預應力砼結構基本知識

1、1預應力砼結構的基本知識 第一節(jié)第一節(jié) 預應力砼的概念預應力砼的概念2一鋼筋混凝土的缺欠一鋼筋混凝土的缺欠混凝土材料力學性能中的一個基本矛盾是：抗壓強度高、抗拉強度很低（ft=fc/10），砼的極限拉應變僅為極限壓應變的（1/201/30）；即每m只能拉長0.10.15mm。3因此：因此： 混凝土受拉區(qū)開裂較早，此時的鋼筋應力只有（2040）N/mm2左右,大概只發(fā)揮了其強度的十分之一左右。因而在使用階段鋼筋砼構件一般是帶裂縫工作的！4見表分析：5因此因此引起矛盾！引起矛盾！l構件中若采用高強度鋼筋，將使 使用荷載下鋼筋的工作應力提高很多， 撓度和裂縫寬度將遠遠超過允許值!若拉區(qū)最大裂縫控制在

2、0.3mm以內(nèi)的話，鋼筋的拉力僅達到150250N/mm2,只占高強鋼筋抗拉強度設計值（10001300N/mm2）的15%20% 不能充分利用高強鋼筋的強度！6l實際上高強度鋼筋在鋼筋混凝土構件中將很難得到合理的使用 因而不能采用高強度鋼筋！l而采用高強度混凝土也是沒有意義的因為高強度混凝土對提高抗裂度、剛度和減小裂縫寬度的作用很小。7總之總之鋼筋混凝土構件過早開裂的問題不解決就不能有效的利用高強材料！ 結果阻礙了鋼筋混凝土結構自身的發(fā)展。8另一方面：另一方面：鋼筋混凝土結構的應用，也受到過早開裂導致的剛度降低、裂縫開展的制約：l如用于大跨結構時，為滿足撓度控制的要求，需要加大截面尺寸來增大

3、剛度，以致使構件的承載力中有較大一部分用于負擔結構的自重。l跨度越大，自重在承載力中所占比例就越大，很不經(jīng)濟、不合理、甚至是不可能的因此，限制了應用范圍。9二預應力混凝土的基本概念二預應力混凝土的基本概念那么，如何解決這個矛盾呢？ 可否設想借助于混凝土的抗壓強度來補償其抗拉強度的不足，以推遲受拉區(qū)混凝土的開裂？即：在構件受外荷以前，使它先存在著一種應力狀態(tài)（預加應力），用以減小或抵消外荷作用時產(chǎn)生的拉應力？10 實際上,預加應力的概念在日常生活和生產(chǎn)實踐中早有所應用。如：1112在鋼筋混凝土結構中情況如何呢在鋼筋混凝土結構中情況如何呢？13l施加預應力的概念雖然早已存在，但預應力混凝土結構的推

4、廣和應用，還只是近50年來有了高強鋼筋才變?yōu)楝F(xiàn)實！l為什么？l因為有預應力損失！14施加預應力后，施加預應力后，應用范圍擴大應用范圍擴大：例如： 非預應力吊車梁跨度為6m，預應力吊車梁跨度可達12m； 非預應力屋架1821m，預應力屋架3036m或更大！15目前預應力混凝土應用目前預應力混凝土應用 世界上最大的預應力砼貯罐直徑達82m，高達36m； 預應力輕骨料砼建造的飛機庫屋蓋結構跨度達90m； 預應力箱形截面橋梁跨度達240m以上； 預應力電視塔高達549m; 我國設計制造的大跨度預應力砼屋架跨度達60m。16預應力混凝土與普通砼預應力混凝土與普通砼 兩者相比，預應力混凝土有如下特點：1提

5、高構件的抗裂能力只有當混凝土的預壓應力全部抵消轉(zhuǎn)而受拉且受拉應變超過混凝土的極限拉應變時，構件才會開裂。2增大了構件的剛度使混凝土轉(zhuǎn)變成彈性材料預應力混凝土構件正常使用時，可能不開裂或只有很小的裂縫，混凝土基本上處于彈性階段工作。173充分利用高強度材料 前已分析4擴大了構件的應用范圍 因改善了抗裂性能，可用于防水、抗?jié)B性及抗腐蝕要求的環(huán)境。 采用高強度材料，結構輕巧，剛度大、變形小，可用于大跨度、重荷載及承受反復荷載的結構。18預應力混凝土結構的缺點預應力混凝土結構的缺點l施工麻煩，工藝復雜，需要錨具，精度要求較高，施工周期較長，造價高，且不能提高構件的承載力。l？19 第二節(jié) 施加預應力的

6、方法先張法與后張法先張法：先張拉鋼筋后澆筑混凝土；后張法：先澆筑混凝土后張拉鋼筋。具體施工順序與特點20先張法先張法21一.先張法在先張法中，預應力是靠鋼筋與砼之間的粘結力來傳遞的。施加預應力是靠張拉鋼筋來實現(xiàn)的即張拉高強度的鋼筋，并將其錨固在砼構件內(nèi)，由于鋼筋彈性回縮，就使砼受壓。22后張法后張法23二二后張法后張法l后張法是靠錨具來保持預應力的，錨具將永遠附在構件上。2425錨具：錨具：26上述后張法的缺點是：工序多，預留孔道占截面面積大，施工復雜。27夾具與錨具是預應力混凝土構件的重要工具夾具構件制作完畢能取下來重復使用的稱為夾具；錨具留在構件上不能再取下的稱為錨具。統(tǒng)稱為錨具有時，為簡

7、便起見。28三三后張無粘結預應力后張無粘結預應力另一種后張法后張無粘結預應力施工技術。特點：不需要預留孔道，無粘結預應力筋可與非預應力筋同時鋪設，并可采用曲線配筋，布置靈活。有粘結預應力指沿預應力筋全長其周圍均與混凝土粘結握裹在一起的；無粘結預應力指預應力筋伸縮、滑動自由，不與周圍混凝土粘結的。29其主要工序為：1制作無粘結預應力筋（加涂層、套管）2綁扎鋼筋（圖a)3澆筑混凝土(圖b）4張拉預應力筋30四四先張法和后張法的先張法和后張法的比較比較：先張法：工藝簡單，靠粘結力錨固預應力筋不需要永久性的工作錨具，但需要臺座或鋼模等設施。適于：在預制廠制造標準預應力構件，如樓板或過梁等。后張法：通過

8、錨具傳遞預壓應力工藝較復雜，慢，需要在構件上安裝永久性的工作錨具，成本高。適于：現(xiàn)場澆筑、就地張拉、吊裝的大型建筑中的特大構件。31第三節(jié) 預應力砼的材料一 預應力鋼筋（一）對鋼筋性能要求：.強度高 使混凝土獲得較高的預壓應力；.良好的塑性以保證在較高應力下不會發(fā)生拉斷破壞； .良好的可焊性以保證必要的加工； .與砼有較好的粘接強度原因：預應力鋼筋高應力狀態(tài)32（二）（二） 預應力鋼筋分類預應力鋼筋分類國內(nèi)常用的預應力鋼筋有鋼筋、鋼絲、鋼絞線；分為兩大類：1無物理屈服點鋼筋（絲）（1）鋼鉸線 由多股（3或7股）高強鋼絲鉸合而成，再經(jīng)低溫回火制成。特點：鋼鉸線比單根鋼絲直徑大，但具有一定的柔性，

9、施工方便且不降低強度。33 （2）消除應力鋼絲 經(jīng)過低溫回火處理的鋼絲稱為。解釋：高碳鋼經(jīng)過多次冷拔，存在較大的內(nèi)應力，需采用低溫回火來消除內(nèi)應力。在外形上分為：光面、刻痕及螺旋肋三種，用p、I、H表示。34（3）熱處理鋼筋用熱軋中碳鋼經(jīng)過調(diào)質(zhì)熱處理后制成的高強度鋼筋。特點：具有強度高、松弛小等特點，以圓盤形式供應，省掉對焊和整直等工序，施工方便。352有物理屈服點鋼筋有物理屈服點鋼筋冷拉低合金鋼采用熱軋鋼筋經(jīng)冷拉后得到。特點：鋼筋經(jīng)冷拉后屈服強度提高，塑性有所降低。l鋼筋冷拉后可以提高抗拉強度，當鋼筋用于抗壓時，其強度并不提高。l規(guī)范提倡優(yōu)先采用強度高、性能好的預應力鋼筋（鋼絲、鋼鉸線）。注

10、：鋼筋冷拔后則同時提高抗拉及抗壓強度。3637補充：鋼筋的冷拉與冷拔補充：鋼筋的冷拉與冷拔1.鋼筋的冷拉在常溫下將有明顯流幅的鋼筋拉伸到強化階段k點，然后卸載，卸載后鋼筋將沿k直線恢復到0，鋼筋產(chǎn)生殘余變形00。如果再張拉，應力應變曲線將沿0kd變化，轉(zhuǎn)折點高于冷拉前屈服點b，但流幅不明顯。38時效硬化冷拔后，若停留相當時間或高溫作用后再張拉，曲線將沿0kk變化，轉(zhuǎn)折點提高到k點。工程應用：一方面提高鋼筋的屈服強度，同時鋼筋的長度也延長了，從而達到節(jié)約鋼材的目的。392鋼筋的冷拔l將直徑為68mm的鋼筋在常溫下通過比自身直徑小0.51mm的鎢金拔絲模冷拔而成。l鋼筋在通過拔絲模后受到很大的側(cè)向

11、擠壓而產(chǎn)生塑性變形，迫使鋼材內(nèi)部發(fā)生變化而提高鋼筋的強度。40二二 混凝土混凝土 預應力砼結構對砼性能的要求是：（1）高強度必須！砼強度等級愈高，承受的預壓應力愈大，能顯著提高構件的抗裂度；（2）收縮、徐變小：以減少構件的預應力損失。 （3）快硬、早強：可縮短生產(chǎn)周期，提高了張拉工具的周轉(zhuǎn)率。41規(guī)范規(guī)范規(guī)定：規(guī)定：l預應力砼結構的砼強度等級不宜低于C30 ；l當采用高強鋼絲或熱處理鋼筋時，砼強度等級不宜低于C40 。42三截面形狀和尺寸三截面形狀和尺寸通常是：梁高 h = (1/20 1/14) l 0， 也可取非預應力梁高的70%左右；梁腹寬 b = (1/10 1/6)h （宜小些）一般

12、情況，截面的寬高比宜小，翼緣和腹板的厚度也不宜大。43第四節(jié) 預應力砼構件計算基本原理一張拉張拉控制應力控制應力和和預應力損失預應力損失1 1張拉控制應力con在制作預應力混凝土構件時，張拉設備所控制的總張拉力除以預應力筋截面積得到的應力稱為。44con取值越高，混凝土的預壓應力越高，可以節(jié)約鋼筋；但張拉控制應力應有所控制！原因：首先：鋼筋的強度是一定的，不能無限制的張拉；其次：如果張拉力過大，會使鋼筋應力進入屈服階段產(chǎn)生塑性變形而達不到預期的預應力效果，甚至還會在加荷時出現(xiàn)脆性斷裂而突然破壞。45因此：在充分利用鋼筋強度的前提下，對鋼筋的張拉應力必須有所控制！結構設計規(guī)范規(guī)定：預應力鋼筋的張

13、拉控制應力 con不應超過表所列數(shù)值。鋼筋種類 張拉方法 先張法后張法消除應力鋼絲、鋼鉸線0.75fptk0.75 fptk熱處理鋼筋0.70fptk0.65fptk46那么那么:一根鋼筋究竟要拉多大的力才達到要求呢？就是以鋼筋張拉控制應力con乘以一根鋼筋的截面面積來決定的。注： fpyk 為用于預應力鋼筋的冷拉鋼筋強度標準值； fptk 為用于預應力鋼筋的碳素鋼絲等的強度標準值。47因此：因此：在預應力砼構件計算時在預應力砼構件計算時需解決兩個問題需解決兩個問題：l鋼筋要張拉多大的力？l預應力損失值有多少？48因為：因為：l砼預壓應力的大小，取決于鋼筋彈性回縮的程度；鋼筋要有足夠回彈力 這

14、就牽涉到鋼筋要張拉多大的力？l因為通過張拉鋼筋建立的預應力并不全部有效，實際有效的預應力受各種因素影響有所降低 這就牽涉到預應力損失值有多少？492. 預應力損失預應力損失從張拉開始到構件使用，由于張拉工藝和材料的特性等原因，鋼筋的張拉控制應力將不斷的降低，這部分降低值稱為預應力損失。 在設計時要正確計算預應力損失值； 施工時要盡量減少預應力損失；預應力結構的成敗關鍵！50造成預應力損失的造成預應力損失的原因原因主要有以下六種：主要有以下六種： 錨具變形和鋼筋滑動引起的預應力損失l1l1 （先、后）l錨具變形越大，預應力損失亦越大，約占總損失的5 10% 左右。51 預應力預應力鋼筋與孔道壁之

15、間鋼筋與孔道壁之間摩擦摩擦引起的預引起的預應力損失應力損失1 12 （后）（后）在后張法張拉鋼筋時，由于鋼筋與孔道壁之間的摩擦妨礙了鋼筋伸長因此，約占總損失的 5 15% 左右。混凝土加熱養(yǎng)護時，預應力筋與臺座之間 溫度差引起預應力損失1 13 3 （先）約占 20% 左右。52 鋼筋應力鋼筋應力松弛松弛引起的預應力損失引起的預應力損失1 14（先、（先、 后）后） 占總損失的占總損失的 15% 左右。左右。 砼砼收縮、徐變收縮、徐變引起的應力損失引起的應力損失1 15 （先、后）（先、后） 占總損失的占總損失的50 60% 。 這是一項數(shù)值較大、并占很大比重的預應力損失，這是一項數(shù)值較大、并

16、占很大比重的預應力損失， 必須認真對待！必須認真對待！53 環(huán)形配筋對砼環(huán)形配筋對砼局部擠壓局部擠壓引起的預應力損引起的預應力損失失 1 16 （后）（后） 直徑不大于3m的圓筒形結構（如水管等）采用環(huán)形配筋時，因鋼筋在圓筒上作螺旋式張拉時，砼受到局部擠壓而產(chǎn)生壓陷，引起預應力損失，約占總損失的15% 左右。減少各項預應力損失的措施有很多，有興趣同學可看書。54注意：注意：l一般情況下，預應力損失總值大約可達200 250 N / mm2 之多，l故在設計及制作時要對此有足夠的重視和估計。l上述各種原因引起的應力損失，是分批出現(xiàn)的。55二預應力砼結構計算原理二預應力砼結構計算原理計算內(nèi)容除承載

17、力計算外，一般還應包括： 裂縫和變形驗算：l承載力是任何構件都必須保證的，對預應力構件也不例外，所以承載力計算是預應力結構必不可少的計算內(nèi)容；l裂縫和變形驗算是為了滿足預應力結構的正常使用和耐久性要求。l此外，還應進行施工階段的應力校核。561 1承載力計算承載力計算l計算時，截面承載力達到極限狀態(tài)，以受彎構件來說，梁破壞時鋼筋達到抗拉設計強度fy ,砼達到抗壓設計強度 fc , 這與普通鋼筋砼截面承載力極限的應力狀態(tài)基本相同；l那么：預應力梁與非預應力梁，如果兩者的尺寸、形式、材料等均相同，則它們破壞時能承受的荷載情況如何呢？57答案：答案：即：施加預應力并不能提高構件的承載力？ ！ 是一樣

18、的！兩者的承載力計算基本相同。因為破壞時，兩者的鋼筋達到抗拉設計強度fy ,砼達到抗壓設計強度 fc 極限狀態(tài)時情況一樣！582抗裂及裂縫寬度驗算抗裂及裂縫寬度驗算l抗裂驗算考慮砼獲得預壓應力后，在使用荷載作用下受拉區(qū)應力是否超過砼的抗拉強度ftk 。l采用預應力是提高構件抗裂度的主要手段。l而砼預壓應力的大小，取決于鋼筋可能彈性回縮的程度。l這就需要考慮鋼筋張拉多大的力？預應力損失值有多大？剩下的預應力效果有多少等問題。59抗裂驗算：l鋼筋張拉應力減去預應力損失，剩下的有效預應力如能使構件在荷載作用下受拉區(qū)應力不超過砼抗拉強度ftk ，構件就不會開裂 這就是抗裂驗算！60按對抗裂要求的不同，規(guī)范規(guī)定，根據(jù)不同裂縫控制等級進行裂縫驗算。 第一級 嚴格要求不出現(xiàn)裂縫的構件。在荷載的短期效應組合下，構件受拉邊緣砼不應產(chǎn)生拉應力。61 第二級 一般要求不出現(xiàn)裂縫的構件。l計算時，對構件受拉邊緣砼的拉應力有較嚴格的限制，大部分預應力砼屋面梁、托梁、屋架以及中、重級工作制吊車梁等對抗裂的要求都屬于這一級。62 第三級 允許出現(xiàn)裂縫的構件。l采用冷拉鋼筋配筋的預應力砼一般構件都屬于這一級，其最大裂縫寬度ma