钢筋混凝土结构——预应力混凝土结构

钢筋混凝土结构预应力混凝土结构一、基本概念由于砼的抗拉极限强度低，受拉极限应变很小，只约为（1~1.5）×10-4，此时钢筋拉应力＝？a.抗裂性差钢筋混凝土构件一般都是带裂缝工作的。1.普通混凝土的缺点1.普通混凝土的缺点b.高强度钢筋和高强混凝土不能充分发挥作用采用高强混凝土，抗压强度有效增大，但抗拉强度提高很少。采用提高混凝土强度等级的方法来改善其抗裂性收效甚微。在钢筋砼构件中，采用高强钢筋虽然能提高构件的承载力，但高强钢筋拉应力变大，致使裂缝宽度。要满足正常使用极限状态验算要求，高强钢筋就无法充分作用。一、基本概念c.结构自重大，刚度小又由于钢筋混凝土构件在正常使用时是带裂缝工作，造成构件的刚度较小，变形较大，使用性能不够理想。普通混凝土结构：钢筋等级大都为III级或III级以下混凝土砼等级一般为C30左右所以构件截面尺寸通常较大，致使构件自重偏大。一、基本概念1.普通混凝土的缺点qk=10kN/mL0跨度为5.2m的简支梁，截面尺寸为200×450mm2，作用均布活荷载标准值qk=10kN/m，均布恒荷载gk=5kN/m。跨度增加一倍跨度增加两倍采用高强钢筋L05.2m10.4m20.8m5.2mb×h200×450400×900800×1900200×450自重gk5kN20kN80kN5kNM67.6kN.m513.96kN.m5948.8kN.m67.6kN.mfyⅡ级310Ⅱ级310Ⅱ级310冷拉Ⅳ级580As603mm22106mm212650mm2308mm2Ms50.7kN.m405.6kN.m4867.2kN.m50.7kN.m[f]=3000L16.4=3170L38.1=2730L88.8=2340L32.2=5.1610Lss232MPa453MPa[wmax]=0.30.250.75★钢筋混凝土梁应用于大跨度结构时，如为增加刚度而加大截面尺寸，会导致自重进一步增大，形成恶性循环。★如增加钢筋来提高刚度，则钢材的强度得不到充分利用，造成浪费。★采用高强钢筋，按正截面承载力要求可减少配筋，截面抗弯刚度基本与配筋面积成比例降低，故挠度变形控制难以满足。★裂缝宽度与钢筋应力基本成正比，一般Ms=(0.6~0.8)My，如配筋按正截面承载力计算，Ms下ss=(0.5~0.7)fy。对于Ⅱ级钢筋，fy=300MPa，ss=150~210MPa，裂缝宽度已达(0.15~0.25)mm。如采用高强钢筋，fy=580MPa，则ss=290~406MPa，裂缝宽度已远远超过容许限值。预应力混凝土：在构件承受荷载之前预先对受拉区砼施加压力，使构件产生压缩变形和预压应力，当荷载作用使构件产生拉应力时，首先要抵消砼截面的预压应力，随着荷载增加逐渐使砼受拉并使进而出现裂缝，这就推迟了裂缝的出现也相应地减小了裂缝宽度。2、基本原理3、实例上箍——箍受拉，木片和木片之间产生了预压力盛物（水，沙等）——水压使木桶产生的环向拉力优点：预应力的施加增大了抗裂度—将同样体积的两个桶（一个加箍，一个未加箍）都装满水，若在桶体完好的情况下，一个桶将漏水，而一个不漏。3、实例预应力坝3、实例二、分类部分预应力混凝土构件全预应力混凝土构件无粘结预应力混凝土有粘结预应力混凝土三、预应力混凝土的特点1.优点a.提高构件的抗裂性、耐久性，增加构件的刚度b.节约材料、减轻自重、降低造价c.构件标准化、工厂化生产程度高2.缺点构件制作复杂、施工工序多，对材料的质量和制作技术水平要求高，需要有复杂的张拉和锚固设备，构件制作周期长，计算复杂等。四、预应力的施加方法1.先张法先在台座上或钢模内张拉钢筋然后浇筑混凝土待混凝土结硬（达75%的设计强度）放松锚具只是临时固定，可重复使用混凝土的预应力是回缩钢筋通过粘结力逐步传递给混凝土，通过一个传递长度lc施加预应力的方法先张法2.后张法先浇混凝土，留钢筋孔道混凝土到达设计强度时张拉钢筋张拉过程即是施加预应力的过程再灌浆锚具一次性使用，工作锚具有端部局部承压问题四、预应力的施加方法后张法后张法3.区别•先张法1.需要台座2.张拉完，砼才受压缩3.靠粘结力传递预应力•后张法1.不需要台座2.钢筋和砼同时受压缩3.靠锚固保持预应力五、夹具和锚具•锚具——锚具作用与构件连成一体，不能取下重复使用（一次性）•夹具——夹的作用能够取下重复使用（多次重复）螺丝端杆锚具夹片式锚具六、预应力混凝土的材料1、混凝土要求：a.强度高b.收缩，徐变小c.快硬，早强材料：强度等级≥C30若采用碳素钢筋钢丝≥C402、钢筋要求：强度高具有一定塑性、良好的加工性能、较好的粘结强度材料：冷拉低合金钢筋热处理钢筋高强钢丝(一)预应力钢筋◆预应力钢筋的强度越高越好。◆而且在预应力混凝土制作和使用过程中，由于种种原因，预应力筋中预先施加的张拉应力会产生损失，因此，为使得扣除应力损失后仍具有较高的张拉应力，也必须使用高强钢筋（丝）作预应力筋。◆为避免在超载情况下发生脆性破断，预应力筋还必须具有一定的塑性。同时还要求具有良好的加工性能，以满足对钢筋焊接、镦粗的加工要求。◆对钢丝类预应力筋，还要求具有低松弛性和与混凝土良好的粘结性能，通常采用‘刻痕’或‘压波’方法来提高与混凝土粘结强度。1、冷拉低合金钢筋◆通常将热轧钢筋经冷拉后作为预应力筋，抗拉强度可达580MPa。◆为解决粗直径钢筋的连接问题，钢筋表面轧制成不带纵向肋的精制螺纹，可用套筒直接连接。◆但随着近年来高强钢丝和钢绞线的大量生产，这种预应力筋的应用已很少。2、中高强钢丝中高强钢丝是采用优质碳素钢盘条，经过几次冷拔后得到。中强钢丝的为800~1200MPa，高强钢丝的强度为1470~1860MPa。钢丝直径为3~9mm。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。刻痕钢丝螺旋肋钢丝3、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9.5~15.2mm，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。无粘结预应力束4、热处理钢筋用热轧中碳低合金钢经过调质热处理后制成的高强度钢筋，直径为6~10mm，抗拉强度为1470MPa。除冷拉低合金钢筋外，其余预应力筋的应力-应变曲线均无明显屈服点，采用残余应变为0.2%的条件屈服点作为抗拉强度设计指标。a0.2%0.2fu预应力钢筋强度标准值和设计值（N/mm2）种类fptkfpyyf消除应力钢丝螺旋肋钢丝4~914701570167017701250118011101040400刻痕钢丝5、71470157011101040360二股d=10.0d=12.017201220360三股d=10.8d=12.917201220360钢绞线七股d=9.5d=11.1d=12.7d=15.2186018601860186018201720132013201320132012901220360热处理钢筋40Si2Mn(d=6)48Si2Mn(d=8.2)45Si2Cr(d=10)14701040400二、混凝土——预应力混凝土要求采用高强混凝土★可以施加较大的预压应力，提高预应力效率；★有利于减小构件截面尺寸，以适用大跨度的要求；★具有较高的弹性模量，有利于提高截面抗弯刚度，减少预压时的弹性回缩；★徐变较小，有利于减少徐变引起的预应力损失；★与钢筋有较大粘结强度，减少先张法预应力筋的应力传递长度；★有利于提高局部承压能力，便于后张锚具的布置和减小锚具垫板的尺寸；★强度早期发展较快，可较早施加预应力，加快施工速度，提高台座、模具、夹具的周转率，降低间接费用一般预应力混凝土构件的混凝土强度等级不低于C30，当采用高强钢丝时不低于C40。七、张拉控制应力1.定义指预应力钢筋在进行张拉时所控制达到的最大应力值。总张拉力=σcon×预应力筋截面积。张拉设备（如千斤顶油压表）所指示的总张拉力。2.张拉控制应力大小的确定张拉控制应力大小直接影响预应力砼构件优越性的发挥。a.张拉控制应力过小如果控制应力取值过低，则预应力钢筋在经历各种损失值对砼产生的预应力过小，不能有效提高预应力砼构件的抗裂度和刚度。b.张拉控制应力过大1)在施工阶段：会使构件的某些部位受到拉力，甚至开裂，对后张法构件则可能造成端部混凝土局部受压破坏；2)延性差：构件出现裂缝时的荷载与极限荷载很接近，使构件在破坏前无明显的预兆，延性较差；∴就要确定好张拉控制应力3.影响控制应力的因素a.与钢种有关冷拉热轧钢筋，塑性较好。到达屈服后有明显的屈服强度，可高碳钢丝和热处理钢筋的塑性较差，没有明显屈服台阶b.与施加预应力的方法有关对于相同的钢种先张法后张法先张法的张拉力由台座承受，当放张钢筋时，由于钢筋与混凝土之间存在粘结力，两者同时受到压缩，从而使预应力钢筋中的应力有所降低。后张法是以构件为台座，一边张拉钢筋，构件一边缩短，指数已扣除混凝土弹性压缩后的钢筋应力。张拉控制应力限值[con]张拉方法钢筋种类先张法后张法预应力钢丝、钢绞线热处理钢筋0.75fptk0.70fptk0.75fptk0.65fptk4.张拉控制应力的范围根据长期积累的设计和施工经验《规范》规定一般情况下的最大值（标准值）：fptk——极限抗拉强度（没有明显的流幅，条件屈服点）fpyk——屈服强度（有明显的流幅）因为对预应力筋的张拉过程是在施工阶段进行的，同时张拉预应力筋也是对它进行的一次检验，所以表中[con]是以预应力筋的标准强度给出的，且[con]可不受抗拉强度设计值的限制。在下列情况下，[con]可提高0.05fptk：⑴为提高构件在施工阶段的抗裂性能，而在使用阶段受压区内设置的预应力筋；⑵为部分抵消应力松弛、摩擦、分批张拉和温差产生预应力损失。为避免con的取值过低，影响预应力筋充分发挥作用，《规范》规定con不应小于0.4fptk。◆预应力筋张拉后，由于混凝土和钢材的性质以及制作方法上原因，预应力筋中应力会从scon逐步减少，并经过相当长的时间才会最终稳定下来，这种应力降低现象称为预应力损失。◆由于最终稳定后的应力值才对构件产生实际的预应力效果。因此，预应力损失是预应力混凝土结构设计和施工中的一个关键的问题。◆过高或过低估计预应力损失，都会对结构的使用性能产生不利影响。八、预应力损失1.锚固损失σl1a.损失的原因1)张拉时，锚具，垫板与构件之间是有缝隙的，一旦放松，缝隙挤紧则产生损失。2)钢筋和楔块在锚具内的滑移，使得拉紧的钢筋回缩，这样张拉程度降低，应力减少，引起预应力损失。b.计算方法slEl1预应力损失的种类c.减少此项损失的措施有1)选择锚具变形小或使预应力钢筋内缩小的锚（夹）具，尽量少用垫板2)增加台座长度，σl1与l成反比。当台座长度为100m以上，σl1可忽略不计锚具变形和钢筋内缩值a（mm）锚具类别a支承式锚具（钢丝束镦头锚具等）：螺帽缝隙每块后加垫板的缝隙11锥塞式锚具（钢丝束的钢质锥形锚具等）5有顶压时5夹片式锚具无顶压时6~82、摩擦损失l2摩擦损失是指在后张法张拉钢筋时，由于预应力筋与周围接触的混凝土或套管之间存在摩擦，引起预应力筋应力随距张拉端距离的增加而逐渐减少的现象。直线预应力筋曲线预应力筋一端张拉两端张拉超张拉减少摩擦损失的措施“超张拉”的工艺是以超过控制应力之值张拉，再适当放松，最后再次张拉到控制应力值。这样可使预应力钢筋的应力沿构件分布得比较均匀，同时预应力损失也能明显降低。3.热养护损失σl3a.损失的原因为缩短先张法构件的生产周期，浇灌砼后常用蒸汽养护的办法加速砼的硬结。升温时，新浇的砼尚未结硬，钢筋受热后可以自由膨胀，但两端台座固定不动。因而张拉后的钢筋就松了，使预应力钢筋产生应力损失σl3；降温时，砼已结硬，且和钢筋之间具有粘结作用，由于两者的温度膨胀系数相同（相近）温度降低产生相同收缩，所损失的σl3无法恢复。b.计算方