建筑结构-第六章　预应力混凝土构件

第一节预应力混凝土概述

一、预应力混凝土构件混凝土作为一种建筑材料，主要缺点之一就是抗拉的能力很低，在工作阶段就有裂缝存在。提高混凝土强度等级和采用高强度钢筋，都不能从根本上解决钢筋混凝土结构裂缝的开展和延伸问题，只能靠加大截面尺寸的方法来保证构件的抗裂能力和刚度，因而普通钢筋混凝土构件存在下列缺点：（１）在正常使用条件下，因为构件裂缝的存在，导致钢筋在某些环境中容易腐蚀，降低了结构耐久性。（２）通过增加截面尺寸来控制构件的裂缝和变形，既浪费了材料又增加了结构自重。下一页返回第一节预应力混凝土概述（３）为了限制裂缝宽度，需控制裂缝处钢筋的拉应力，但是当钢筋应力达到２０～４０ＭＰａ时，混凝土已经开裂，导致钢筋强度得不到充分发挥，所以一般都采用低强度钢筋。正是由于这些缺点，限制了钢筋混凝土结构的应用范围。解决混凝土抗拉能力低所带来的这一系列问题，目前最有效的方法是采用预应力混凝土：通过张拉钢筋，利用钢筋的回弹，对在荷载作用下的受拉区混凝土施加一定的预压应力，使其能够部分或全部抵消由荷载产生的拉应力，甚至使构件受压。这种做法实际上是利用混凝土较高的抗压能力来弥补其抗拉能力的不足，减小变形，提高刚度，满足使用要求。上一页下一页返回第一节预应力混凝土概述二、预应力混凝土的分类按照钢筋混凝土结构构件的裂缝控制等级不同，将预应力混凝土分为以下三类：（１）全预应力混凝土。对应于一级裂缝控制要求，在全部荷载最不利组合下，混凝土不出现拉应力。（２）有限预应力混凝土。对应于二级裂缝控制要求，在全部荷载最不利组合下，混凝土截面的拉应力不超过其规定的限值。（３）部分预应力混凝土。对应于三级裂缝控制要求，在使用荷载作用下，混凝土截面拉应力没有限制，允许开裂，但最大裂缝宽度不超过规定限值。当按照预加应力的大小来考虑时，可把有限预应力混凝土归纳到部分预应力混凝土中。上一页下一页返回第一节预应力混凝土概述按照预应力钢筋和混凝土的粘结方式不同，将预应力混凝土分为以下两类：（１）有粘结预应力混凝土。预应力钢筋在全长上与混凝土结合在一起，产生粘结力。（２）无粘结预应力混凝土。在预应力钢筋表面涂以沥青等防滑、防锈材料，并套上塑料管等材料使之与混凝土隔离，预应力钢筋可自由滑动，不与周围混凝土产生粘结力，常用于后张法。上一页下一页返回第一节预应力混凝土概述三、预应力混凝土构件材料（１）预应力混凝土结构中的钢筋包括预应力钢筋和普通钢筋。普通钢筋的选用参考第一章第一节。预应力钢筋在张拉时受到很大的拉应力，在使用荷载作用下，其拉应力还会继续提高，因此宜采用高强度钢筋，如预应力钢丝、钢绞线和预应力螺纹钢筋，其规格和强度标准值参见表６．１。（２）预应力混凝土结构的混凝土受到预应力的作用，预应力越大，对结构越有利。上一页返回第二节施加预应力的方法和工具一、施加预应力的方法施加预应力的方法有许多种，目前最常用的方法是通过张拉构件内的预应力钢筋，利用钢筋的回弹来挤压混凝土。按照钢筋张拉与混凝土浇筑的先后顺序不同，可分为先张法和后张法。（１）先张法。在浇筑混凝土之前张拉预应力筋的方法称为先张法（图６．１）。先张法的主要工序是，先在台座或者钢模上张拉预应力钢筋达到张拉控制应力，并将其临时锚固在台座上［图６．１（ａ）、（ｂ）］，然后架设模板，绑扎普通钢筋骨架，并浇筑混凝土［图６．１（ｃ）］，待混凝土达到要求的强度后，切断或放松预应力钢筋，让钢筋的回弹力通过钢筋与混凝土间的粘结力传递给混凝土，使其获得预压应力［图６．１（ｄ）］。下一页返回第二节施加预应力的方法和工具（２）后张法。在浇筑混凝土之后张拉预应力筋的方法称为后张法（图６．２）。后张法施工在浇筑混凝土构件时，在配置预应力钢筋的位置上预留孔道；当构件混凝土达到规定强度后，将预应力钢筋穿入预留孔道内，再使用张拉设备张拉钢筋，并用锚具将钢筋锚固，使构件也同时受到压缩；最后，在预留孔道内灌注水泥浆，以保护钢筋不致锈蚀，并使钢筋束与混凝土粘结成为整体，也可以不灌注水泥浆，完全通过锚具传递预压力，形成无粘结预应力构件。上一页下一页返回第二节施加预应力的方法和工具二、施加预应力的工具为了防止被张拉的钢筋发生回缩，必须锚固钢筋的端部。锚具和夹具是制作预应力混凝土构件时锚固预应力钢筋的重要工具，特别是采用后张法时，预应力主要是依靠钢筋端部的锚具来传递。在构件制作后能重复使用的，称为夹具；永久锚固在构件端部，与构件一起承受荷载，不能重复使用的，称为锚具。锚具和夹具主要是依靠摩擦阻力、粘结力和承压来锚固。上一页返回第三节预应力损失计算一、张拉控制应力张拉控制应力是指预应力钢筋在进行张拉时所能达到的最大应力值。其值为张拉钢筋时，张拉设备（千斤顶和油泵）上的压力表所控制的总张拉力除以预应力钢筋面积得出的应力值，以σｃｏｎ表示。为了充分发挥预应力优点，张拉控制应力σｃｏｎ应尽量定高，使构件获得较好的抗裂性能，并减小截面达到节约材料的目的。但是张拉控制应力过高，也会产生一系列问题，如由于钢筋强度的离散性可能导致个别钢筋产生塑性变形甚至断裂；构件的开裂荷载接近极限荷载，使得构件破坏前无明显的破坏先兆，降低了延性等。下一页返回第三节预应力损失计算张拉控制应力的大小与钢种以及施工方法有关。一是由于软钢塑性好于硬钢，一般软钢可定得高一些，硬钢定得低一些；二是由于张拉过程中先张法预应力损失大于后张法，因此后张法构件的σｃｏｎ值应适当小于先张法构件。张拉控制应力应符合以下规定：（１）消除预应力钢丝、钢绞线：（２）中强度预应力钢丝：上一页下一页返回第三节预应力损失计算（３）预应力螺纹钢筋：消除预应力钢丝、钢绞线、中强度预应力钢丝的张拉控制应力值不应小于０．４fｐｔｋ；预应力螺纹钢筋的张拉应力控制值不宜小于０．５fｐｙｋ。二、预应力损失计算按照某一控制应力值张拉好的预应力钢筋，其初始拉应力会由于各种原因降低，这种预应力降低的现象称为预应力损失，用σl表示。在预应力混凝土设计中需考虑的主要预应力损失有以下六项：上一页下一页返回第三节预应力损失计算（１）锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失σl１。直线预应力筋达σｃｏｎ后，需卸去张拉设备，在预应力筋回弹力的作用下一定会出现某一量值的锚具变形或钢筋回缩，引起预应力损失σl１。其值按下式计算：块体拼成的结构，其预应力损失应计算块体间填缝的预压变形。当采用混凝土或砂浆为填缝材料时，每条填缝的预压变形值可取１ｍｍ。上一页下一页返回第三节预应力损失计算因为先张法构件通常是在长线台座上生产，所以锚具损失在先张法构件中的影响较小，而在后张法构件中影响相对较大。减小锚具损失的措施之一是尽量减少垫板的数量，因为在锚具处每增加一块垫板犪就得增加１ｍｍ。（２）预应力钢筋与孔道壁间摩擦引起的预应力损失σl２。采用后张法时，预应力钢筋需要穿过预留孔道。由于孔道的偏差、孔道壁粗糙、钢筋不直和钢筋粗糙等原因，使得预应力钢筋张拉时与孔道壁表面产生摩擦阻力，从而引起预应力损失σl２。预应力损失σl２（Ｎ／ｍｍ２）可按下式计算：上一页下一页返回第三节预应力损失计算当（κx＋μθ）不大于０．３时，σl２可按下列近似公式计算：减小摩擦损失的措施主要有两项：一是进行超张拉，先采用（１．０５～１．１）σｃｏｎ的应力进行张拉，并保持这一状态２ｍｉｎ，然后将预应力筋稍稍放松，使张拉应力减小到０．８５σｃｏｎ，最后再张拉使预应力筋的应力达到σｃｏｎ，超张拉工艺的张拉程序可归纳为：上一页下一页返回第三节预应力损失计算超张拉只是暂时提高了预应力筋的张拉应力，最终的钢筋张拉应力仍然是张拉控制应力σｃｏｎ；二是采用两端张拉，使沿构件长度方向上的钢筋应力分布均匀。（３）蒸汽养护时引起的预应力损失σl３。为了缩短先张法构件的生产周期，常在浇捣混凝土后进行蒸汽养护，以加速混凝土的硬结。升温时，新浇筑的混凝土尚未结硬。钢筋受热膨胀，但是两端台座是固定不动的，距离保持不变，造成钢筋中的应力降低。降温时，混凝土已结硬并和钢筋产生粘结力结成整体，钢筋应力不能恢复到原来的张拉值，造成预应力损失σl３。上一页下一页返回第三节预应力损失计算当预应力钢筋和承受拉力的设备之间温度差为Δt（以℃计）时，则相应的钢材应变为０．００００１Δt，所以预应力损失为：采用钢模生产的先张法构件，由于预应力筋是锚固在模板上，在升温时两者温度相同，故无此项损失。（４）钢筋松弛引起的预应力损失σl４。钢筋在高应力下，其塑性变形具有随时间而增长的性质。钢筋长度保持不变，但应力随时间的增长而产生逐渐降低的现象，称为钢筋的应力松弛。钢筋的松弛会引起预应力钢筋中的应力损失σl４。预应力钢筋的应力松弛与钢筋的材料性质有关。上一页下一页返回第三节预应力损失计算对于消除预应力钢丝、钢绞线有以下方法：１）普通松弛：２）低松弛：上一页下一页返回第三节预应力损失计算对于中强度预应力钢丝：对于预应力螺纹钢筋：

上一页下一页返回第三节预应力损失计算（５）混凝土收缩、徐变引起受拉区和受压区纵向预应力钢筋的预应力损失σl５。混凝土在结硬过程中产生的收缩和在预压应力作用下产生的徐变都将导致构件缩短，预应力钢筋将随之回缩，导致预应力损失。混凝土收缩、徐变引起受拉区和受压区预应力钢筋的预应力损失分别用σl５、σ′l５表示。在一般情况下，对先张法、后张法构件的预应力损失σl５、σ′l５（Ｎ／ｍｍ２）可按下列公式计算：对于先张法构件：上一页下一页返回第三节预应力损失计算对于后张法构件：对于先张法构件：上一页下一页返回第三节预应力损失计算对于后张法构件：对于对称配置预应力筋和非预应力筋的构件，取ρ＝ρ′，此时配筋率取钢筋截面面积的一半进行计算。当结构处于年平均相对湿度低于４０％的环境下，σl５和σ′l５值应增加３０％。上一页下一页返回第三节预应力损失计算（６）环向预应力钢筋挤压混凝土产生的应力损失σl６。水池、电杆和压力管道等环形构件，采用后张法配置环状或螺旋式预应力钢筋直接在混凝土上进行张拉。预应力钢筋将对环形构件的外壁产生环向应力，使构件直径减小，从而引起预应力损失。σl６与环形构件的直径成反比，直径越小，损失越大。当犱≤３ｍ时，σl６＝３０Ｎ／ｍｍ２；当犱＞３ｍ时，σl６＝０。当计算求得的预应力总损失值小于下列数值时，应按下列数值取用：先张法构件１００Ｎ／ｍｍ２；后张法构件８０Ｎ／ｍｍ２。上一页下一页返回第三节预应力损失计算三、预应力损失值的组合各项预应力损失对先张法和后张法构件是各不相同的，预应