第九章-预应力混凝土构件

第九章预应力混凝土构件9.1概述9.1.1预应力混凝土的基本原理一、钢筋混凝土的缺点因为混凝土的抗拉强度太低，导致钢筋混凝土结构中受拉区混凝土过早开裂。当钢筋混凝土应用于大跨度结构时，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。钢筋混凝土构件一般跨度小于15米。如增加钢筋来提高刚度，则钢材的强度得不到充分利用，造成浪费。而采用高强钢筋，按正截面承载力要求可减少配筋，截面抗弯刚度基本与配筋面积成比例降低，故挠度变形控制难以满足。裂缝宽度与钢筋应力基本成正比，一般Ms=(0.6~0.8)My，如配筋按正截面承载力计算，Ms作用下sss=(0.5~0.7)fy。对于HPB335级钢筋，fy=300MPa，sss=150~210MPa，裂缝宽度已达(0.15~0.25)mm。如采用RRB400级高强钢筋，fy=580MPa，则sss=290~406MPa，裂缝宽度已远远超过容许限值。故钢筋混凝土结构限制了高强材料的应用，限制了其用途，如对于要求有防水、防渗漏的钢筋混凝土构件，对于承受疲劳荷载的钢筋混凝土结构均不适用。qk=10kN/mL0跨度为5.2m的简支梁，截面尺寸为200×450mm2作用均布活荷载标准值qk=10kN/m，均布恒荷载gk=5kN/m。二、预应力混凝土的基本原理在钢筋混凝土构件使用（承受使用荷载）以前预先对混凝土受拉区施加压应力的结构称为预应力混凝土结构。由此产生的预压应力可抵消部分或全部荷载产生的拉应力。0pccsstkpccfss0tkpccf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。★宜优先采用预应力混凝土结构：要求裂缝控制等级较高的结构；大跨度或受力很大的构件；对构件的刚度和变形要求较高的结构构件。三、预应力混凝土的优缺点1、优点★抗裂性能提高，刚度增大（因推迟裂缝出现）；★充分利用材料强度，采用高强度混凝土和钢筋；★节约材料，减轻自重；★提高抗剪性能、稳定性能、抗疲劳性能。2、缺点构造、计算和施工均比较复杂，延性较差。一、根据制作不同⑴先张法预应力混凝土先张法是制作预应力混凝土构件时，先张拉预应力钢筋后浇注混凝土的一种方法。⑵后张法预应力混凝土后张法是先浇注混凝土，待混凝土达到规定的强度后再张拉预应力钢筋一种方法。9.1.2预应力混凝土的分类二、根据预加应力值大小对构件截面裂缝控制程度的不同⑴全预应力混凝土构件在使用荷载作用下不允许截面上混凝土出现拉应力，即全截面受压的构件；⑵部分预应力混凝土构件在使用荷载作用下，构件截面混凝土允许出现拉应力或开裂，但对裂缝宽度加以限制。三、根据施工方法不同⑴粘结预应力混凝土指沿预应力筋全长均与周围混凝土粘结、握裹在一起的预应力混凝土结构。⑵无粘结预应力混凝土指预应力筋伸缩、滑动自由，不与周围混凝土粘结的预应力混凝土结构。9.1.3预应力混凝土材料一、混凝土——预应力混凝土要求采用高强混凝土★性能要求：强度高，可以施加较大的预压应力，提高预应力效率，有利于减小构件截面尺寸，以适用大跨度的要求；收缩、徐变小，有利于减少它们引起的预应力损失；快硬，早强；★与钢筋有较大粘结强度，减少先张法预应力筋的应力传递长度；★有利于提高局部承压能力，便于后张锚具的布置和减小锚具垫板的尺寸；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。二、预应力钢筋◆预应力钢筋的强度越高越好。◆在预应力混凝土制作和使用过程中，由于种种原因，预应力筋中预先施加的张拉应力会产生损失，因此，为使得扣除应力损失后仍具有较高的张拉应力，也必须使用高强钢筋（丝）作预应力筋。◆为避免在超载情况下发生脆性破断，预应力筋还必须具有一定的塑性。同时还要求具有良好的加工性能，以满足对钢筋焊接、镦粗的加工要求。◆对钢丝类预应力筋，还要求具有低松弛性和与混凝土良好的粘结性能，通常采用“刻痕”或“压波”方法来提高与混凝土粘结强度。1、中高强钢丝中高强钢丝是采用优质碳素钢盘条，经过几次冷拔后得到。中强钢丝的为800~1200MPa，高强钢丝的强度为1470~1860MPa。钢丝直径为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2、钢绞线钢绞线是用2、3、7股高强钢丝扭结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，通常用于无粘结预应力筋，强度可高达1860MPa。2股和3股钢绞线用途不广，仅用于某些先张法构件，以提高与混凝土的粘结强度。无粘结预应力束3.预应力螺纹钢筋也称精轧螺纹钢筋，是用热轧、轧后余热处理或热处理工艺制作成带有不连续无纵肋的外螺纹的直条钢筋，该钢筋在任意截面处均可带有匹配的内螺纹的连接器或锚具进行连接或锚固。直径为18~50mm，具有高强度、高韧性等特点。预应力钢筋9.1.4施加预应力的方法一、先张法工序：①预应力钢筋就位；②张拉钢筋；③临时固定钢筋，浇注混凝土并养护；④放松钢筋，钢筋回缩，混凝土受预压。当混凝土强度达到设计强度的75%以上时，放松钢筋，将钢筋的回弹力通过钢筋与混凝土粘结力传递给混凝土。适用于中小型构件，大批量生产。★预应力钢筋一般采用高强钢丝，直径较小的钢绞线及直径较小的冷拉钢筋，可获得较好的自锚力。★制作设备有台座，因承受预应力筋巨大的回弹力，故需要有足够的强度、刚度和稳定性；拉伸机；传力架夹具。★锚固方法：通过钢筋预混凝土的粘结力，其端头力比中央小。★优点：张拉工序简单、不需放置永久性锚具、可以批量生产。★缺点：需成批钢模，养护池，一次性投资大；适用于直线型面筋，对于曲线布置较困难。★适用于中小型构件，大批量生产。二、后张法当混凝土强度达到设计强度的100%时，才可张拉预应力钢筋。在张拉钢筋的同时压缩混凝土，通过两端锚具传递预应力。★当混凝土强度达到设计强度的100%时才可张拉钢筋。★锚固方法：通过两端锚具传递预应力。★优点：后张法直接在构件上张拉，可布置钢筋的形状多样；适用于现场制作，块体拼接，特殊结构。★缺点：永久性锚具量大;工序复杂，施工周期长，造价高。★适用于大中型构件，单独成型现场制作。为了减少以上缺点，目前有一种方法——后张法无粘结预应力施工技术。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有粘结预应力钢筋9.2预应力混凝土构件计算中的几个基本概念9.2.1张拉控制应力在张拉预应力筋对构件施加预应力时，张拉设备（千斤顶油压表）所控制的总张拉力Np,con除以预应力筋面积Ap得到的应力称为张拉控制应力scon。◆它是预应力筋在在构件受荷以前所经受的最大应力。pconpconAN,s◆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，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]。◆张拉钢筋应力的数值与钢筋的种类和施加预应力的方法有关。塑性好的钢筋张拉控制应力可取得高些，塑性差好的钢筋张拉控制应力可取得低些；后张法构件的张拉控制应力比先张法低些。注：①冷拉钢筋的张拉控制应力不应小于0.5fptk，其余钢筋不应小于0.4fptk。②表中允许值在进行超张拉时允许提高5%。钢筋种类con预应力钢丝、钢绞线热处理钢筋预应力螺纹钢筋≤0.75fptk≤0.70fptk≤0.85fptks张拉控制应力9.2.2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。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。一、张拉端锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失sl1二、预应力钢筋与孔道壁之间摩擦引起的预应力损失sl2三、混凝土加热养护时预应力钢筋与张拉台座之间温差引起的预应力损失sl3四、预应力钢筋松弛引起的预应力损失sl4五、混凝土收缩徐变损失sl5六、环形预应力钢筋对混凝土挤压引起的预应力损失σl6，当直径≤3m时，630MPals9.2.3预应力损失的组合预应力混凝土构件从预加应力开始即需要进行计算，而预应力损失是分批发生的。因此，应根据计算需要，考虑相应阶段所产生的预应力损失。⑴混凝土预压前完成的损失slI；⑵混凝土预压后完成的损失slII。根据上述预应力损失发生时间先后关系，具体组合见表。预应力损失组合先张法后张法第一批损失slIsl1+sl2+sl3+sl4sl1+sl2第二批损失slIIsl5sl4+sl5+sl6考虑到预应力损失计算的误差，在总损失计算值过小时，产生不利影响，《规范》规定当总损失值sl=slI+slII小于下列数值时，按下列数值取用，先张法构件100后张法构件802/mmN2/mmN9.2.4减少预应力损失的措施①选择变形小或预应力钢筋滑动小的的锚具夹具，尽量少用垫板，增加先张法台座长度，以减少值；②采用高标号水泥，减少水泥用量，降低水灰比；采用级配较好的混凝土加强振捣，提高混凝土密实性；加强养护，以减少值；③钢筋放张时混凝土的实际立方体强度值不能定得太低，并使得混凝土的预压应力和不大于0.5④对预应力钢筋进行超张拉，以减少钢筋应力松弛所引起的预应力损失；⑤采用合适的施工工艺，如对预应力筋进行两端张拉；加热养护采用“两阶段养护”，即先在常温下养护,使混凝土达到一定强度后，再升温至规定的温度下进行养护，从而可减少由温差和摩擦引起的预应力损失。pcssl1sl5'pcs'cuf9.3预应力混凝土轴心受拉构件的计算预应力混凝土的计算分两部分一、使用阶段计算⑴承载力计算。对于预应力轴心受拉构件，应进行正截面受拉承载力计算；对于预应力受弯构件，应进行正截面受弯承载力和斜截面受剪承载力计算。⑵裂缝控制验算。对于正常使用阶段不允许开裂的构件，应进行抗裂验算；对于允许开裂的构件，则应进行裂缝宽度验算。⑶变形验算。对预应力受弯构件，应进行挠度验算。二、施工阶段验算预应力混凝土构件在制作、运输和安装等施工过程中，应对其承载力和抗裂性进行验算。9.3.1预应力混凝土轴心受拉构件的应力分析一、换算截面面积与净截面面积预应力混凝土构件的钢筋包括预应力钢筋Ap和非预应力钢筋As。预应力混凝土轴心受拉构件中，钢筋一般对称布置，预应力钢筋位于构件中部。⑴换算截面面积Ao换算截面指将钢筋和混凝土两种不同材料组成的截面，根据应变相等原则换算成相应的纯混凝土截面。A0=Ac+apAp+asAs⑵净截面面积An净截面指换算截面面积减去全部预应力钢筋截面面积换算成混凝土的截面面积。An=Ac+asAs①混凝土预压前，完成第一批损失lconpsss浇注混凝土但不受力0pcs0ss二、先张法构件⑴施工阶段②放松钢筋放松钢筋，依靠钢筋与混凝土之间的粘结力，混凝土受压缩短，钢筋也缩短。pcESssasspcIpcElconpsasss根据力的平衡条件spcESppcElconssppcpcAAAAAsasasssssplconsESpEpcAAAAcssaasopoplconpcANAAsss施工阶段强度设计依据，即施工阶段混凝土最大应力③混凝土受到预压应力，完成第二批损失5lpcESsssaspcElconpsasss根据力的平衡条件ppcElconslspcEScpcAAAAsassssas5slplconsESpEpcAAAAAc5sssaasoslposlplconpcAANAAA55sssss有效预压应力spcII⑵使用阶段①加荷至混凝土应力为零，混凝土受力过程：受压→0→受拉→破坏；②加荷至混凝