模塊二項目五任務4課程教案

湖南交通工程學院課程授課教案授課內容模塊二鋼筋混凝土結構項目五鋼筋混凝土結構的基本構件任務4預應力混凝土構件基礎知識教學目的與要求理解預應力混凝土構件的基本概念、工作原理掌握預應力混凝土的施工方法及相關的構造要求重點難點預應力混凝土構件的基本概念、工作原理參考資料《建筑結構》金舜卿宋喬主編西北工業(yè)大學出版社教學方法講授教學手段板書教學過程教學手段方法設計預應力混凝土結構的基本概念鋼筋混凝土構件由于混凝土的抗拉強度低，而采用鋼筋來代替混凝土承受拉力。但是，混凝土的極限拉應變也很小，每米僅能伸長（0.10~0.15）mm，若混凝土伸長值超過該極限值就要出現(xiàn)裂縫。如果要求構件在使用時混凝土不開裂，則鋼筋的拉應力只能達到（20~30）MPa；即使允許開裂，為了保證構件的耐久性，常需將裂縫寬度限制在（0.2~0.25）mm以內，此時鋼筋拉應力也只能達到（150~250）MPa，可見高強度鋼筋是無法在鋼筋混凝土結構中充分發(fā)揮其抗拉強度的。

由上可知，鋼筋混凝土結構在使用中存在如下兩個問題：一是需要帶裂縫工作，由于裂縫的存在，不僅使構件剛度下降，而且使得鋼筋混凝土構件不能應用于不允許開裂的場合；二是無法充分利用高強材料。當荷載增加時，靠增加鋼筋混凝土構件的截面尺寸或增加鋼筋用量的方法來控制構件的裂縫和變形是不經(jīng)濟的，因為這必然使構件自重（恒載）增加，特別是對于橋梁結構，隨著跨度的增大，自重作用所占的比例也增大。這使得鋼筋混凝土結構在橋梁工程中的使用范圍受到很大限制。要使鋼筋混凝土結構得到進一步的發(fā)展，就必須克服混凝土抗拉強度低這一缺點，于是人們在長期的工程實踐及研究中，創(chuàng)造出了預應力混凝土結構。

預應力混凝土結構的優(yōu)缺點

預應力混凝土結構具有下列主要優(yōu)點：

（1）提高了構件的抗裂度和剛度。對構件施加預應力后，使構件在使用荷載作用下可不出現(xiàn)裂縫，或可使裂縫大大推遲出現(xiàn)，有效地改善了構件的使用性能，提高了構件的剛度，增加了結構的耐久性。

（2）可以節(jié)省材料，減少自重。預應力混凝土由于采用高強材料，因而可減少構件截面尺寸，節(jié)省鋼材與混凝土用量，降低結構物的自重。這對自重比例很大的大跨徑橋梁來說，更有著顯著的優(yōu)越性。大跨度和重荷載結構，采用預應力混凝土結構一般是經(jīng)濟合理的。

（3）可以減小混凝土梁的豎向剪力和主拉應力。預應力混凝土梁的曲線鋼筋（束），可使梁中支座附近的豎向剪力減??；又由于混凝土截面上預壓應力的存在，使荷載作用下的主拉應力也相應減小。這有利于減小梁的腹板厚度，使預應力混凝土梁的自重可以進一步減小。

（4）結構質量安全可靠。施加預應力時，鋼筋（束）與混凝土都同時經(jīng)受了一次強度檢驗。如果在張拉鋼筋時構件質量表現(xiàn)良好，那么，在使用時也可以認為是安全可靠的。因此有人稱預應力混凝土結構是經(jīng)過預先檢驗的結構。

（5）預應力可做為結構構件連接的手段，促進了橋梁結構新體系與施工方法的發(fā)展。

此外，預應力還可以提高結構的耐疲勞性能。因為具有強大預應力的鋼筋，在使用階段由加荷或卸荷所引起的應力變化幅度相對較小，所以引起疲勞破壞的可能性也小。這對承受動荷載的橋梁結構來說是很有利的。

預應力混凝土結構也存在著一些缺點：

（1）工藝較復雜，對施工質量要求甚高，因而需要配備一支技術較熟練的專業(yè)隊伍。

（2）需要有專門設備，如張拉機具、灌漿設備等。先張法需要有張拉臺座；后張法還要耗用數(shù)量較多、質量可靠的錨具等。

（3）預應力反拱度不易控制。它隨混凝土徐變的增加而加大，如存梁時間過久再進行安裝，就可能使反拱度很大，造成橋面不平順。

（4）預應力混凝土結構的開工費用較大，對于跨徑小、構件數(shù)量少的工程，成本較高。

但是，以上缺點是可以設法克服的。例如應用于跨徑較大的結構，或跨徑雖不大，但構件數(shù)量很多時，采用預應力混凝土結構就比較經(jīng)濟了?？傊?，只要從實際出發(fā)，因地制宜地進行合理設計和妥善安排，預應力混凝土結構就能充分發(fā)揮其優(yōu)越性。所以它在近數(shù)十年來得到了迅猛的發(fā)展，尤其對橋梁新體系的發(fā)展起了重要的推動作用。這是一種極有發(fā)展前途的工程結構。預加應力的主要方法

1）先張法

先張法，即先張拉鋼筋，后澆筑構件混凝土的方法，如圖12-2所示。先在張拉臺座上，按設計規(guī)定的拉力張拉預應力鋼筋，并進行臨時錨固，再澆筑構件混凝土，待混凝土達到要求強度（一般不低于強度設計值的75%）后，放張（即將臨時錨固松開，緩慢放松張拉力），讓預應力鋼筋的回縮，通過預應力鋼筋與混凝土間的粘結作用，傳遞給混凝土，使混凝土獲得預壓應力。這種在臺座上張拉預應力筋后澆筑混凝土并通過粘結力傳遞而建立預加應力的混凝土構件就是先張法預應力混凝土構件。

先張法所用的預應力鋼筋，一般可用高強鋼絲、鋼絞線等。不專設永久錨具，借助與混凝土的粘結力，以獲得較好的自錨性能。先張法施工工序簡單，預應力鋼筋靠粘結力自錨，臨時固定所用的錨具(一般稱為工具式錨具或夾具)可以重復使用，因此大批量生產先張法構件比較經(jīng)濟，質量也比較穩(wěn)定。目前，先張法在我國一般僅用于生產直線配筋的中小型構件。大型構件因需配合彎矩與剪力沿梁長度的分布而采用曲線配筋，這將使施工設備和工藝復雜化，且需配備龐大的張拉臺座，因而很少采用先張法。2）后張法

后張法是先澆筑構件混凝土，待混凝土結硬后，再張拉預應力鋼筋并錨固的方法，如圖12-3所示。先澆筑構件混凝土，并在其中預留孔道（或設套管），待混凝土達到要求強度后，將預應力鋼筋穿入預留的孔道內，將千斤頂支承于混凝土構件端部，張拉預應力鋼筋，使構件也同時受到反力壓縮。待張拉到控制拉力后，即用特制的錨具將預應力鋼筋錨固于混凝土構件上，使混凝土獲得并保持其預壓應力。最后，在預留孔道內壓注水泥漿，以保護預應力鋼筋不致銹蝕，并使預應力鋼筋與混凝土粘結成為整體。這種在混凝土硬結后通過張拉預應力筋并錨固而建立預加應力的構件稱為后張法預應力混凝土構件。

由上可知，施工工藝不同，建立預應力的方法也不同。