拉率：实际测定作为下料依据。弹性回缩率：冷拉后的回缩值与冷拉完成时的长度的比值，一般为0.3左右。,砼结构工程预应力工程,30,31,1两端用螺丝端杆锚具时,预应力筋的成品长度L1（冷拉后的全长）为：,预应力筋中钢筋冷拉完成后的长度为L0：,预应力筋中的钢筋冷拉前的下料长度L为：,砼结构工程预应力工程,32,式中：,构件的孔道长度。,螺丝端杆伸出构件外的长度。,螺丝端杆的长度，一般为320mm。,预应力筋的冷拉率。,预应力筋的冷拉弹性回缩率。,n对焊接头数量。,每个对焊接头的压缩量。,砼结构工程预应力工程,33,2一端用螺丝端杆，另一端用帮条锚具时,预应力筋的成品长度：,预应力筋中的钢筋冷拉完成后的长度：,预应力筋中的钢筋下料长度：,砼结构工程预应力工程,34,【例5.1】21m预应力屋架的孔道长为20.80m，预应力筋为冷拉HRB400钢筋，直径为22mm，每根长度为8m，实测冷拉率r=4%，弹性回缩率=0.4%，张拉应力为0.85fpyk。螺丝端杆长为320mm，帮条长为50mm，垫板厚为15mm。计算：（1）两端用螺丝端杆锚具锚固时预应力筋的下料长度?（2）一端用螺丝端杆，另一端为帮条锚具时预应力筋的下料长度?（3）预应力筋的张拉力为多少?,35,【解】（1）螺丝端杆锚具，两端同时张拉，螺母厚度取36mm，垫板厚度取16mm，则螺丝端杆伸出构件外的长度l2=2H+h+5=236+16+5=93m；对焊接头个数n=2+2=4；每个对焊接头的压缩量=22mm，则预应力筋下料长度L=(l-2l1+2l2)/(1+r-)+n=19727（mm）,36,(2)帮条长为50mm，垫板厚15mm，则预应力筋的成品长度L1=l+l2+l3=20800+93+（50+15）=20958（mm）预应力筋（不含螺丝端杆锚具）冷拉后长度：L0=L1-l1=20958-320=20638（mm）L=L0/(1+r-)+n=20638/(1+0.04-0.004)+422=20009（mm）(3)预应力筋的张拉力FP=conAP=0.855003.14/4222=161475（N）=161.475（kN）,37,二）钢筋束、钢绞线束预应力筋的锚具及制作,1、锚具（1）JM12型锚具楔块原理可锚具多根预应力筋既可作张拉端锚具，又可作固定端锚具。,砼结构工程预应力工程,38,JM12型锚具构造：,砼结构工程预应力工程,39,（2）KTZ型锚具（可锻铸铁锥形锚具）,用于螺纹钢筋束和钢绞线束。,砼结构工程预应力工程,40,（3）XM型锚具,可锚固：钢绞线束钢丝束单根预应力筋多根预应力筋,砼结构工程预应力工程,41,2、预应力筋制作,（1）制作工序：开盘下料编束（2）下料长度计算（与张拉设备和选用的锚具有关）当采用JM型或XM型锚具，用穿心式千斤顶张拉时，钢筋束和钢丝束的下料长度L应等于构件孔道长度加上两端为张拉、锚固所需的外露长度，如下图所示。,砼结构工程预应力工程,42,两端张拉时：L=l+2（l1+l2+l3+100）,43,一端张拉时：L=l+2（l1+100）+l2+l3,44,三）钢丝束预应力筋的锚具及制作,1、锚具（1）钢质锥形锚具适用于6、12、18、24根直径5mm碳素钢丝,（2）钢丝束镦头锚具用于锚具1254根直径5mm碳素钢丝的钢丝束。（3）锥形螺杆锚具适用于14、16、20、24、28根直径5mm的钢筋束。,砼结构工程预应力工程,45,2、钢丝束的制作,（1）制作程序：调直下料编束安装锚具（2）下料长度计算：用钢质锥形锚具锚固的钢丝束，下料长度计算同钢筋束。用镦头锚具锚固的钢丝束，下料长度与A型、B型锚具以及一端张拉或两端张拉有关。用锥形螺杆锚固的钢丝束，应在非应力状态下料。,砼结构工程预应力工程,46,（二）后张法施工工艺,砼结构工程预应力工程,47,一）孔道留设,1、要求（1）孔道尺寸、位置应正确，孔道要平顺；（2）端部的预埋钢板应垂直于孔道中心线；（3）孔道直径取决于预应力筋和锚具、保证预应力筋穿入。2、施工方法（1）钢管抽芯法适宜于留设直线孔道方法：在需留设孔道处预埋钢管，在混凝土浇筑、养护中定期慢转钢管，以防粘结，待混凝土初凝后，终凝前抽出钢管，形成孔道。,砼结构工程预应力工程,48,施工时应注意的问题,钢管应平直，光滑，埋前应出锈，刷油，位置正确；每根长度小于15米，以便于旋转、抽管；恰当掌握抽管时间早：坍孔；晚：抽管难，抽不出来。一般在初凝后终凝前，手指按压混凝土不粘浆又无明显印痕时，则可抽管。常温下，一般36小时即可抽管。抽管顺序和方法先上后下，边抽边转，速度均匀，与孔道保持在同一直线。,砼结构工程预应力工程,49,（2）胶管抽芯法适宜于留设直线孔道、曲线孔道、折线孔道等,方法：在孔道留设处，安放胶管（内充气或水、钢丝网胶管），浇筑混凝土，养护，初凝后，通过放气（水）或直接拉，形成孔道。施工时应注意的问题：,长度2030米以内整根管，一端抽出。较长时在中间接长，接头处应防漏气、漏水。抽管顺序：先上后下，先曲后直。,砼结构工程预应力工程,50,（3）预埋波纹管法适宜于曲线孔道,方法：波纹管直接埋设在需留设孔道处，不再抽出。施工时应注意的问题：,使用前应作灌水试验，检查有无渗漏；连接用大一号波纹管（接长时）；固定：用钢筋卡子，并用铁丝绑牢；避免反复弯曲。,砼结构工程预应力工程,51,二）预应力筋的张拉,核心问题预应力筋的应力控制,1、张拉控制应力和超张拉最大应力（1）张拉控制应力,预应力钢材品种先张法后张法碳素钢丝、刻痕钢丝、钢绞线0.750.70热处理钢筋、冷拔低碳钢丝0.700.65冷拉钢筋0.900.85,砼结构工程预应力工程,52,（2）超张拉最大应力,冷拉钢筋（软钢）0.95钢丝、钢绞线、热处理钢筋（硬钢）0.75,2、预应力损失孔道摩擦损失锚固损失钢筋应力松弛损失混凝土收缩徐变损失受张拉的钢筋与承受拉力的设备之间的温差引起应力损失,砼结构工程预应力工程,53,各阶段预应力损失值的组合：,先张法：,后张法：,混凝土预压后的损失（第二批）,混凝土预压前的损失（第一批）,先张法：,后张法：,砼结构工程预应力工程,54,3、张拉程序,根据构件类型、张锚体系、松弛损失取值等因素确定。,超张拉5目的：主要是减少钢筋松弛、混凝土弹性压缩、锚具变形和孔道摩擦等所引起的应力损失。超张拉3目的：主要是弥补设计或施工中不可预见的损失。持荷2分钟目的：主要是为了加速钢筋松弛的早发展。,砼结构工程预应力工程,55,4、张拉力计算,（1）全部筋一次张拉：,M超张拉百分率,（2）同一构件分批张拉设：分两批张拉，则第一批的张拉应力为：,式中：,设计控制应力，即第二批预应力筋的设计控制应力。,钢筋与混凝土的弹性模量比值。,砼结构工程预应力工程,56,第二批预应力筋张拉时，在已张拉预应力筋重心处产生的混凝土法向应力。,其中：,第一批预应力损失。,Ap预应力筋截面面积（第一批总截面面积）。An混凝土净截面面积。,第一批张拉力：,第二批张拉力：,砼结构工程预应力工程,57,例题,24m预应力折线形屋架，混凝土强度等级为C40，Ec=3.25*104MPa，下弦净截面面积An=456cm2，下弦配制4根直径25的预应力筋，单根预应力筋截面面积Ap=4.91cm2，钢筋弹性模量Es=1.8*105MPa。,张拉控制应力：,单根预应力筋的张拉力：,按设计规范计算得第一批预应力损失为：,砼结构工程预应力工程,58,5、张拉注意事项,（1）混凝土强度要求：张拉时应符合设计要求；若设计无要求时，不应低于70C设计。块体拼装，立缝处混凝土或砂浆强度，不应低于15MPa或40C设计。（2）多根预应力筋张拉：当不可能同时张拉时，宜分批、分阶段、对称地张拉。（3）重叠多层张拉：现场生产构件，重叠多层构件中预应力的施加，其损失自上而下逐层增加。重叠构件张拉宜先上后下，超张拉应力依次增加。,砼结构工程预应力工程,59,（4）张拉方式的影响主要是克服、减小摩阻力的影响,一端张拉：构件长度小于24米的直线预应力筋。两端同时张拉：构件长度大于24米或曲线预应力筋。,三）孔道灌浆1、作用保护预应力筋，防锈。使预应力筋与混凝土结构形成整体。,砼结构工程预应力工程,60,2、要求,孔道用灰浆应满足强度、粘结力、流动性、干缩性、泌水性要求；灌浆前，混凝土孔道应用压力水冲刷干净并湿润孔壁；灌浆时，水泥浆应缓慢均匀地泵入，不得中断；灌浆顺序应先下后上，以免上层孔道漏浆而将下层孔道堵塞。,砼结构工程预应力工程,61,四、电热法,1、工艺原理：钢筋通电后，产生纵向伸长，待预应力筋达到规定长度时，切断电流并立即锚固，然后由于钢筋冷却收缩，从而建立预应力。,2、适用范围、级冷拉钢筋为预应力筋的一般构件。不宜用于对抗裂性要求较严的结构。,砼结构工程预应力工程,3、优缺点（1）优点：设备简单，操作方便，劳动强度低。（2）缺点：张拉应力的控制不太准确。,62,五、无粘结预应力混凝土,后张法预应力施工工艺：有粘结：预应力筋与混凝土之间灌浆成永久性粘结。无粘结：预应力筋与混凝土之间可永久性相对滑动。,无粘结预应力施工方法是后张法预应力混凝土的发展。,砼结构工程预应力工程,63,64,预应力筋铺设无粘结预应力筋在平板结构中常常为双向曲线配置，因此其铺设顺序很重要。如钢丝束的铺设一般根据双向钢丝束交点的标高差，绘制钢丝束的铺设顺序图，钢丝束波峰低的底层钢丝束先行