2012水工钢筋混凝土结构-第十章.

第十章预应力混凝土结构1.熟悉预应力混凝土的基本知识，分类方法、预应力损失及计算方法；2.掌握建筑工程中轴心受拉构件和受弯构件各阶段受力分析及计算方法；3.熟悉预应力混凝土构件的施工工艺及构造要求。本章重难点难点：预应力轴心受拉构件和受弯构件的计算第十章预应力混凝土结构第一节预应力混凝土的基本概念第二节施加预应力的方法、预应力混凝土的材料与张拉机具第三节预应力钢筋张拉控制应力及预应力损失第四节预应力混凝土轴心受拉构件的应力分析第五节预应力混凝土轴心受拉构件的设计第六节预应力混凝土受弯构件的应力分析第七节预应力混凝土受弯构件的设计第八节预应力混凝土构件的一般构造要求第一节预应力混凝土的基本概念混凝土的抗拉强度太低，导致受拉区混凝土过早开裂，或者裂缝宽度过宽，不满足适用性和耐久性的要求。混凝土的极限拉应变约为0.1~0.15×10-3，钢筋弹性模量为2×105N/mm2，则受拉钢筋的应力只能到20~30N/mm2，不能充分利用其强度；对允许开裂的构件，当受拉钢筋的应力达到250N/mm2，裂缝宽度已达0.2~0.3mm。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。高强钢筋的使用，应力达500~1000N/mm2，裂缝宽度将很大，无法满足使用要求。预应力混凝土结构：构件在承受外荷载之前，人为地预先通过张拉钢筋对结构使用阶段产生拉应力的混凝土区域施加压力，构件承受外荷载后，此项预压应力将抵消一部分或全部由外荷载所引起的拉应力；从而推迟裂缝的出现和限制裂缝的开展。epNspcsctNqsct-spc0pcctsstkpcctfss0tkpcctfss由于预加应力spc较大，受拉边缘仍处于受压状态，不会出现开裂；受拉边缘应力虽然受拉，但拉应力小于混凝土的抗拉强度，一般不会出现开裂；受拉边缘应力超过混凝土的抗拉强度，虽然会产生裂缝，但比钢筋混凝土构件（Np=0）的开裂明显推迟，裂缝宽度也显著减小。1928年法国杰出的土木工程师E.Freyssnet发明了预应力混凝土。预应力坝预应力混凝土结构的优缺点：优点：延缓构件开裂，减小裂缝宽度；提高抗裂度和刚度；节约钢筋，减轻自重，可建造大跨高层结构。缺点：施工工序多，技术要求高；需要专门的锚具和张拉设备，以及预应力钢筋，费用高；开裂荷载与破坏荷载过于接近，破坏前的延性差。优先采用预应力混凝土的结构：要求裂缝控制等级较高的构件；大跨度或受力很大的构件；对构件刚度和变形控制要求较高的结构构件。预应力混凝土的分类截面控制裂缝的程度不同全预应力混凝土－当使用荷载作用时，不允许出现拉应力的构件，相当于《规范》中裂缝控制等级为一级，即严格要求不出现裂缝的构件。部分预应力混凝土－当使用荷载作用时，允许出现裂缝，但最大裂缝宽度不超过允许值的构件，相当于《规范》中裂缝控制等级为三级，即允许出现裂缝的构件。限值预应力混凝土－当使用荷载作用下根据荷载效应组合情况，不同程度地保证混凝土不开裂的构件，相当于《规范》中裂缝控制等级为二级，即一般要求不出现裂缝的构件。亦属于部分预应力混凝土。δ≥1：全预应力混凝土0＜δ＜1：部分预应力混凝土δ=0：钢筋混凝土按预应力度δ分类：定义：预应力度指控制截面上的消压内力和使用荷载对该截面产生的内力之比。轴心受拉构件：消压内力就是使构件截面预压应力抵消到零时的轴向拉力；受弯构件：消压内力就是使构件截面受拉边缘的预压应力抵消到零时的弯矩。部分预应力砼：介于全预应力混凝土和钢筋混凝土之间，有很大的选择范围，设计者可根据结构的功能要求和环境条件，选用不同的预应力值以控制构件在使用条件下的变形和裂缝，并在破坏前具有必要的延性，因而是当前预应力混凝土结构的一个主要发展趋势。优点:1、可采用部分非预应力钢筋，总造价降低；2、部分预应力混凝土可以减少过大的反拱度；3、抗震方面，部分预应力混凝土延性相对较好。无粘结预应力：是指预应力钢筋伸缩、滑动自由、不于周围混凝土粘结的预应力混凝土结构。比较适用于采用混合配筋的部分预应力混凝土。计算内容：1、承载能力极限状态设计；2、正常使用极限状态设计；3、施工阶段（制作、运输、安装）混凝土强度和抗裂性能验算。先张法第二节施加预应力的方法，预应力混凝土的材料和张拉机具先张法－在浇灌混凝土之前张拉钢筋的方法，称为先张法。一、施加于应力的方法在构件上建立预应力，一般通过张拉钢筋来实现。预应力是靠钢筋与混凝土之间的粘结力来传递的。优点：用长线台座，批量生产，效率高；施工简单。缺点：需要专门台座，基建投资较大；施加的预应力较小，用于中小构件。后张法后张法---在结硬后的混凝土构件上张拉钢筋的方法称为后张法。预应力是靠钢筋端部的锚具来传递的。优点：不需要专门台座，可现场制作，用于大型构件；缺点：需要留孔，灌浆，施工复杂；锚具要附在构件内，耗钢量大。spcsp锚具下混凝土局部承压问题自张法施加预应力：采用膨胀水泥浇制混凝土，在硬化过程中构件自身膨胀伸长，与其粘结在一起的钢筋阻止混凝土膨胀，使混凝土受到预压应力。自应力混凝土一般用来制造压力管道。无粘结预应力混凝土★锚具的可靠性★高强钢丝的可靠度★一定要有非预应力筋1、强度高：预应力钢筋具有较高的抗拉强度。2、具有一定的塑性：为避免在构件发生脆性破坏，预应力筋在拉断前具有一定的伸长率。3、良好的加工性能：以满足对钢筋焊接、镦粗的加工要求。4、与混凝土之间有良好的粘结：通常采用‘刻痕’或‘压波’方法来提高与混凝土粘结强度。钢材的一些要求：我国目前常用的预应力钢材主要有：钢丝，钢绞丝，钢丝束，螺纹钢筋，钢棒，消除预应力钢丝等二、预应力混凝土的材料钢绞线钢绞线是用直径5~6mm的高强钢丝捻制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，强度可高达1860MPa。无粘结预应力束钢丝分为冷拉钢丝和消除应力钢丝两种。外形分为光圆钢丝、螺旋肋钢丝、刻痕钢丝三种。极限抗拉强度标准值可达1770N/mm2。钢丝公称直径为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热处理钢筋用热轧螺纹钢筋经过淬火和回火的调质热处理后制成的高强度钢筋，按其螺纹外形分为有纵肋和无纵肋两种。直径为6~10mm，抗拉强度为1470N/mm2。混凝土的一些要求：1、强度高。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，有利于减小构件截面尺寸，以适用大跨度的要求；2、收缩、徐变小，有利于减少收缩、徐变引起的预应力损失；3、快硬、早强。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。三、夹具和锚具夹具：当预应力构件制成后能够取下重复使用的称为夹具；锚具：留在构件上不再取下的称锚具。二者均是依靠摩阻、握裹和承压锚固来夹住或锚住钢筋。对锚具的要求：（1）安全可靠，具有足够的强度和刚度；（2）应使预应力钢筋在锚具内尽可能的不产生滑移；（3）构造简单，便于机械加工制作；（4）使用方便，省材料，价格低。锥形锚具优点：锚固多根平行钢丝束或钢绞线束；缺点：滑移大，不易保证每根应力均匀。常用锚具类型：螺丝端杆锚具优点：操作简单，预应力钢筋基本不发生滑动；缺点：对预应力钢筋长度的精度要求高，不能太长或太短。螺丝端杆锚具镦头锚具(a)张拉端(b)分散式固定端(c)集中式固定端预应力靠镦头的承压力传到锚环，在依靠罗纹上的承压力传到螺帽，再经过垫板传到混凝土构件上。优点：锚固性能可靠，锚固力大，张拉操作方便；缺点：对钢筋钢丝束的长度精度要求高。夹具式锚具预应力靠摩擦力将预拉力传给夹片，夹片依靠其斜面上的承压力传锚环，再由锚环依靠承压力传给构件。梳子板夹具一、预应力钢筋张拉控制应力scon张拉控制应力：预应力钢筋在进行张拉时，所控制达到的最大应力值。其值为张拉设备（千斤顶油压表）所指示的总张拉力除以预应力钢筋截面面积而得到的应力值，以scon表示。它是预应力筋在构件受荷以前所经受的最大应力。张拉控制应力scon取值越高，预应力筋对混凝土的预压作用越大，抵消部分预应力损失，可以使预应力筋充分发挥作用。但scon取值过高，可能会在张拉时引起破断事故，产生过大应力松弛。因此，《规范》规定了张拉控制应力限值[scon]。第三节预应力钢筋张拉控制应力及预应力损失张拉控制应力的大小与施加预应力的方法有关，先张法高于后张法。先张法在台座上张拉钢筋，预应力钢筋中的拉应力就是张拉控制应力scon，施加后混凝土弹性回缩造成预应力筋拉力降低；后张法在混凝土构件上张拉钢筋，张拉的同时混凝土被压缩，张拉控制应力已经扣除混凝土弹性压缩后的钢筋应力。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[scon]是以预应力筋的标准强度给出的，且[scon]可不受抗拉强度设计值的限制。在下列情况下，[scon]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scon的取值过低，影响预应力筋充分发挥作用，《规范》规定scon不应小于0.4fptk。二、预应力损失◆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。采取各种因素产生的预应力损失进行叠加的方法求得总预应力损失。6项预应力损失。由于预应力的通过张拉预应力筋得到，凡是能使预应力筋产生缩短的因素，都将引起预应力损失，主要有：◆锚固损失：锚具变形引起预应力筋的回缩、滑移。◆摩擦损失：在预应力筋张拉过程中，后张法预应力筋与孔道壁之间的摩擦，先张法预应力筋与锚具之间以及折点处的摩擦，也会使张拉应力造成损失。◆温差损失：先张法中的热养护引起的温差损失。◆松弛损失：长度不变的预应力筋，在高应力的长期作用下会产生松弛，会引起预应力损失。◆混凝土的收缩和徐变引起的损失。◆螺旋式预应力钢筋对混凝土的局部挤压损失。（一）、由于锚具变形和预应力钢筋内缩引起的预应力损失（简称锚固损失）sl1（预应力直线钢筋）预应力筋张拉后锚固时，由于锚具受力后变形，锚具、垫板与构件之间的缝隙被挤紧，以及钢筋在锚具中的滑移引起的预应力损失记为sl1。slEla1sa－张拉端锚具变形和钢筋内缩值(mm)，见表10-2；l－张拉端与锚固端之间的距离(mm)；Es－预应力钢筋的弹性模量。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6~8减小sl1的措施：选择锚具变形小或使预应力钢筋内缩小的锚具、夹具，并尽量少用垫板；增加台座长度。后张法计算公式见书P294。（二)、预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦引起的预应力损失sl2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。摩擦阻力由下述两个原因引起，分别计算，然后相加：1）张拉曲线预应力钢筋时，由预应力钢筋和孔道壁之间的法向正压力引起的摩擦阻力；2）预留孔道因施工中某些原因发生凹凸，偏离设计值，预应力钢筋和孔道壁之间将产生法向正压力而引起摩擦阻力。ssskxconxlee111)(con2κ－考虑孔道每米长度局部偏差的摩擦系数；x－从张拉端至计算截面的孔道长度；－预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦系数；－从张拉端至计算截面曲线孔道部分切线的夹角。2.0)(x若)(con2ssxl钢丝束、