《结构设计原理》 预应力混凝土结构的基本概念及其材料【课件特选】

1、结构设计原理,青海大学 土木工程学院 教授班级：交通2011(1、2),1、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s20 30Mpa，钢筋利用不充分。 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。,12.1 概述普通钢筋砼的缺点,2、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。 3、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。 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

2、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。,12.1 概述普通钢筋砼的缺点,木桶是用环向竹箍对桶壁预先施加环向压应力。当桶中盛水后，水压引起的拉应力小于预加压应力时，桶就不会漏水。,从书架上取下一叠书，由于受到双手施加的压力，这一叠书就如同一横梁，可以承担全部书的重量。,2、预应力的工作原理 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。,Np,Np,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,

3、Np,拉,消压,压,kc,kt,kc+pt,+,-,-,pt,pc,a)kt+pc0,+,c),b),a）,+,+,+,-,b)kt+pc=0,c)kt+pc0,下缘：,对混凝土或钢筋混凝土梁的受拉区预先施加压应力，这种应力的大小和分布规律，能有利于抵消使用荷载作用下产生的拉应力，因而使混凝土构件在使用荷载作用下不致开裂，或推迟开裂，或者使裂缝宽度减小。 即，由于预压力的存在避免混凝土开裂，使梁全截面参与工作，改善了梁中混凝土的抗拉性能，并且达到充分利用高强钢材性能的目的。,12.1 概述预应力砼结构基本原理,a. 节省材料，减轻自重，增加跨越能力。 b. 提高构件的抗裂性、增加截面刚度。 c

4、. 可以减小混凝土梁的竖向剪力和主拉应力。 d. 预加力还可以作为结构构件的连接手段，促进了桥梁结构新体系与施工方法的发展。,12.1 概述预应力砼结构优点,预应力损失：最主要的问题是在使用阶段如何保持有效预应力不至于降低到最小。 技术要求高：需要有一定的专门设备和配备一支技术熟练的专业队伍。 预应力反拱度不易控制。,12.1 概述预应力砼结构缺点,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）,12.1 概述预应力砼结构应用,公路桥规将预应力

5、度（）定义为由预加应力大小确定的消压弯矩MO与外荷载产生的弯矩M的比值，即,=M0/Ms,式中：,预应力度；,M0消压弯矩。构件抗裂边缘预压应力抵消到零时的弯矩。,Ms按作用（或荷载）短期效应组合计算的弯矩。,12.1 概述预应力度,全预应力混凝土：沿预应力方向的正截面不出现拉应力，即 部分预应力混凝土：沿预应力方向的正截面出现拉应力或出现不超过规定宽度的裂缝，即 对拉应力加以限制时，为A类构件（拉而不裂）； 拉应力超过限值或出现不超过限定的裂缝宽度时，为B类构件（裂而有限） 3. 钢筋混凝土：不施加预应力的混凝土结构，即,12.1 概述预应力砼的分类,张拉钢筋并在座上固定,先张法,依靠粘结力

6、来传递并保持预加应力,12.2 预应力张拉方法先张法,14,医疗课件,12.2 预应力张拉方法先张法,后张法,依靠工作锚具来传递和保持预加应力,12.2 预应力张拉方法后张法,12.2 预应力张拉方法后张法,12.2 预应力张拉方法后张法,1、预应力结构对锚具的要求 (1)根据设计取用的预应力筋种类、预压力大小及布束的需要选择预应力锚具 (2)锚具应只有足够的强度和刚度，安全可靠； (3)构造简单，加工制作方便； (4)施工方便、节省材料、价格低廉。,12.2 预应力结构锚具,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

7、中的预应力将全部消失。,12.2 预应力结构锚具,锚具分类方法： 按锚固受力筋类型：锚粗钢筋、钢丝束、钢铰线、钢筋束 按传递预应力的原理分：支承式和摩擦式 按锚具的使用位置不同：张拉端和固定端,12.2 预应力结构锚具分类,常用的锚具,22,医疗课件,常用的锚具,23,医疗课件,1、承压型锚具钢筋螺纹锚：利用螺帽、垫板等的承压作用将预应力钢筋锚固在端部,12.2 预应力锚具钢筋螺纹锚,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。,12.2 预应力锚具钢筋螺纹锚,2、承压形锚具墩头锚具,镦头锚具：利用钢丝

8、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。 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，,12.2 预应力锚具墩头锚具,26,医疗课件,墩头锚工作示意图,12.2 预应力锚具墩头锚锚具,墩头锚产品图片,12.2 预应力锚具墩头锚,3、摩擦型锚具锥形锚,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 用途：可以用到固定端，也可以用于张拉端

9、 缺点：滑移量大、每根钢丝应力有差异,12.2 预应力锚具锥形锚,4、夹片锚 用途：锚固钢绞线之用，锚固由（155）根不等的s 15.2 mm或s 12.7mm钢绞线所组成的预应力钢束。 组成：夹片；锚板；锚垫板 优点：（1）锚固吨位大；（2）各根钢绞线均为单独工作，1根钢绞线锚固失效也不会影响全锚。 缺点：因锚板锥孔布置的需要，必须扩孔。,12.2 预应力锚具夹片锚,张拉设备千斤顶 制孔器 穿索机 灌孔水泥浆及压浆机 张拉台座,12.2 预应力锚具其它设备,两种千斤顶,返回,预应力波纹管,波纹管机,返回,1、制孔器： 后张法构件的预留孔道是由制孔器来形成的。,预应力穿索机,返回,2、穿索机

10、对于大跨桥梁，有的预应力钢筋很长，人工穿束十分吃力，故采用穿索（束）机。 (1) 液压式 (2) 电动式,预应力灌浆机,返回,3、灌孔水泥浆及压浆机 1）水泥浆 作用：避免力筋锈蚀和锚具松动，并使力筋与梁体混凝土结合为整体 配合比：水灰比0.400.45；适量的减小剂 强度等级：不低于构件砼等级的80%；30MPa 2）压浆机 它主要由灰浆搅拌桶、贮浆桶和压送灰浆的灰浆泵以及供水系统组成。,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。 设计时应保证它具有足够的强度、刚度、稳定性。,1、强度高。减小构件截面尺寸，充分发挥钢筋的抗拉强度； 2、收缩、徐

11、变小。以减小因收缩、徐变引起的预应力损失； 3、快硬、早强。可尽早施加预应力，加快台座、锚具、夹具的周转率。 混凝土的配制要求与措施：严格控制水灰比；注意选用高标号水泥并宜控制水泥用量；选用优质活性掺合料；d.加强振捣与养护。 预应力混凝土构件的混凝土强度等级不低于C40。,12.3 预应力砼结构材料砼,（1）对钢材的要求：,强度高,具有一定的塑性,良好的加工性能,与混凝土之间有较好的粘结强度,低松弛,耐腐蚀,12.3 预应力砼结构材料钢材,（2）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

12、3mm）,高强钢丝（碳素钢丝，刻痕钢丝），直径45mm。,12.3 预应力砼结构材料钢材,钢绞线 钢绞线是用2、3、7股高强钢丝扭结而成的一种高强预应力筋，其中以7股钢绞线应用最多。7股钢绞线的公称直径为9.515.2 mm，通常用于无粘结预应力筋，强度可高达1860MPa。2股和3股钢绞线用途不广，仅用于某些先张法构件，以提高与混凝土的粘结强度。,12.3 预应力砼结构材料钢绞线,无粘结预应力束,12.3 预应力砼结构材料钢绞线,高强度钢丝是采用优质碳素钢盘条，经过几次冷拔后得到。高强钢丝的强度为14701860MPa。钢丝直径为39mm。为增加与混凝土粘结强度，钢丝表面可采用刻痕或压波，也可制成螺旋肋。,