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1、一、钢筋混凝土的缺欠,跨度为5.2m的简支梁,截面尺寸为200450mm2,作用均布活荷载标准值qk=10kN/m,均布恒荷载gk=5kN/m。,9.1 预应力混凝土的概念, 产生上述问题原因主要是因为混凝土的抗拉强度太低,导致受拉区混凝土过早开裂,截面抗弯刚度显著降低。 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。 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。 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=(0.60.8)M
2、y,如配筋按正截面承载力计算,Ms下sss=(0.50.7)fy。对于级钢筋,fy =300MPa,sss=150210MPa,裂缝宽度已达(0.15 0.25) mm。如采用级高强钢筋,fy=580MPa,则sss= 290 406 MPa,裂缝宽度已远远超过容许限值。,二、预应力的基本概念,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。,先张法,9.2 施加预应力的方法,后张法,后张法
3、,无粘结预应力混凝土,锚具的可靠性 高强钢丝的可靠度,一、截面应力计算,9.3 预应力混凝土的基本受力分析,二、截面受力特点,受荷以前,受荷以后,预应力混凝土受弯构件是依靠内力臂的变化来抵抗外弯矩的作用,在受力过程中预应力筋一直承受较大的拉力Np,而截面混凝土则一直主要承受压力C。 钢筋混凝土受弯构件开裂后,内力臂基本保持不变,而钢筋拉力T和压区混凝土的压力C随弯矩增长而不断增大。 预应力混凝土的这种受力特点,充分利用了钢筋抗拉强度和混凝土抗压强度高特性,可以使得高强度材料强度高的性能得以发挥。,三、平衡荷载概念,取,r,当w=gk时,曲线预应力筋对混凝土产生横向分布压力恰好抵消梁均布恒荷载g
4、k。 按这种方法设计的预应力混凝土结构称为平衡荷载法。,一、预应力钢筋 预应力钢筋的强度越高越好。 而且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。,9.4 预应力混凝土的材料及锚夹具,1、冷拉低合金钢筋 通常将级热轧钢筋经冷拉后作为预
5、应力筋,抗拉强度可达580MPa。 为解决粗直径钢筋的连接问题,钢筋表面轧制成不带纵向肋的精制螺纹,可用套筒直接连接。 但随着近年来高强钢丝和钢绞线的大量生产,这种预应力筋的应用已很少。,2、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8001200MPa, 高强钢丝的强度为14701860MPa。 钢丝直径为39mm。 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。,消除应力钢丝:钢丝经冷拔后,存在有较大的内应力,一般都需要采用低温回火处理来消除内应力。消除应力钢丝的比例极限、条件屈服强度和弹性模量均比消除应力前有所提高,塑性也有所改善。
6、,3、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9.515.2 mm,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,4、热处理钢筋 用热轧中碳低合金钢经过调质热处理后制成的高强度钢筋,直径为610mm,抗拉强度为1470MPa。,除冷拉低合金钢筋外,其余预应力筋的应力-应变曲线均无明显屈服点,采用残余应变为0.2%的条件屈服点作为抗拉强度设计指标。,二、混凝土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,提高预应力效率
7、; 有利于减小构件截面尺寸,以适用大跨度的要求; 具有较高的弹性模量,有利于提高截面抗弯刚度,减少预压时的弹性回缩; 徐变较小,有利于减少徐变引起的预应力损失; 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; 强度早期发展较快,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,降低间接费用 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、锚具和夹具,夹片式锚具, 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
8、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。 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。,9.4 张拉控制应力和预应力损失,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0.05 fptk: 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
9、的预应力筋; 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0.4 fptk。,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。,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
10、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。 混凝土的收缩和徐变引起的损失 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。 温差损失:先张法中的热养护引起的温差损失 弹性压缩损失:混凝土弹性压缩,后张法中后拉束对先张拉束造成的压缩变形而产生分批张拉损失等。,1、锚固损失sl1 预应力筋张拉后锚固时,由于锚具受力后变形、垫板缝隙的挤紧以及钢筋在锚具种的内缩引起的预应力损失记为sl1。 对直线预应力筋,,第十章
11、 预应力混凝土结构的原理及计算规定,2、摩擦损失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。,对于曲线预应力筋张拉锚固时,由于锚具变形和钢筋内缩a(mm),使预应力筋有回缩的趋势,从而产生反向摩擦力以阻止其内缩。,反向摩擦力只在一定的影响长度lf(m)内发生,即在距张拉端lf处,预应力筋的内缩值为零。,减少摩擦损失的措施,3、热养护损失sl3 为缩短先张法构件的生产周期,常采用蒸汽养护加快混凝土的凝结硬化。 升温时,新浇混凝土尚未结硬,钢筋受热膨胀,但张拉预应力筋的台座是固定不动的,亦即钢筋长度
12、不变,因此预应力筋中的应力随温度的增高而降低,产生预应力损失sl3。 降温时,混凝土达到了一定的强度,与预应力筋之间已具有粘结作用,两者共同回缩,已产生预应力损失sl3无法恢复。 设养护升温后,预应力筋与台座的温差为D t ,取钢筋的温度膨胀系数为110-5/,则有,,4、钢筋松弛损失sl4 钢筋在高应力长期作用下具有随时间增长产生塑性变形的性质。在长度保持不变的条件下,应力值随时间增长而逐渐降低,这种现象称为松弛。 应力松弛与初始应力水平和作用时间长短有关。 根据应力松弛的长期试验结果,规范取,普通预应力钢丝和钢绞线:,低松弛预应力钢丝和钢绞线: 当scon0.7fptk时,,当0.7fpt
13、k scon0.8fptk时,,为超张拉系数,一次张拉时,取=1;超张拉时,取=0.9。当scon0.5fptk时,可不考虑应力松弛损失,即取sl4=0。,5、收缩徐变损失sl5 混凝土的收缩和徐变,都会导致预应力混凝土构件长度的缩短,预应力筋随之回缩,引起预应力损失。 由于收缩和徐变是同时随时间产生的,且影响二者的因素相同时随变化规律相似,规范将二者合并考虑。 规范对混凝土收缩和徐变引起的损失,按下列公式计算:,先张法,后张法,An=Ac +asAs,先张法,后张法,A0=Ac+apAp+asAs,三、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。
14、因此,应根据计算需要,考虑相应阶段所产生的预应力损失。 混凝土预压前完成的损失lI; 混凝土预压后完成的损失lII。 根据上述预应力损失发生时间先后关系,具体组合见表。,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l =lI +lII小于下列数值时,按下列数值取用, 先张法构件 100MPa 后张法构件 80MPa,四、混凝土弹性压缩引起的损失sle 先张法构件放张时,预应力筋与混凝土一起受压缩短,引起预应力筋应力降低。 设混凝土预压应力在弹性范围,则根据钢筋与混凝土共同变形的条件,可得混凝土弹性压缩引起的损失sle为,,对后张法构件,当一次张拉所有预应力筋时,无弹性压缩损失。,