《精编》预应力混凝土结构工程概述

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1、第四章预应力混凝土工程 第一节概述 一 什么是预应力 普通钢筋混凝土的抗拉极限应变只有0 0001 0 0015 在正常使用条件下受拉区混凝土开裂 构件的刚度小 挠度大 要使混凝土不开裂 受拉钢筋的应力只能达到30Mpa 对允许出现裂缝的构件 当裂缝宽度限制在0 2 0 3mm时 受拉钢筋的应力也只能达到200Mpa左右 为了克服普通钢筋混凝土过早出现裂缝和钢筋不能充分发挥其作用这一矛盾 人们创造了对混凝土施加预应力的方法 即在结构或构件受拉区域 通过对钢筋进行张拉后将钢筋的回弹力施加给混凝土 使混凝土受到一个预压应力 产生一定的压缩变形 当该构件受力后 受拉区混凝土的拉伸变形 首先与压缩变形

2、抵消 然后随着外力的增加 混凝土才逐渐被拉伸 明显推迟了裂缝出现时间 预应力混凝土的优点 能提高钢筋混凝土构件的刚度 抗裂性和耐久性 可有效地利用高强度钢筋和高强度等级的混凝土 与普通混凝土相比 在同样条件下具有截面小 自重轻 质量好 材料省 要节约钢材20 40 并能扩大预制装配化程度 1 混凝土发展过程 素混凝土 钢筋混凝土 预应力混凝土2 预应力的优点 截面小 重量轻 刚度大 抗裂性 耐久性好 节约钢材 在较大跨度结构中 综合经济效益好 3 预应力筋的种类 冷拔低碳钢丝 直径 3 5 冷拉钢筋 碳素钢丝 直径 3 8 钢绞线 由6根碳素钢丝缠绕而成 热处理钢筋 直径 6 10 精轧螺纹钢

3、筋 直径 25 32 4 对混凝土的要求混凝土强度等级一般不低于C30 当采用碳素钢丝 钢绞线 V级钢筋 热处理 作预应力时 混凝土强度等级不宜低于C40 第二节先张法 一 先张法施工设备 一 台座组成 台面 横梁 承力结构 分为 墩式台座 槽式台座 桩式台座等 1 墩式台座 以混凝土墩作为承力结构的台座称为墩式台座 一般用于生产中小型构件 1 墩式台座分类 简易墩式台座 重力墩式台座 构架式台座 计算简图 2 墩式台座计算要点 M 抗倾覆力矩M G1l1 G2l2M 倾覆力矩M T 1 抗倾覆系数 稳定性验算 抗倾覆 抗滑移的能力 A 抗倾覆验算 B 抗滑移验算 T 抗滑移能力 T N F

4、u G1 G2 摩擦力N 台面抵抗力P 张拉力合力 强度验算 支承横梁的牛腿 按柱子的牛腿计算配筋 墩式台座与台面接触的外伸部分 按偏心受压构件计算 台面按轴心受压构件计算 横梁按承受均布荷载的简支梁计算 2 槽式台座 用于张拉力和倾覆力矩较大的构件生产 二 张拉机具和夹具 1 钢丝的夹具和张拉机具 1 钢丝夹具 锚固夹具 锥形 楔形 张拉夹具 偏心式 钳式 楔形 墩头锚具 采用冷墩形成 2 张拉机具 要求 简易可靠 准确控制钢丝的拉力 稳速增大拉力 种类 A 卷扬机张拉 弹簧测力 杠杆测力 B 电动螺杆张拉机张拉 构造简单 体积小 重量轻 操作灵活 移动方便 2 钢筋的夹具和张拉机具 1 钢

5、筋夹具 锚固夹具 工具式螺杆 螺丝端杆锚具 穿心式夹具 自锚 墩头锚固 d22mm加热锻打 张拉夹具 压销式 穿心式 2 钢筋张拉机具油压千斤顶 拉伸机 穿心式千斤顶 电动螺杆张拉机 螺丝端杆锚具 二 先张法施工工艺 工艺流程图 一 张拉 1 张拉控制应力和超张拉最大应力 张拉控制应力 规范规定 冷拉钢筋0 9fPYK冷拔低碳钢丝0 70fPUK碳素刻痕钢丝 钢绞线0 75fPUK 超张拉最大应力冷拉钢筋0 95fPYK其它0 75fPUK 2 张拉程序 3 张拉顺序 1 多根同时张拉 2 单根张拉 二 混凝土的浇筑与养护 1 浇筑要求 同一生产线的构件应一次浇筑完毕 构件应避开温度缝 振捣时

6、不应碰撞钢丝 叠层生产时 下层混凝土强度达5MPa 方可浇筑上层构件 混凝土的水灰比应严格控制 振捣应密实 2 养护 自然养护 湿热养护 三 预应力筋放张 1 放张要求 混凝土强度应大于75 C设 重叠生产指最上层构件 放张过程中 应使预应力构件自由伸缩 避免过大的冲击与偏心 同时还应使台座承受的倾覆力矩及偏心力减小 保证预应力筋与混凝土之间的粘结 2 放张方法 钢丝 数量少 逐根放张 数量多 同时放张 粗钢筋 数量少 逐根加热熔断 数量多 同时放张 3 放张顺序 轴心受压构件 同时放张 偏心构件 先同时放张预应力较小区域内的预应力筋 再同时放张预应力较大区域内的预应力筋 如不能满足上述要求

7、应分阶段 对称 相互交错进行放张 注意 放张时 应拆除侧模 第三节后张法施工 1 定义 制备留有孔道的混凝土构件 混凝土达到设计规定强度后 穿筋并用张拉机具张拉钢筋至设计规定应力值 借助锚具把预应力筋锚固在构件端部 最后 孔道灌浆 这种预加应力的方法称为后张法 2 特点 混凝土的弹性压缩对预应力值的建立无直接影响 锚具不能重复使用 成本高 工艺比较复杂 构件制作 留孔 穿筋 张拉 灌浆 可拼装预制构件 现场拼装 3 适用范围 现场制作大型构件 避免大型构件运输的麻烦 4 生产过程 1 构件生产阶段 2 预加应力阶段 包括锚具 预应力筋制作 张拉 灌浆等 对锚具的要求 尺寸准确 不致产生预应力筋

8、的滑移 有足够刚度和强度 一 锚具和预应力筋的制作 常见预应力筋类型 单根钢筋 直径大于12毫米 钢筋束与钢绞线束 钢丝束 1 锚具张拉端 螺丝端杆锚具 固定端 帮条锚具或墩头锚具 1 螺丝端杆锚具组成 螺丝端杆 螺母 垫板 2 帮条锚具组成 帮条 衬板 3 镦头锚具直接在钢筋端部用热镦 冷镦 锻打成型 4 级精轧螺旋钢筋直径有25和32两种 一 单根预应力筋的锚具及制作 2 预应力筋的制作 1 制作 包括配料 对焊 冷拉等工序 2 下料长度计算 锚具特点 螺丝端杆外露在孔道外的长度为120 150mm 帮条 镦头视锚具尺寸而定 对焊接头 每个对焊接头的压缩量约等于钢筋直径 钢筋冷拉率 实际测

9、定作为下料依据 弹性回缩率 冷拉后的回缩值与冷拉完成时的长度的比值 一般为0 3 左右 1 两端用螺丝端杆锚具时 预应力筋的成品长度L1 冷拉后的全长 为 预应力筋中钢筋冷拉完成后的长度为L0 预应力筋中的钢筋冷拉前的下料长度L为 式中 构件的孔道长度 螺丝端杆伸出构件外的长度 螺丝端杆的长度 一般为320mm 预应力筋的冷拉率 预应力筋的冷拉弹性回缩率 n 对焊接头数量 每个对焊接头的压缩量 2 一端用螺丝端杆 另一端用帮条锚具时 预应力筋的成品长度 预应力筋中的钢筋冷拉完成后的长度 预应力筋中的钢筋下料长度 二 钢筋束 钢绞线束预应力筋的锚具及制作 1 锚具 1 JM12型锚具楔块原理可锚

10、具多根预应力筋既可作张拉端锚具 又可作固定端锚具 JM12型锚具构造 2 KT Z型锚具 可锻铸铁锥形锚具 用于螺纹钢筋束和钢绞线束 3 XM型锚具 可锚固 钢绞线束钢丝束单根预应力筋多根预应力筋 2 预应力筋制作 1 制作工序 开盘 下料 编束 2 下料长度计算 与张拉设备和选用的锚具有关 三 钢丝束预应力筋的锚具及制作 1 锚具 1 钢质锥形锚具适用于6 12 18 24根直径5mm碳素钢丝 2 钢丝束镦头锚具用于锚具12 54根直径5mm碳素钢丝的钢丝束 3 锥形螺杆锚具适用于14 16 20 24 28根直径5mm的钢筋束 2 钢丝束的制作 1 制作程序 调直 下料 编束 安装锚具 2

11、 下料长度计算 用钢质锥形锚具锚固的钢丝束 下料长度计算同钢筋束 用镦头锚具锚固的钢丝束 下料长度与A型 B型锚具以及一端张拉或两端张拉有关 用锥形螺杆锚固的钢丝束 应在非应力状态下料 二 后张法施工工艺 一 孔道留设 1 要求 1 孔道尺寸 位置应正确 孔道要平顺 2 端部的预埋钢板应垂直于孔道中心线 3 孔道直径取决于预应力筋和锚具 保证预应力筋穿入 2 施工方法 1 钢管抽芯法 适宜于留设直线孔道 方法 在需留设孔道处预埋钢管 在混凝土浇筑 养护中定期慢转钢管 以防粘结 待混凝土初凝后 终凝前抽出钢管 形成孔道 施工时应注意的问题 钢管应平直 光滑 埋前应出锈 刷油 位置正确 每根长度小

12、于15米 以便于旋转 抽管 恰当掌握抽管时间早 坍孔 晚 抽管难 抽不出来 一般在初凝后终凝前 手指按压混凝土不粘浆又无明显印痕时 则可抽管 常温下 一般3 6小时即可抽管 抽管顺序和方法先上后下 边抽边转 速度均匀 与孔道保持在同一直线 2 胶管抽芯法 适宜于留设直线孔道 曲线孔道 折线孔道等 方法 在孔道留设处 安放胶管 内充气或水 钢丝网胶管 浇筑混凝土 养护 初凝后 通过放气 水 或直接拉 形成孔道 施工时应注意的问题 长度20 30米以内整根管 一端抽出 较长时在中间接长 接头处应防漏气 漏水 抽管顺序 先上后下 先曲后直 3 预埋波纹管法 适宜于曲线孔道 方法 波纹管直接埋设在需留

13、设孔道处 不再抽出 施工时应注意的问题 使用前应作灌水试验 检查有无渗漏 连接用大一号波纹管 接长时 固定 用钢筋卡子 并用铁丝绑牢 避免反复弯曲 高架桥预应力混凝土梁拆除场景 二 预应力筋的张拉 核心问题 预应力筋的应力控制 1 张拉控制应力和超张拉最大应力 1 张拉控制应力 预应力钢材品种先张法后张法碳素钢丝 刻痕钢丝 钢绞线0 750 70热处理钢筋 冷拔低碳钢丝0 700 65冷拉钢筋0 900 85 2 超张拉最大应力 冷拉钢筋 软钢 0 95钢丝 钢绞线 热处理钢筋 硬钢 0 75 2 预应力损失 孔道摩擦损失 锚固损失 钢筋应力松弛损失 混凝土收缩徐变损失 受张拉的钢筋与承受拉力

14、的设备之间的温差引起应力损失 各阶段预应力损失值的组合 先张法 后张法 混凝土预压后的损失 第二批 混凝土预压前的损失 第一批 先张法 后张法 3 张拉程序 根据构件类型 张锚体系 松弛损失取值等因素确定 超张拉5 目的 主要是减少钢筋松弛 混凝土弹性压缩 锚具变形和孔道摩擦等所引起的应力损失 超张拉3 目的 主要是弥补设计或施工中不可预见的损失 持荷2分钟目的 主要是为了加速钢筋松弛的早发展 4 张拉力计算 1 全部筋一次张拉 M 超张拉百分率 2 同一构件分批张拉设 分两批张拉 则第一批的张拉应力为 式中 设计控制应力 即第二批预应力筋的设计控制应力 钢筋与混凝土的弹性模量比值 第二批预应

15、力筋张拉时 在已张拉预应力筋重心处产生的混凝土法向应力 其中 第一批预应力损失 Ap 预应力筋截面面积 第一批总截面面积 An 混凝土净截面面积 第一批张拉力 第二批张拉力 例题 24m预应力折线形屋架 混凝土强度等级为C40 Ec 3 25 104MPa 下弦净截面面积An 456cm2 下弦配制4根直径25的预应力筋 单根预应力筋截面面积Ap 4 91cm2 钢筋弹性模量Es 1 8 105MPa 张拉控制应力 单根预应力筋的张拉力 按设计规范计算得第一批预应力损失为 采用对角线对称分两批张拉 则第二批两根预应力筋的张拉控制应力为425MPa 单根预应力筋的张拉力为209KN 第一批预应力

16、筋的张拉控制应力和张拉力计算如下 单根钢筋张拉力 5 张拉注意事项 1 混凝土强度要求 张拉时应符合设计要求 若设计无要求时 不应低于70 C设计 块体拼装 立缝处混凝土或砂浆强度 不应低于15MPa或40 C设计 2 多根预应力筋张拉 当不可能同时张拉时 宜分批 分阶段 对称地张拉 3 重叠多层张拉 现场生产构件 重叠多层构件中预应力的施加 其损失自上而下逐层增加 重叠构件张拉宜先上后下 超张拉应力依次增加 4 张拉方式的影响 主要是克服 减小摩阻力的影响 一端张拉 构件长度小于24米的直线预应力筋 两端同时张拉 构件长度大于24米或曲线预应力筋 三 孔道灌浆1 作用 保护预应力筋 防锈 使预应力筋与混凝土结构形成整体 2 要求 孔道用灰浆应满足强度 粘结力 流动性 干缩性 泌水性要求 灌浆前 混凝土孔道应用压力水冲刷干净并湿润孔壁 灌浆时 水泥浆应缓慢均匀地泵入 不得中断 灌浆顺序应先下后上 以免上层孔道漏浆而将下层孔道堵塞 后张法预应力施工工艺 有粘结 预应力筋与混凝土之间灌浆成永久性粘结 无粘结 预应力筋与混凝土之间可永久性相对滑动 无粘结预应力施工方法是后张法预应力混凝土的发