《建筑力学与结构》-第八章

第一节预应力混凝土概述一、预应力混凝土的基本概念钢筋混凝土受拉与受弯等构件,由于混凝土抗拉强度及极限拉应变值都很低,所以在使用荷载作用下,通常是带裂缝工作的.因而,对使用上不允许开裂的构件,不能充分利用受拉钢筋的强度.为了满足变形和裂缝控制的要求,则需增大构件的截面尺寸和用钢量,这将导致自重过大,使钢筋混凝土结构用于大跨度或承受动力荷载的结构成为不可能或很不经济.因而,钢筋混凝土结构中采用高强度钢筋不能发挥其作用,而提高混凝土强度等级对提高构件的抗裂性能和控制裂缝宽度的作用也不大.下一页返回第一节预应力混凝土概述鉴于此,人们很自然地提出了这样的设想,可否借助于混凝土的抗压强度来补偿其抗拉强度的不足,推迟受拉区混凝土的开裂?即在构件承受荷载以前,使其产生一种预压应力状态,用以减少或抵消外荷作用所产生的拉应力.如图８-１所示的混凝土梁,在受外荷以前,在预留孔道中穿入钢筋,以构件为支座用千斤顶张拉钢筋,张拉到所需拉力后,将钢筋锚固在梁上,利用钢筋的回弹对混凝土施加压力N.在轴向压力N及梁自重作用下,截面产生如图８-１(a)所示的预压应力分布.设外荷作用引起的截面应力分布如图８-１(b)所示,二者叠加以后的截面应力状态如图８-１(c)所示.调整轴力N的大小及其作用位置(偏心距e),可使梁受外荷作用以后出现下列几种截面应力状态.上一页下一页返回第一节预应力混凝土概述(１)不出现拉应力,σ≤０;(２)拉应力不超过混凝土的抗拉强度,σ≤ftk;(３)拉应力超过ftk,即允许开裂,但裂缝出现较晚.因为外荷产生的拉应力中有一部分已为预压应力所抵消.预应力混凝土的概念就是利用受拉区混凝土原有的抗压强度,对其施加预压应力,用以抵消或减小荷载产生的拉应力,以达到防止开裂(或推迟开裂)、提高钢筋混凝土构件的抗裂性和刚度的目的.预应力混凝土与普通混凝土相比,具有以下特点.(１)构件的抗裂度和刚度提高.上一页下一页返回第一节预应力混凝土概述(２)构件的耐久性增加.(３)自重减轻.(４)节省材料.(５)预应力混凝土施工,需要专门的材料和设备、特殊的工艺,造价较高.由此可见,预应力混凝土构件从本质上改善了钢筋混凝土结构受力性能,因而,具有技术革命的意义.二、预应力混凝土建立的方法预应力混凝土按施加预应力的方法,可以分为先张法预应力混凝土和后张法预应力混凝土.上一页下一页返回第一节预应力混凝土概述１.先张法先张法就是张拉钢筋先于混凝土构件浇筑成型的方法,其主要工序如图８-２所示.(１)在台座或钢模上张拉预应力筋:将预应力筋穿入台座横梁或钢模的孔洞中,一端用夹具固定,另一端用千斤顶张拉,如图８-２(a)所示,待张拉到预定的拉力后,将预应力筋用夹具锚固在台座横梁上.(２)支模、绑扎非预应力钢筋、浇筑混凝土,如图８-２(b)所示.(３)待混凝土养护到一定强度后,切断或放松钢筋,通过钢筋与混凝土之间的粘结力挤压混凝土,使构件产生预压应力,如图８-２(c)所示.先张法构件中,预应力是靠钢筋和混凝土之间的粘结力传递.上一页下一页返回第一节预应力混凝土概述但是这种力的传递过程,需要经过一段传递长度ltr才能完成.２.后张法后张法就是在构件浇筑成型后再张拉钢筋的施工方法.其主要工序如图８-３所示.(１)浇筑混凝土构件,在制作构件时预留穿预应力筋的孔道,如图８-３(a)所示.孔道可采用预埋铁皮管、钢管抽芯或用充压橡皮管抽芯成型.(２)待混凝土养护到一定强度后将预应力筋穿入孔道,安装固定端锚具.在另一端用千斤顶张拉钢筋,同时挤压混凝土,如图８-３(b)所示.上一页下一页返回第一节预应力混凝土概述(３)在预应力筋张拉到设计要求后,用锚具将预应力筋锚固在构件上,使之保持张拉状态,如图８-３(c)所示.(４)最后用压力灌浆在孔道内灌入水泥砂浆,使预应力筋与构件混凝土形成整体.后张法构件中,不需要台座或钢模,直接以构件或结构作为支座张拉预应力钢筋,预应力主要靠钢筋端部的锚具来传递.３.先张法与后张法的比较先张法工艺比较简单,但需要台座或钢模设施,适用于在预制构件厂批量制造的、便于运输的中小型构件,如空心板、吊车梁、１５m以下的屋面梁及V形折板等.采用长线法(１００m台座)生产时,张拉一次同时生产大量构件,效率高.上一页下一页返回第一节预应力混凝土概述后张法不需要台座或钢模,但工序多,工艺较复杂,需要在构件上安装永久性工作锚具,成本高.后张法更适用于在现场浇筑、就地张拉的大型构件,如屋架、桥梁和电视塔等特殊结构.后张法的优点是可以采用曲线预应力配筋,使构件的受力状态更为合理.后张法无粘结预应力施工技术不需要预留孔道(孔道占截面积较大),可减少截面高度,因此,更适合于用作板类构件的配筋.上一页返回第二节预应力混凝土材料一、预应力钢筋预应力混凝土构件所用的钢筋(钢丝)需要满足以下要求.(１)高强度.预应力混凝土构件在制作和使用过程中,由于种种原因,会出现各种预应力损失,为了在扣除预应力损失后仍然能使混凝土建立起较高的预应力值,需采用较高的张拉应力,因此,预应力钢筋必须采用高强度钢筋(丝).(２)具有一定的塑性.为防止发生脆性破坏,要求预应力钢筋在拉断时,具有一定的伸长率.(３)良好的加工性能.要求钢筋有良好的可焊性,以及钢筋“墩粗”后并不影响原来的物理性能.下一页返回第二节预应力混凝土材料(４)与混凝土之间有较好的粘结强度.先张法构件的预应力传递是靠钢筋和混凝土之间的粘结力完成的,因此需要有足够的粘结强度.二、混凝土混凝土需要满足以下要求.(１)高强度.预应力混凝土需要采用较高强度的混凝土,才能建立起较高的预压应力,并可减少构件截面尺寸,减轻结构自重.先张法构件采用较高强度的混凝土,可提高粘结强度.(２)收缩、徐变小.混凝土的收缩、徐变产生的应力损失,占总应力损失中的很大比例.采用收缩、徐变小的混凝土,可减少应力损失.上一页下一页返回第二节预应力混凝土材料(３)快硬、早强.为了提高台座、模具、夹具等设备的周转率,尽早施加预应力,加快施工进度,降低间接费用,预应力混凝土需要采用早期强度高的混凝土.«规范»规定,预应力混凝土构件的混凝土强度等级不应低于C３０,当采用碳素钢丝、钢绞线、热处理钢筋作为预应力筋时,混凝土强度等级不宜低于C４０.三、孔道及灌装材料后张法混凝土构件的预留孔道是通过制孔器来形成的,常用的制孔器的形式有两类:一类为抽拔式制孔器,即在预应力混凝土构件中根据设计要求预留制孔器具,待混凝土初凝后抽拔出制孔器具,形成预留孔道.上一页下一页返回第二节预应力混凝土材料常用橡胶抽拔管作为抽拔式制孔器;另一类为埋入式制孔器,即在预应力混凝土构件中根据设计要求永久埋置制孔器(管道),形成预留孔道.常用铁皮管或金属波纹管作为埋入式制孔器.目前,常用的留孔方法是预留金属波纹管.金属波纹管是由薄钢带用卷管机压波后卷成,具有质量轻、刚度好、弯折和连接简便、与混凝土粘结性好等优点,是预留后张预应力钢筋孔道的理想材料.对于后张预应力混凝土构件,为避免预应力筋腐蚀,保证预应力筋与其周围混凝土共同变形,应向孔道中灌入水泥浆.同时,要求水泥浆具有一定的粘结强度,且收缩不能过大.上一页返回第三节张拉控制应力与预应力损失一、张拉控制应力张拉控制应力是指在张拉预应力筋时应达到的规定应力,用σcon表示.在施加预应力时,千斤顶油压表所控制的总拉力除以预应力钢筋截面面积得到的应力即为张拉控制应力σcon.张拉控制应力σcon取值越高,混凝土预压应力也越高;但σcon过高,裂缝出现时预应力筋应力将接近其抗拉强度设计值,构件破坏前缺乏足够的预兆.另外,σcon过高将使预应力筋的应力松弛损失加大;当进行超张拉时(为了减少摩擦损失及应力松弛损失),σcon过高可能使个别钢丝发生脆断.下一页返回第三节张拉控制应力与预应力损失张拉控制应力允许值的大小主要与钢筋种类有关,«规范»规定张拉控制应力宜符合表８-１的规定.二、预应力损失及减少预应力损失的措施预应力钢筋张拉完毕或经历一段时间后,由于张拉工艺、材料性能和锚固等因素的影响,预应力钢筋中的拉应力值将逐渐降低,这种现象称为预应力损失.(１)锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失σl１.直线预应力钢筋张拉完锚固时,由于锚具、垫板与构件之间的所有缝隙被挤紧,钢筋和楔块在锚具中滑移,使已拉紧的钢筋内缩了a,造成预应力损失σl１,其值按下式计算:上一页下一页返回第三节张拉控制应力与预应力损失减少损失的措施有:①选择变形小或预应力钢筋内缩小的锚具,尽量减少垫板数;②增加台座的长度.(２)预应力钢筋与孔道之间摩擦引起的预应力损失σl２.损失值按下式计算:上一页下一页返回第三节张拉控制应力与预应力损失当kx＋μθ≤０.３时,σl２可按下式近似计算:减少该项损失可采取以下措施:①对较长的构件可在两端进行张拉;②采用超张拉工艺:０→１.１σcon(２min)→０.８５σcon(２min)→σcon(３)混凝土加热养护时温差引起的损失σl３.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.上一页下一页返回第三节张拉控制应力与预应力损失升温时,新浇的混凝土尚未结硬,预应力钢筋受热自由伸长,但两端的台座是固定不动的,故钢筋就松了,钢筋的应力降低;降温时,预应力钢筋与混凝土已粘结成整体,钢筋不能自由回缩,因而产生了温差损失.按下式计算:减少此项损失的措施有:①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~C１０时,再逐渐升温至规定的养护温度,这时可以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.上一页下一页返回第三节张拉控制应力与预应力损失②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σl４.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.钢筋应力松弛具有以下特点.①应力松弛与时间有关,开始快,以后慢;②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;上一页下一页返回第三节张拉控制应力与预应力损失③张拉控制应力σcon高,应力松弛大.采用超张拉可使应力松弛损失有所降低.在较高应力下持荷２min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σcon时,一部分松弛损失已完成.(５)混凝土的收缩和徐变引起的预应力损失σl５.混凝土在正常温度条件下,结硬时产生体积收缩,而在预压力作用下,混凝土又发生压力方向的徐变.上一页下一页返回第三节张拉控制应力与预应力损失收缩、徐变都使构件的长度缩短,预应力钢筋也随之回缩,造成预应力损失σl５.当构件中配置有非预应力钢筋时,非预应力钢筋将产生压应力σl５.由于收缩和徐变是伴随产生的,且二者的影响因素相似.同时,收缩和徐变引起钢筋应力的变化规律也是相似的,因此,将二者产生的预应力损失合并考虑.减少此项损失的措施有:①采用高强度等级水泥,减少水泥用量,降低水胶比;②采用级配良好的集料,加强振捣,提高混凝土的密实性;③加强养护,以减少混