第7章预应力混凝土构件基本知识研究报告

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1、第7章 预应力混凝土构件 基本知识,第7章 预应力混凝土构件基本知识,1.1 普通混凝土抗裂性很差 混凝土的极限拉应变很低，只有0.00010.0015，这时钢筋应力仅2030N/mm2,另外提高混凝土的强度也不明显 1.2 高强材料得不到充分应用 裂缝宽度一般应限制在0.20.3mm以内，受拉钢筋应力最高也只能达到150250N/mm2 1.3 结构自重大使用性能不好 普通混凝土结构不能适应现代化建设大跨度和大空间的需要，因为无法采用高强度的材料，势必导致截面尺寸过大和自重过大。,1.普通混凝土构件存在问题,2.预应力混凝土的产生,1.1 最早给混凝土施加预应力的概念是1888年德国工程师道

2、伦 （W .Doehring）提出的，由于当时钢材的强度不高，故未能获得实际结果。,1.2 1928年法国工程师费列西奥（E .Freyssinet）利用高强度的钢丝和高强度等级的混凝土并施加高的预应力（大于400N/MM2）来制造预应力混凝土构件才获得实际意义的成功。,1.3 我国是1954年开始研究预应力混凝土结构，并与1956年推广，以后获得了较大的发展。,7.1 预应力混凝土构件的基本概念,基本原理 1、C20普通钢筋混凝土简支梁，在荷载作用下，在梁跨中下边缘产生10N/mm2的拉应力，混凝土梁早已开裂，且裂缝已有相当的开展。,一、预应力基本原理及特点分析,2,3、在外荷载作用下，截面

3、下边缘产生拉应力2=9N/mm2，其挠度为f 2,f2,4、在预压力及外荷载作用，截面下边缘产生应力2-1=1N/mm2, 其挠度为f 2 f 1=f,所谓预应力砼构件就是在构件受荷之前（制作阶段），人为给拉区砼施加预压应力，受荷之后（使用阶段）首先要抵消拉区砼的预压应力，若再加荷拉区砼开裂，直至破坏为止。 常见预应力钢筋砼构件有：预应力钢筋砼轴拉构件、预应力钢筋砼受弯构件、预应力混凝土大偏心受压构件、偏心受拉构件，预应力混凝土预制桩等得到广泛的应用。,1.2 预应力混凝土与钢筋混凝土的比较 1.2.1 预应力混凝土结构中，混凝土的强度等级要高，钢筋的强 度也要高。 1.2.2 预应力程度较高

4、预应力混凝土结构，性能如同均质弹性材 料。而普通钢筋混凝土在使用荷载作用下的性能是非线性的。 1.2.3 预应力混凝土结构刚度大，挠度小，裂缝宽度小。 1.2.4 一旦预应力被克服后，预应力混凝土和普通混凝土结构就没有本质上的不同，因而正截面承载力是一样的； 1.2.5 预应力混凝土梁的斜截面抗剪强度高于普通混凝土，因而预应力混凝土梁的腹板可做得较薄，大大减轻了自重。,1.3预应力混凝土的特点 优点： 1.3.1 裂缝宽度小、刚度大、挠度小、结构的耐久性好。 1.3.2 抗裂性高，可建造水工建筑、储水结构、抗渗结构。 1.3.3 充分利用高强材料，节约了钢材、减轻了自重，特别在大跨度的结构中更

5、为经济。 1.3.4 提高构件的抗剪性能。试验表明，纵向预应力钢筋起着锚栓的作用，阻碍着构件斜裂缝的出现与开展. 1.3.5 提高构件的抗疲劳性能。在预应力结构中，由于钢筋事先张拉，在往复移动荷载的作用下，钢筋应力变化幅度不大10%以下，不会引起钢筋疲劳。,1.3.6 提高受压构件的稳定承载力。对于长细比较大的受压构件，由于预应力钢筋张拉的很紧，不但预应力钢筋本身不会压弯，而且可帮助周围混凝土提高抗弯的能力。,缺点： 1.3.7 工艺较复杂，对质量要求高，因而需要配备 一支技术较熟练的专业队伍。 1.3.8 需要有一定的专门设备，如张拉机具、灌浆设备等。 1.3.9 预应力混凝土结构的开工费用

6、较大，对构件数量少的工程成本较高。,1.4 应用范围: 1.4.1 在建筑中可用于建造大型屋面板、屋面梁、承重桁架、吊车梁，建造薄壁空间结构，多层框架和单层大跨度建筑，也可建造墙板、柱子等。 1.4.2 桥梁中建造了预应力箱形截面简支梁跨度达240m，斜拉预应力混凝土桥跨度可达400m。 1.4.3 特种结构方面可建造预应力混凝土电视塔，石油开采平台、预应力混凝土囤船、预应力压力容器等。,预应力混凝土预制桩,预应力空心板,打完预制桩后，预应力管桩施工现场,预应力混凝土连续箱梁在未完成受力体系转换时的支架系统至关重要,2. 预加应力的方法 根据预应力筋张拉时间的先后，习惯上把预加应力方法分为先张

7、法、后张法和同张法。 先、后张法比较,（a)钢筋就位,(b)张拉钢筋，并临时固定，然后浇混凝土,（c)养护后，切断放松钢筋,2.1先张法,2.1.2 传力途径：是依靠钢筋与砼的粘结力阻止钢筋的 弹性回弹，使截面砼获得预压应力。 2.1.3 特点：施工简单、靠粘结力自锚，不必耗费特制锚具 ，临时锚具可以重复使用（一般称工具式锚具或夹具），大批量生产时经济，质量稳定。使用于中小型构件工厂化生产。,2.1.1 主要张拉程序：先在台座上按规定设计要求 将钢筋张拉到控制应力并用锚具临时固定浇注 砼待砼达到设计强度75%以上切断放松钢筋。,先浇砼，待砼达到设计强度75%以上，再张拉钢筋（钢筋束）。,2.2

8、 后张法（有粘结预应力）,2.2.1 其主要张拉程序：为埋管制孔浇砼抽管养护穿筋张拉锚固灌浆（防止钢筋生锈）。,2.2.2 传力途径：依靠锚具阻止钢筋的弹性回弹，使截面砼获得预压应力。,2.2.3 特点：这种方法设备简单，不需要张拉台座，生产灵活，但需要可靠的锚具及千斤顶，锚具用钢量大，适用大型构件的现场施工。,这种做法钢筋与砼结为整体称为有粘结力预应力砼。 有粘结力预应力砼由于粘结力（阻力）的作用使得预应力钢筋拉应力降低，导致砼得到压应力降低，所以应设法减少这种粘结力。,2.3 后张法无粘结预应力混凝土,2.3.1 张拉程序：预应力钢筋沿全长外表涂刷沥青油毡等润滑防腐材料包上塑料护套或套管（

9、预应力钢筋与砼不建立粘结力）浇砼养护张拉钢筋锚固 2.3.2 特点：施工时跟普通砼一样，将钢筋放入设计位置可以直接浇砼，不必要预留孔洞、穿筋、灌浆，简化施工程序，由于无粘结力预应力砼得到有效预压应力增大，降低造价，适用于跨度大（6m)的曲线配筋的梁体,无粘结预应力束,无粘结的钢绞线是用防腐油脂涂在钢绞线表面，并用外塑料护套而成,2.4.1 张拉工艺：一般是利用膨胀水泥配制混凝土，使它在硬化过程中不但不发生凝缩，反而发生膨胀。在混凝土膨胀的时候，配置在体中的预应力筋就被张拉，而混凝土本身则由于膨胀受到钢筋的限制而同时获得预压应力。 2.4.2 传力途径：人们把这种依靠混凝土自身膨胀来张拉钢筋而产

10、生的预应力。 人们把这种依靠混凝土自身膨胀来张拉钢筋而产生的预应力叫做自应力，把采用这种方法的预应力混凝土叫做自应力混凝土。 我国目前已采用自应力混凝土大规模生产承插口管道，起最大直径已达1200mm。,2.4 同张法,先张法,预应力由混凝土与钢筋间的粘结力来传递,后张法,预应力由构件两端锚具实现,比较先、后张法,7.2 预应力混凝土构件的一般规定,1.预应力混凝土材料性能要求 1.1 钢筋的性能,1 .2预应力钢筋的种类,1.2.1 消除应力钢丝包括光面（P）、螺旋肋（H）、三面刻痕（I）,消除应力钢丝见预应力砼用钢丝GB/T5223，是用高碳镇静钢轧制成的盘园，经过加温、淬火（铅浴）、酸洗

11、、冷拔、回火矫直等处理工序来消除应力，而成的碳素钢丝可提高抗拉强度（光面钢丝fpy =1250N/mm2，其余fpy1110 N/mm2），这样钢直径49mm，强度高低、低松弛。,1.2.2钢绞线 由多根冷拉钢丝在绞线机上咬合并经消除应力回火而成的总称。 有13捻用于先张法。17捻是外层钢丝围绕一根直径大20%的中心钢丝绞成后张法中应用广泛。,直径用S表示，外径8.615.2mm，fpy=1110 1320 N/mm2 ，强度高、低松弛、伸直性好，比较柔软 ，盘弯方便，粘结性好。,钢丝绳与钢绞线的区别： 在制作工艺上，钢丝绳是由钢丝绞成股， 再由股捻成绳，有中间夹麻芯或钢芯和不加芯 的钢丝绳；

12、钢绞线是由钢丝只经过一次扭绞。 在性能上，钢丝绳的弹性模量小与钢绞线。,1.2.4 冷拉低合金钢和冷拔低碳钢丝 由于强度低，不再列入钢筋砼规范。,规范规定，预应力钢筋宜采用预应力钢绞线、消除应力钢丝、也可采用热处理钢筋。无粘结预应力钢筋则采用高强钢丝和钢绞线。预应力钢筋的发展趋势是高强度、低松弛、粗直径、耐腐蚀。,1.2.3 热处理钢筋 将合金钢（40Si2Mn、48Si2Mn、45Si2Cr）经过调质热处理而成，达到提高抗拉强度（fPy =1040N/mm2），改善塑性性能。HT表示。,这种筋具有强度高（节省钢材）低松弛的特点，其=610mm以盘园形式供给省去焊接，有利施工。,1.3.混凝土

13、,规范规定：预应力砼结构强度等级不宜低于C30，当采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋时预应力砼结构强度等级不宜低于C40。,2. 张拉控制应力con,2.1 定义：张拉控制应力是指预应力钢筋在张拉时，所控制达到的最大应力值。其值为张拉设备（如千斤顶上的油压表）所指示的总张拉力除以预应力钢筋截面面积而得出的应力值，以con表示。,2.2 张拉控制应力con对预应力混凝土构件预压效果的影响分析：,2.2.1 如果con取值过低，则预应力钢筋经过各种损失后，对混凝土产生的预压应力过小，预应力混凝土的效果不明显，因此规范规定con不应小于0.4f ptk 。,2.2 如果con取得太高，可能出现下列问题：,

14、2.2.2 预应力钢筋已超过实际屈服强度而失去回缩能力，或已发生脆断现象。,2.2.3 构件的开裂荷载与破坏荷载接近，使构件在破坏前无明显预兆，构件的延性较差。,2.2.4 构件的反拱过大，或者预拉区产生裂缝影响正常使用。规范规定，在一般情况下，张拉控制应力con值不宜超过下表的限值。,规范指出，为了提高构件制作、运输及吊装阶段的抗裂性而在受压区设置的预应力钢筋，其允许控制应力提高5%。,张拉控制应力限值,7.3预应力损失,7.3.1定义: 由于张拉工艺和材料特性的原因，从构件的制作、运输、安装、使用等各个过程中，使预应力钢筋的应力不断降低，这降低的部分就叫预应力损失。 7.3.2引起预应力损

15、失的原因及的措施 1.锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失l1 当为直线型预应力钢筋时 式中 a张拉端锚具变形和钢筋回缩值； l张拉端至锚固端之间的距离。 减少此项损失的措施有： 选择变形小或预应力钢筋内缩小的锚具，尽量减少垫板数； 对先张法构件，选择长台座。,2.预应力钢筋与孔道壁之间摩擦引起的预应力损失 l2,式中 k考虑孔道局部偏差对摩擦影响的系数： x张拉端至计算截面的孔道长度，可近似取该孔道 在纵轴上的投影长度， 预应力钢筋与孔道壁的摩擦系数， 从张拉端至计算截面曲线型孔道部分切线的夹角,当,减少该项损失，可采取以下措施：,对较长的构件可在两端 进行张拉；,采用超张拉，张拉程序可采用：

16、,当第一次张拉至1.1con时，预应力钢筋应力沿EHD分布，当张拉应力降至0.85con，由于钢筋回缩受到孔道反向摩擦力的影响，预应力沿FGHD分布，当再张拉至con时，钢筋应力沿CFGHD分布，可见，超张拉钢筋中的应力比一次张拉至con的应力分布均匀，预应力损失要小一些。,3.混凝土加热养护时，受张拉的钢筋与承受拉力的设备之间温差 引起的损失 l3,为了缩短先张法构件的生产周期，混凝土常采用蒸汽养护办法。升温时，新浇的混凝土尚未结硬，预应力筋与台座之间的温差t使钢筋受热自由伸长，但两端的台座是固定不动的，即距离保持不变，于是钢筋就松了，钢筋的应力降低；降温时，预应力钢筋与混凝土已黏结成整体，加上两者的温度线膨胀系数相近，二者能够同步回缩，放松钢筋时因温度上升钢筋伸长的部分已不能回缩，因而产生了温差损失。仅先张法构件有该项损失。,l3=2t （N/mm2）,减少此项损失的措施有：,采用二次升温养护。先在常温下