第12章-预应力砼的概念及其材料

第二篇预应力混凝土结构PrestressedConcreteStructure第12章预应力混凝土结构概念及其材料一、普通钢筋混凝土的缺点1、混凝土的抗拉强度和极限拉应变很小：混凝土临近拉裂时，受拉钢筋应力σs＝20～30Mpa为了利用钢筋的强度，正常工作时就得允许开裂。开裂引起构件刚度显著下降，使变形（挠度）过大。当钢筋的拉拉力σs=200Mpa时，裂缝宽度有较大的开展，已不满足裂缝宽度要求。对某些不允许开裂的结构如水池、油罐、恶劣环境下的结构是不适应的。§1概述tkcktucu(1/81/20(1/201/30ff～）～）2、大跨度结构采用普通钢筋混凝土梁时，为满足构件强度、变形、裂缝控制的要求，需加大截面尺寸，但又使构件自重进一步增大，造成安装困难，材料浪费，或造型不协调。3、当采用高强钢筋、高强混凝土时，由于裂缝宽度控制在0.2mm，而高强钢筋的弹性模量与普通钢筋相当，此时钢筋、混凝土的工作应力与普通钢筋、普通混凝土差别不大，高强材料的优势无法体现。由于普通钢筋混凝土结构无法改善构件使用性能，也无法有效利用高强材料，有必要发展一种新的工艺方法——预应力混凝土结构。1、生活中有关预应力的例子二、预应力的基本概念2、预应力的工作原理在混凝土结构承受外荷载之前，预先对其在外荷载作用下的受拉区施加预压应力，以改善结构使用性能，这种结构形式称为预应力混凝土结构。NpNpPPNpNpPP拉压压压拉-压+拉-压+下面以简支梁为例，说明预应力混凝土结构的基本原理：或预应力的作用可部分或全部抵消外荷载产生的拉力，从而提高构件的抗裂性。（分解）应力叠加：NpNpPPNpNpPP拉消压压σkcσktσkc+σpt+--σptσpca)σkt+σpc＞0+c)b)a）+++-b)σkt+σpc=0c)σkt+σpc＜0下缘：教材例题说明：28qLM跨中最大弯距zMyMIW，截面应力＝或＝，截面上、下缘应力为：32kcz26()126MbhbhIWbh上缘：压应力）（，26ktMbh下缘：（拉应力）ppp3,hMNe=N6h假设从中性轴下方施加预加力，偏心距，在Np单独作用下，截面上、下缘产生的应力为：ppppt22z3316()/60NNeMMhAWbhhbh上缘②①ppppc22z33316()/66NNeMMhAWbhhbhMbh下缘（压）②①+②：26Mbh上缘：（压）0下缘：（抵消了——称为“消压”）此时截面下缘没有拉应力，截面不会开裂，梁能以全截面参加工作。若Np作用点下移，工作阶段还有剩余压应力。注意点：控制Np大小；控制ep大小；曲线布筋更合理。三、预应力混凝土结构与普通混凝土结构相比,其主要优点是：①提高构件的抗裂度和刚度，减少构件的变形，构件具有良好的裂缝闭合能力，增加了结构的耐久性，提高了抗疲劳能力，改善了构件的受力性能；②使用高强混凝土和高强钢筋，节省材料并减小构件尺寸，减轻自重，有利于建造大跨度桥梁或重荷载结构；③减小梁的竖向剪力和主拉应力，提高了抗剪能力；④施加预应力过程是对结构作了一次检验，有利于保证质量；⑤促进桥梁体系的发展，施工手段的创新。缺点：①生产工艺较复杂，对施工质量要求高；②需要一定的专业设备；③预应力混凝土结构的开工费用较大，施工周期长。除在桥梁工程采用外，路基边坡治理、库岸斜坡治理中也广泛应用（如预应力锚杆、预应力锚索）地锚加固斜坡国道318线二郎山隧道出口-2004/3/20预应力锚索框格粱加固边坡预应力空心板（先张法）预应力I形组合梁（后张法，桥面现浇）预应力连续刚构桥预应力连续刚构桥施工预应力连续刚构桥施工（挂篮节段浇筑施工）四、加筋混凝土结构的分类定义：加筋混凝土结构——混凝土内配了纵筋的结构《桥规》的分类——根据预应力度λ划分pcst＝σpc——扣除全部应力损失后，预加力在构件抗裂边缘产生的预压应力；σst——由作用（或荷载）短期效应组合产生的在构件抗裂边缘的法向拉应力。对受弯构件，预应力度定义如下：0s0pc0MMMW＝M0——消压弯距，使构件截面受拉区边缘预压应力恰好抵消为0的弯矩值；Ms——按作用（或荷载）短期效应组合计算的弯矩值；W0——构件换算截面对抗裂边缘（或受拉边缘）的弹性抵抗矩。加筋结构根据λ可分为三种：①λ≥1，全预应力混凝土构件指在荷载短期效应组合下，构件截面的受拉边缘不允许出现拉应力（即不得消压）②0＜λ＜1，部分预应力混凝土构件指在荷载短期效应组合下，构件截面的受拉边缘允许出现拉应力。对拉应力加以限制时——部分预应力混凝土A类构件（拉而不裂）；拉应力超过限值或出现不超过限定的裂缝宽度时——部分预应力混凝土B类构件（裂而有限）③λ＝0，普通钢筋混凝土构件——无预加力全预应力混凝土构件具有抗裂性和抗疲劳性好、刚度大等优点，但也存在构件反拱值过大，延性差，预应力钢筋配筋量大，施加预应力工艺复杂、费用高等缺点。适当降低预应力，做成部分预应力混凝土构件，既克服了全预应力上述的缺点，同时又可以用预应力改善钢筋混凝土构件的受力性能。部分预应力混凝土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。部分预应力混凝土尤其是B类构件，应有选择地使用，跨径大于100m的桥梁的主要受力构件以及侵蚀物质严重影响的环境，不宜采用。（摘自《桥规》第6.1.2条条文说明）§2预加应力的方法与设备一、预加应力的主要方法①先张法：先张拉钢筋，后浇筑构件混凝土的施工方法。先张法构件中，预应力是靠钢筋和混凝土之间的粘结力传递。但是这种力的传递过程，需要经过一段传递长度ltr才能完成。主要工序：建造张拉台座→张拉钢筋并临时锚固→浇筑混凝土制作构件→养生→放松钢筋预应力传递：通过预应力筋与混凝土之间的粘结力先张法②后张法：先浇筑构件混凝土，后张拉钢筋的施工方法。后张法构件中，预应力主要靠钢筋端部的锚具来传递给粱体。主要工序：制作构件并预留管道→混凝土养生达到强度→张拉钢筋并锚固→管道注浆预应力传递：锚具等思考：钢筋的预拉力怎么转换为粱体砼的预压应力？后张法pcp应解决锚具下混凝土局部承压问题无粘结预应力混凝土★锚具的可靠性★高强钢筋的可靠度★一定要有非预应力筋后张法注意事项③电热张拉法：利用热涨冷缩原理，对钢筋通电（低电压强电流）使其发热伸长，达到设计要求时断电，钢筋冷却后张紧。适用于预应力钢筋为冷拉钢筋的一般构件。圆形水池、油罐有应用。抗裂度较严的构件以及金属管道作预留孔道的构件，不应采用该法。电热张拉法较少使用。先张法优点：工序少，工艺简单，批量生产效率高，质量容易保证，少耗费昂贵锚具，张拉台和临时锚具可重复使用。先张法缺点：需建张拉台座，基建投资大，所以适宜大批量生产；构件一般只能采用直线配筋，较适合制作中小构件。后张法优点：无需建专门的张拉台座，适宜于现场进行张拉或在桥位上就地张拉，预应力钢筋可以按预留孔道形状布置成曲线形，配合弯矩和剪力变化布置。施工安排较为灵活，适应桥梁新技术发展。多用于大跨度桥梁。后张法缺点：施工工序多，增加了预留孔道、穿筋、灌浆、封锚等工序，操作麻烦，消耗锚具量大，成本较高。二、预应力施工的主要设备与机具台座（或地锚）、锚具、千斤顶、制孔器、压浆机1、锚具夹具——先张法中构件制成后锚具可取下来重复使用，称～锚具——留在构件中不再取下的称锚具。锚具是保证预应力的关键装置。锚具种类很多，新的锚具还不断出现。（2）锚固的基本原理①靠锲作用产生的摩擦力夹紧。借助钢筋回缩带动锚锲（夹片）而将钢筋夹紧锚固；②通过力筋端部加工出的镦头或螺帽直接承压，依靠承压锚固；③上述两种原理的结合；（1）④利用力筋与混凝土之间的粘结力锚固，如先张法锚固、压花锚具。（3）设计、制造和选择锚具时，应遵守以下要求：①安全可靠，有足够的强度、刚度；②预应力筋尽可能不产生滑移，传力可靠，引起的预应力损失和锚具附近的局部压应力要小；③构造简单，制作方便，节约钢材；④张拉操作方便、迅速，设备简单；⑤根据设计采用的预应力筋种类，预压力大小，及布束需要，选择锚具体系。各种锚具有不同的使用范围——数量：固定单根、多根；钢筋类型：固定钢丝、钢铰线、粗钢筋等（4）工程中常用锚具1）摩阻型锚固锥形锚具夹片式锚具JM12锚具弗莱西奈锚具VSL体系锚XM、QM锚具张拉端锚具（带喇叭管）扁形夹片锚具（用于空心板梁）2）承压型锚固(a)张拉端(b)分散式固定端(c)集中式固定端镦头锚钢筋螺纹锚具3）粘结锚固压花锚具（见图12—9）4）固定端锚具挤压锚具（P型），图12—8压花锚具（H型），图12—9下面的锚具也用于固定端：5）连接器见图12—10以上器材按国标《预应力筋用锚具、夹具和连接器》（GB/T14370—93）标准进行验收2、千斤顶3、制孔器后张法的预留孔道是用制孔器做成的：橡胶抽拔管；金属波纹管。金属波纹管根据需要配合使用穿索机4、水泥浆及压浆机见教材p223§3预加应力的材料一、混凝土要求1、强度高。减小构件截面尺寸，充分发挥钢筋的抗拉强度；2、收缩、徐变小。以减小因收缩、徐变引起的预应力损失；3、快硬、早强。可尽早施加预应力，加快台座、锚具、夹具的周转率。预应力混凝土构件的混凝土强度等级不低于C40。二、钢筋要求1）强度高；2）具有较好的塑性和焊接性能；3）与混凝土之间能较好地粘结；4）应力松弛损失低。1、对预应力钢筋的要求2、常用预应力钢筋种类1）钢铰线：绞线机上以一根直径稍粗的钢丝为芯丝，其余钢丝围绕其绞捻成束而成。使用非常广泛。常用7φ4、7φ5两种。2）钢丝：光面钢丝、刻痕钢丝、螺旋肋钢丝。3）精轧螺纹钢筋：专用于中、小构件，或竖、横向预应力钢筋。4）冷拉钢筋：基本不用已淘汰，冷拉Ⅳ级钢筋允许使用库存货。光面钢丝与混凝土粘结力较差，容易产生钢丝滑移，所以不用于先张法构件。3、预应力混凝土构件中的普通钢筋常用HRB335、HRB400级。三、混凝土的收缩、徐变系数收缩、徐变使预应力钢筋发生应力损失1、徐变的计算在一般情况下，桥梁结构中混凝土的持续应力都小于0.5fcd，这时，结构不会因徐变造成破坏，且可按线形关系来计算徐变变形：ceεc——要计算的徐变应变值εe——加载σc时的瞬时弹性应变（急变）φ——徐变系数，又记为φ(t，t0)，称为“加载时砼龄期为t0，计算时刻龄期为t的砼徐变系数”由上式可知：只要知道φ(t，t0)，就可以计算σc作用下的徐变系数εc。φ(t，t0)是随时间变化的参数，其数值按《桥规》附录F计算。（12—1）00c00RHcm00RH1/30cm0.5cmcm000.2010.301c0H0118H00(,)()()()110.46()5.3()()1()0.1()()()()15011.22501500ttttftRHRHhhffftttttttttttRHhRHh《桥规》的计算方法源自1990年《CEP-FIP模式规范》。徐变系数基本公式：返回（12—2）（12—3）（12—4）（12—5）（12—6）（12—7）（12—8）表12—1收缩应变公式相同。（12—3）12—1分阶段施工或结构体系转换过程中，当需要计算阶段徐变系数时，按下列步骤进行：1、由式（12—8）计算出βH；2、根据计算龄期t、加载龄期t0、βH，由公式（12—7）计算徐变发展系数βc(t-t0)；3、查表得名义徐变系数φ0值，由公式（12—2）计算出徐变系数φ(t,t0)。上述步骤计算出给定时刻t的徐变系数φ(t，t0)。对一般硅酸盐水泥或快硬水泥，徐变终值φ(tu,t0)可按规范提供的数值取用，见下张。（该法一般可满足公路桥梁设计）表12—3scs0