《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)》課件-6.預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)目標(biāo)（1）理解預(yù)應(yīng)力混凝土的基本概念和特點(diǎn)，熟悉先張法和后張法兩種施加預(yù)應(yīng)力的方法，掌握預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件對材料的要求。（2）掌握張拉控制應(yīng)力的概念，以及產(chǎn)生各項(xiàng)預(yù)應(yīng)力損失的原因與減少預(yù)應(yīng)力損失的主要措施。（3）熟悉預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的構(gòu)造要求。模塊6預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件模模塊6預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件模6.1預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件概述6.2施加預(yù)應(yīng)力的方法6.3預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件對材料的要求6.4張拉控制應(yīng)力、預(yù)應(yīng)力損失和減少損失的措施6.5預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的構(gòu)造要求6.1.1預(yù)應(yīng)力混凝土的基本知識6.1預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件概述由于混凝土的特點(diǎn)是抗壓強(qiáng)度高，抗拉強(qiáng)度低（約為抗壓強(qiáng)度的1/10），因此普通鋼筋混凝土的抗裂性能較差。一般情況下，當(dāng)鋼筋的應(yīng)力超過20N/mm2時(shí)，混凝土就會開裂。因此，普通鋼筋混凝土構(gòu)件在正常使用時(shí)一般都是帶裂縫的。對于允許開裂的普通鋼筋混凝土構(gòu)件，當(dāng)裂縫寬度限制在0.2～0.3mm時(shí)，受拉鋼筋應(yīng)力也只能達(dá)到250N/mm2左右。因此，若在普通混凝土結(jié)構(gòu)中配置高強(qiáng)度鋼筋，其強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能發(fā)揮應(yīng)有的作用。圖6-1所示為一預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁。在外荷載作用之前，預(yù)先在梁的受拉區(qū)施加一對大小相等、方向相反的偏心集中力N，使梁截面上邊緣的混凝土產(chǎn)生預(yù)拉應(yīng)力σt，下邊緣的混凝土產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力σpc，如圖6-1（a）所示。當(dāng)外荷載q作用時(shí)，梁的下邊緣混凝土產(chǎn)生拉應(yīng)力σt，上邊緣混凝土產(chǎn)生壓應(yīng)力σc，如圖6-1（b）所示。在預(yù)壓力N和外荷載q的共同作用下，梁的下邊緣拉應(yīng)力將減至σt-σpc，上邊緣混凝土應(yīng)力一般控制為壓應(yīng)力，如圖6-1（c）所示。6.1預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件概述圖6-1預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁6.1預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件概述6.1.2預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的特點(diǎn)1.預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的優(yōu)點(diǎn)（1）抗裂性能較好。（2）剛度較大。（3）充分利用高強(qiáng)度材料。（4）提高構(gòu)件的抗剪能力。6.1預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件概述2.預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的缺點(diǎn)預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件雖然具有很多優(yōu)點(diǎn)，但也存在著一些缺點(diǎn)，如設(shè)計(jì)計(jì)算比較復(fù)雜，施工工藝復(fù)雜，對質(zhì)量要求較高，需要有專門的施工設(shè)備和技術(shù)條件，造價(jià)較高等。上述缺點(diǎn)正在不斷地被克服，這將使預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的發(fā)展前景更加廣闊。6.1預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件概述6.2施加預(yù)應(yīng)力的方法6.2.1先張法（1）在臺座（或鋼模）上張拉鋼筋至設(shè)計(jì)規(guī)定的拉力，并將鋼筋用夾具臨時(shí)錨固在臺座（或鋼模）上。（2）支模并澆筑混凝土。（3）待混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75%以上時(shí)，切斷或放松預(yù)應(yīng)力鋼筋。圖6-2先張法的主要工序6.2.2后張法（1）澆筑混凝土構(gòu)件，并在構(gòu)件中預(yù)留孔道。（2）待混凝土達(dá)到規(guī)定強(qiáng)度（設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75%以上）后，在孔道內(nèi)穿預(yù)應(yīng)力鋼筋，并直接在構(gòu)件上張拉鋼筋至設(shè)計(jì)拉力。（3）用錨具錨固預(yù)應(yīng)力鋼筋，為防止鋼筋銹蝕，應(yīng)在孔道內(nèi)壓力灌漿（無黏結(jié)混凝土無須灌漿）。圖6-3后張法的主要工序6.2施加預(yù)應(yīng)力的方法6.3預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件對材料的要求6.3.1對混凝土的要求（1）高強(qiáng)度。預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件需要采用高強(qiáng)度混凝土，才能建立起較高的預(yù)壓應(yīng)力。（2）收縮、徐變小。混凝土的收縮和徐變小，可以減小由于混凝土的收縮和徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失。（3）快硬、早強(qiáng)?；炷恋目煊?、早強(qiáng)可以提高張拉設(shè)備的周轉(zhuǎn)率，加快施工進(jìn)度。6.3.2對預(yù)應(yīng)力鋼筋的要求（1）高強(qiáng)度。預(yù)應(yīng)力鋼筋首先要具有很高的強(qiáng)度，因?yàn)榛炷令A(yù)壓應(yīng)力的大小取決于預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉應(yīng)力的大小。（2）一定的塑性。高強(qiáng)度鋼筋的塑性性能一般較低，為了避免預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件發(fā)生脆性破壞，要求預(yù)應(yīng)力鋼筋在拉斷前應(yīng)具有一定的伸長率，特別是對處于低溫環(huán)境和受沖擊荷載作用的構(gòu)件，更應(yīng)注意鋼筋對塑性性能和抗沖擊韌性的要求。6.3預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件對材料的要求（3）良好的加工性能。預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)具有良好的可焊性，焊后不裂，不產(chǎn)生大的變形。同時(shí)，要求鋼筋在“鐓粗”前后，其物理力學(xué)性能基本不變。（4）鋼筋與混凝土之間應(yīng)有較好的黏結(jié)強(qiáng)度。先張法構(gòu)件的預(yù)應(yīng)力主要依靠鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)強(qiáng)度來傳遞，因此鋼筋與混凝土之間必須要有良好的黏結(jié)強(qiáng)度。當(dāng)采用光面高強(qiáng)度鋼絲時(shí)，表面應(yīng)做“刻痕”處理。6.3預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件對材料的要求6.4張拉控制應(yīng)力、預(yù)應(yīng)力損失和減少損失的措施6.4.1張拉控制應(yīng)力（1）要求提高構(gòu)件在施工階段的抗裂性能而在使用階段受壓區(qū)內(nèi)設(shè)置的預(yù)應(yīng)力筋。（2）要求部分抵消由于應(yīng)力松弛、摩擦、鋼筋分批張拉以及預(yù)應(yīng)力筋與張拉臺座之間的溫差等因素產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力損失。6.4.2預(yù)應(yīng)力損失和減少損失的措施（1）選擇變形小和鋼筋內(nèi)縮小的錨（夾）具，并盡量減少墊板的數(shù)量。（2）增加先張法臺座的長度，當(dāng)臺座長度超過100m時(shí)，σl1可忽略不計(jì)。1.張拉端錨具變形和預(yù)應(yīng)力鋼筋內(nèi)縮引起的預(yù)應(yīng)力損失σl16.4張拉控制應(yīng)力、預(yù)應(yīng)力損失和減少損失的措施2.預(yù)應(yīng)力鋼筋的摩擦引起的預(yù)應(yīng)力損失σl2（1）兩端張拉。對較長的構(gòu)件可在兩端同時(shí)進(jìn)行張拉，則計(jì)算孔道長度可減少一半，但將引起σl2的減少。（2）超張拉。張拉程序?yàn)椋?→1.1σcon，保持荷載2min→0.85σcon，保持荷載2min→σcon。6.4張拉控制應(yīng)力、預(yù)應(yīng)力損失和減少損失的措施3.預(yù)應(yīng)力鋼筋與張拉設(shè)備之間的溫差引起的預(yù)應(yīng)力損失σl3（1）采用兩次升溫養(yǎng)護(hù)。先在常溫下養(yǎng)護(hù)，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到7.5～10N/mm2時(shí)，再逐漸升溫至規(guī)定的養(yǎng)護(hù)溫度，此時(shí)可以認(rèn)為鋼筋與混凝土已結(jié)成整體，能一起脹縮而無應(yīng)力損失。（2）在鋼模上張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋。由于預(yù)應(yīng)力鋼筋在鋼模上，所以升溫時(shí)兩者溫度相同，因而不會產(chǎn)生溫差引起的預(yù)應(yīng)力損失。6.4張拉控制應(yīng)力、預(yù)應(yīng)力損失和減少損失的措施4.預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失σl41）消除應(yīng)力鋼絲、鋼絞線（1）普通松弛。（2）低松弛。6.4張拉控制應(yīng)力、預(yù)應(yīng)力損失和減少損失的措施2）中強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絲、預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋（1）中強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絲。（2）預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋。6.4張拉控制應(yīng)力、預(yù)應(yīng)力損失和減少損失的措施5.混凝土收縮和徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失σl5（1）先張法構(gòu)件。（2）后張法構(gòu)件。6.4張拉控制應(yīng)力、預(yù)應(yīng)力損失和減少損失的措施6.環(huán)形構(gòu)件采用螺旋式預(yù)應(yīng)力鋼筋時(shí)局部擠壓混凝土引起的預(yù)應(yīng)力損σl6用螺旋式預(yù)應(yīng)力鋼筋作配筋的環(huán)形構(gòu)件，如水池、油罐、壓力管道等，當(dāng)采用后張法直接在混凝土構(gòu)件上進(jìn)行張拉時(shí)，預(yù)應(yīng)力鋼筋將對環(huán)形構(gòu)件的外壁產(chǎn)生徑向壓力，混凝土在預(yù)應(yīng)力鋼筋的擠壓下會發(fā)生局部壓陷，造成構(gòu)件直徑有所減小，預(yù)應(yīng)力鋼筋中的拉應(yīng)力降低，從而引起預(yù)應(yīng)力損失σl6。該項(xiàng)預(yù)應(yīng)力損失只發(fā)生在后張法構(gòu)件中。6.4張拉控制應(yīng)力、預(yù)應(yīng)力損失和減少損失的措施6.4.3預(yù)應(yīng)力損失值的組合上述六項(xiàng)預(yù)應(yīng)力損失有的只在先張法構(gòu)件中出現(xiàn)，有的只在后張法構(gòu)件中出現(xiàn)，有的在兩種構(gòu)件中均出現(xiàn)，另外，這些損失不是同時(shí)發(fā)生的，而是在不同階段分批產(chǎn)生的，為了便于分析和計(jì)算預(yù)應(yīng)力構(gòu)件在各階段的預(yù)應(yīng)力損失值，按照混凝土預(yù)壓結(jié)束前和預(yù)壓結(jié)束后，分別對先張法構(gòu)件和后張法構(gòu)件的預(yù)應(yīng)力損失值進(jìn)行組合，見表6-4。6.4張拉控制應(yīng)力、預(yù)應(yīng)力損失和減少損失的措施6.5預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的構(gòu)造要求6.5.1預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的一般構(gòu)造要求1.截面形式和尺寸對于預(yù)應(yīng)力混凝土梁及預(yù)應(yīng)力混凝土板，當(dāng)跨度較小時(shí)，多采用矩形截面；當(dāng)跨度或荷載較大時(shí)，為減小構(gòu)件自重，提高構(gòu)件的承載能力和抗裂性能，可采用T形、工字形或箱形截面。1）截面形式2）截面尺寸一般情況下，預(yù)應(yīng)力混凝土梁的截面高度可取h=(1/20～1/14)l，翼緣寬度可取(1/3～1/2)h，翼緣高度可取(1/10～1/6)h，腹板寬度可取(1/15～1/8)h。6.5預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的構(gòu)造要求2.預(yù)應(yīng)力縱向鋼筋的布置預(yù)應(yīng)力縱向鋼筋的布置方式有三種，即直線布置、曲線布置及折線布置。直線布置如圖6-5（a）所示，用于跨度及荷載較小的中小型構(gòu)件，先張法、后張法均可采用。曲線布置多用于跨度和荷載較大的受彎構(gòu)件。在預(yù)應(yīng)力混凝土屋面梁、吊車梁等構(gòu)件靠近支座的斜向主拉應(yīng)力較大部位，宜將一部分預(yù)應(yīng)力鋼筋彎起，使其呈曲線布置，如圖6-5（b）所示，一般采用后張法施工。折線布置一般用于有傾斜受拉邊的梁，如圖6-5（c）所示，一般采用先張法施工，此時(shí)會在轉(zhuǎn)向裝置處產(chǎn)生摩擦預(yù)應(yīng)力損失。6.5預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的構(gòu)造要求圖6-5預(yù)應(yīng)力縱向鋼筋的布置方式6.5預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的構(gòu)造要求3.非預(yù)應(yīng)力鋼筋的布置為防止構(gòu)件在制作、運(yùn)輸、堆放或吊裝過程中預(yù)拉區(qū)混凝土開裂或裂縫寬度過大，可在構(gòu)件預(yù)拉區(qū)配置一定數(shù)量的非預(yù)應(yīng)力縱向鋼筋。6.5預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的構(gòu)造要求6.5.2先張法構(gòu)件的構(gòu)造要求1.并筋的配筋方式當(dāng)先張法預(yù)應(yīng)力鋼絲按單根方式配筋困難時(shí)，可采用相同直徑鋼絲并筋的配筋方式。并筋的等效直徑，對雙并筋應(yīng)取單筋直徑的1.4倍，對三并筋應(yīng)取單筋直徑的1.7倍。根據(jù)我國的工程實(shí)踐，預(yù)應(yīng)力鋼絲并筋不宜超過3根。對并筋的保護(hù)層厚度、錨固長度、預(yù)應(yīng)力傳遞長度及正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)算時(shí)，均應(yīng)按等效直徑考慮。當(dāng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線等采用并筋方式時(shí)，應(yīng)有可靠的構(gòu)造措施，如加配螺旋筋或采用緩慢放張預(yù)應(yīng)力的工藝等。6.5預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的構(gòu)造要求2.預(yù)應(yīng)力鋼筋的凈間距和普通混凝土結(jié)構(gòu)一樣，先張法預(yù)應(yīng)力鋼筋之間也應(yīng)根據(jù)澆筑混凝土、施加預(yù)應(yīng)力及鋼筋錨固等方式的不同保持足夠的凈間距。預(yù)應(yīng)力鋼筋之間的凈間距不應(yīng)小于其公稱直徑的2.5倍且不應(yīng)小于混凝土粗集料最大粒徑的1.25倍，且應(yīng)符合下列規(guī)定：對預(yù)應(yīng)力鋼絲，預(yù)應(yīng)力鋼筋的凈間距不應(yīng)小于15mm；對三股鋼絞線，不應(yīng)小于20mm；對七股鋼絞線，不應(yīng)小于25mm。6.5預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的構(gòu)造要求3.構(gòu)件端部的加強(qiáng)措施（1）對單根配置的預(yù)應(yīng)力鋼筋，其端部宜設(shè)置長度不小于150mm且不少于4圈的螺旋筋，如圖6-6（a）所示；有可靠經(jīng)驗(yàn)時(shí)，也可利用支座墊板上的插筋代替螺旋筋，但插筋數(shù)量不應(yīng)少于4根，其長度不宜小于120mm，如圖6-6（b）所示。（2）對分散布置的多根預(yù)應(yīng)力鋼筋，在構(gòu)件端部10d（d為預(yù)應(yīng)力鋼筋的公稱直徑）范圍內(nèi)應(yīng)設(shè)置3～5片與預(yù)應(yīng)力鋼筋垂直的鋼筋網(wǎng)，如圖6-6（c）所示。圖6-6先張法構(gòu)件端部的加強(qiáng)措施6.5預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的構(gòu)造要求（3）對采用預(yù)應(yīng)力鋼絲配筋的薄板，在板端100mm長度范圍內(nèi)應(yīng)適當(dāng)加密橫向鋼筋，如圖6-6（d）所示。（4）對槽形板類構(gòu)件，應(yīng)在構(gòu)件端部100mm長度范圍內(nèi)沿構(gòu)件板面設(shè)置附加橫向鋼筋，其數(shù)量不應(yīng)少于2根。（5）對預(yù)應(yīng)力鋼筋在構(gòu)件端部全部彎起的受彎構(gòu)件或直線配筋的先張法構(gòu)件，當(dāng)構(gòu)件端部與下部支承結(jié)構(gòu)焊接時(shí)，應(yīng)考慮混凝土收縮、徐變及溫度變化所產(chǎn)生的不利影響，宜在構(gòu)件端部可能產(chǎn)生裂縫的部位設(shè)置足夠的普通縱向構(gòu)造鋼筋。6.5預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的構(gòu)造要求6.5.3后張法構(gòu)件的構(gòu)造要求1.配筋要求（1）在后張法預(yù)應(yīng)力受彎構(gòu)件中，宜將一部分預(yù)應(yīng)力鋼筋在靠近支座處彎起，彎起的預(yù)應(yīng)力鋼筋宜沿構(gòu)件端部均勻布置。（2）在后張法預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件中，曲線預(yù)應(yīng)力鋼絲束、鋼絞線束的曲率半徑不宜小于4m；對折線配筋的構(gòu)件，在預(yù)應(yīng)力鋼筋彎折處的曲率半徑可適當(dāng)減小。（3）在后張法預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的預(yù)壓區(qū)和預(yù)拉區(qū)中，應(yīng)設(shè)置普通縱向構(gòu)造鋼筋，在預(yù)應(yīng)力鋼筋彎折處，應(yīng)加密箍筋或沿彎折處內(nèi)側(cè)設(shè)置鋼筋網(wǎng)片。6.5預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的構(gòu)造要求2.預(yù)留孔道（1）預(yù)制構(gòu)件中預(yù)留孔道之間的水平凈間距不宜小于50mm，且不宜小于混凝土粗集料粒徑的1.25倍；孔道至構(gòu)件邊緣的凈間距不宜小于30mm，且不宜小于孔道直徑的50%。（2）現(xiàn)澆混凝土梁中預(yù)留孔道在豎直方向的凈間距不應(yīng)小于孔道外徑，水平方向的凈間距不宜小于1.5倍孔道外徑，且不應(yīng)小于粗集料粒徑的1.25倍；從孔道外壁至構(gòu)件邊緣的凈間距，梁底不宜小于50mm，梁側(cè)不宜小于40mm，如圖6-7所示。圖6-7預(yù)應(yīng)力框架梁預(yù)留孔道凈間距要求6.5預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的構(gòu)造要求（3）預(yù)留孔道的內(nèi)徑應(yīng)比預(yù)應(yīng)力鋼絲束或鋼絞線束外徑及需穿過孔道的連接器外徑大6～15mm（4）在構(gòu)件兩端及跨中應(yīng)設(shè)置灌漿孔或排氣孔，其孔距不宜大于12m。6.5預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的構(gòu)造要求3.構(gòu)件端部加強(qiáng)措施（1）后張法預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件端部尺寸應(yīng)考慮錨具的布置、張拉設(shè)備的尺寸和局部受壓的要求，必要時(shí)應(yīng)適當(dāng)加大。6.5預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的構(gòu)造要求（2）構(gòu)件的端部錨固區(qū)，應(yīng)進(jìn)行局部受壓承載力計(jì)算，并配置間接鋼筋，其體積配筋率不應(yīng)小于0.5%；為防止構(gòu)件沿孔道發(fā)生劈裂，在局部受壓間接鋼筋配置區(qū)以外，在構(gòu)件端部長度l不小于3e（e為截面重心線上部或下部預(yù)應(yīng)力鋼筋的合力點(diǎn)至鄰近邊緣的距離）、但不大于1.2h（h為構(gòu)件端部截面高度），且在高度為2e的附加配筋區(qū)范圍內(nèi)應(yīng)均勻配置附加箍筋或鋼筋網(wǎng)片，其體積配筋率不應(yīng)小于0.5%，如圖6-8所示。圖6-8防止沿孔道劈裂的配筋范圍6.5預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的構(gòu)造要求（3）當(dāng)構(gòu)件端部預(yù)應(yīng)力鋼筋需集中布置在截面下部或集中布置在上部和下部時(shí)，應(yīng)在構(gòu)件端部0.2h范圍內(nèi)設(shè)置附加豎向焊接鋼筋網(wǎng)、封閉式箍筋或其他形式的構(gòu)造鋼筋，附加豎