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1、第五章 预应力钢筋混凝土构件,第一节 预应力混凝土的概念 第二节 预应力混凝土结构的优缺点及应用情况 第三节 施加预应力的方法 第四节 预应力混凝土结构计算基本原理 第五节 预应力混凝土的材料及预应力混凝土构件的截面形状和尺寸,第一节 预应力混凝土的概念,1. 普通钢筋混凝土的主要缺点混凝土极限拉伸变形和抗拉强度很低，极限 拉伸变形为0.00010.00015，开裂时钢筋应力仅为 2030N/mm2。允许钢筋混凝土构件带裂缝工作。但是裂缝存在会导致：1）钢筋锈蚀，影响构件 的耐久性及承载力；2）影响构件的耐疲劳性能。针对上述缺点，在钢筋混凝土构件中引入预压力， 能有效地控制裂缝地开展与宽度，甚
2、至于不出现裂缝。 同时还能有效地增加构件刚度，降低挠度。,第一节 预应力混凝土的概念,注：高强钢筋是实现预应力混凝土结构的关键。,第一节 预应力混凝土的概念,2. 预应力的两个例子,第二节 预应力混凝土结构优缺点及应用,1预应力混凝土的优点1）改善结构的使用性能：延缓裂缝出现，减小 裂缝宽度；提高截面刚度，挠度减小，可建造大跨度结构。2）受剪承载力提高：施加纵向预应力可延缓斜裂 缝的形成，使受剪承载力得到提高。3）卸载后的结构变形或裂缝可得到恢复：由 于预应力的作用，使用活荷载移去后，裂缝会闭合，结构 变形也会得到复位.4）提高构件的疲劳承载力：预应力可降低钢筋的 疲劳应力比，增加钢筋的疲劳强
3、度。5）使高强钢材和高强混凝土得到应用：有利 于减轻结构自重，节约材料，取得经济效益。,第二节 预应力混凝土结构优缺点及应用,2. 预应力钢筋混凝土构件的缺点生产工艺较复杂，需要增加必要的张拉机具和 台座。特别是后张法，需要数量校对并具有一定精 度的特制锚具。,第三节 施加预应力的方法,施加预应力一般是通过张拉高强钢筋来实现的。 即张拉高强钢筋，并将其锚固在混凝土构件内，由 于钢筋企图弹性回缩，就实现了对混凝土的 受压。工具有：千斤顶、锚具两种主要的张拉方法：先张法和后张法,第三节 施加预应力的方法,(一)先张法,第三节 施加预应力的方法,先张法的主要工序是： 1)在台座或钢模上张拉预应力筋：
4、将预应力筋穿入台 座横梁或钢模的孔洞中，一端用夹具固定，另一端用千 斤顶张拉，待张拉到预定拉力后，将预应力筋用夹具锚 固在台座横梁上； 2)支模、绑扎非预应力钢筋、浇筑混凝土； 3)待砼养护到一定强度后，切断钢筋，通过钢筋与砼之间的粘结力挤压砼，使构件产生预压应力。 先张法是靠粘结力锚固预应力筋，并将压力传递给混 凝土。在构件内部预应力筋的回缩受到外围砼的阻碍，在 钢筋表面产生径向压应力和粘结应力。粘结应力将预压 应力传给砼，并使预应力钢筋受拉。,第三节 施加预应力的方法,(二)后张法 后张法不需要台座或钢模，直接以构件或结构 作为支座，张拉预应力钢筋。,第三节 施加预应力的方法,1)浇筑砼构
5、件，在制作构件时预留穿预应力筋 的孔道。孔道可采用预埋铁皮管、钢管抽芯或用充 压橡皮管抽芯成型；2)待砼养护到一定强度将预应力筋穿入，安装固定 锚具。在另一端用千斤顶张拉钢筋，同时挤压砼； 3)在预应力筋张拉到设计要求后，用锚具将预应力 筋锚固在构件上，使之保持张拉状态；4)最后用压力灌浆在孔道内灌入水泥砂浆，使预应 力筋与构件砼形成整体。 一般后张法的缺点是工序多：需预留孔道、穿 筋、压力灌浆，施工复杂费时，造价高。,第三节 施加预应力的方法,（三）后张无粘结预应力施工技术,后张无粘结预应力施工技术可避免一般后张法的缺点。特点：不需预留孔道，无粘结预应力筋可与非预应力筋同时铺设，也可采用曲线
6、配筋，布置灵活。,第三节 施加预应力的方法,后张无粘结预应力混凝土的主要施工工序是： 1)制作无粘结预应力筋：在预应力筋外表面涂以 涂层，用油纸包裹，再套以塑料套管(涂层的作用是 保证预应力筋的自由拉伸，并能防腐)。在构件的一 端安置固定端锚具，另一端为张拉端；2)绑扎钢筋，无粘结预应力筋与非预应力钢筋一 样，可直接按设计位置布置，形成钢筋骨架； 3)浇筑混凝土后，待混凝土养护到一定强度，在 张拉端以构件为支座，张拉预应力筋； 4)张拉到要求后，用锚具将预应力筋锚固在构件上。,第三节 施加预应力的方法,(四)先张法与后张法的比较 先张法：工艺比较简单，效率高，但需台座或钢模设 施，适用于在预制
7、构件厂批量制造的、便于运输的中小型 构件：空心板、吊车梁、15m以下屋面梁及V形折板。后张法：不需要台座或钢模，但工序多，工艺较复杂， 需要在构件上安装永久性工作锚具，成本高。后张法更适 用于在现场浇筑，就地张拉大型构件，如屋架、桥梁和电 视塔等特殊结构。 另一优点是：后张法可采用曲线预应力 配筋，使构件的受力状态更为合理。后张无粘结预应力：不需要预留孔道(孔道占截面积较 大)，可减少截面高度，因此更适合于用作板类构件的配筋。,第四节 预应力混凝土结构计算基本原理,1. 钢筋张拉控制和预应力损失 1.1 控制应力张拉应力太大则钢筋进入塑性变形，达不到预应 力效果；太小则预压力不够。因此，必须对
8、张拉应力加以控制con。先张法：一般不宜超过钢材强度标准值的0.9。后张法：一般不宜超过钢材强度标准值的0.85。 方法：一边先张拉，另一边再张拉；或超张拉等。,第四节 预应力混凝土结构计算基本原理,1.2 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con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。 预应力损失主要有：1）锚具变形损失1：锚具变形引起预应力筋 的回缩、滑移2）摩擦损失2：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使张拉应力损失。,第四节 预应力混凝土结构计算基本原理,3）温差损失3
9、：先张法中的热养护引起的温差损失4）钢筋应力松弛损失4：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。钢筋在高应力长期作用下应力值随时间增长而逐渐 降低，这种现象称为松弛。5）混凝土的收缩和徐变引起的损失5,第四节 预应力混凝土结构计算基本原理,6）环形配筋局部积压混凝土引起的损 失6：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。先张法预应力损失合计：ss1+s3+s4+s5后张法预应力损失合计：ss2+s4+s5+s6,第四节 预应力混凝土结构计算基本原理,2. 预应力计算原理承载力极限状态设计：承载力计算正常使用极限状态设计：裂缝
10、和变形验算 2.1 承载力计算预应力并不能提高钢筋混凝土构件的承载力，所 以其计算同普通钢筋混凝土构件。 2.2 裂缝控制通过施加预应力可以很好地控制裂缝地产生、开 展，故可按不同裂缝等级可分为两级：,第四节 预应力混凝土结构计算基本原理,一级：严格要求不出现裂缝的构件，tp0.85ftk二级：一般要求不出现裂缝的构件，tp0.95ftk式中： tp -混凝土的主拉应力；ftk 混凝土轴心抗拉强度标准值。2.3 变形验算构件计算挠度vv。由于预应力的存在，构件可能出现“反拱”，若 反拱过大，需对反拱值进行验算,第五节 预应力砼的材料及构件截面形状和尺寸,1. 预应力钢筋混凝土的材料 1.1钢筋
11、高强、同时还应具有一定的塑性。预应力筋还应具有良好的加工性能，如可焊性及经冷镦或热镦后不会影响其原有的物理力学性能。对钢丝类的钢材还要求具有低松弛和良好的粘结性能(用于先张法)。目前国内常用的预应力钢筋，按照是否有明显 的屈服台阶分为两类：,第五节 预应力砼的材料及构件截面形状和尺寸,1）有物理屈服点的钢筋 冷拉低合金钢是采用、级热轧钢筋经冷拉后获得的。钢筋经冷拉后屈服强度提高，但塑性性能有所降低。 级钢筋冷拉后用闪光接触对焊的加工性能较 好，但由于强度较低，仅用作抗裂性要求不高的中 小型构件的预应力筋，或部分预应力构件中的非预 应力钢筋。 新级钢冷拉后具有较好的延性及焊接性能。级钢筋冷拉后焊
12、接质量不易保证，仅在不用 焊接的情况下，才能用于承受重复荷载的构件。,第五节 预应力砼的材料及构件截面形状和尺寸,2）无物理屈服点的钢筋(丝)碳素钢丝：是用高碳钢轧制成盘条后，经过多次冷 拔而成，直径有4mm及5mm两种。碳素钢丝由于强度很高， 可制成钢丝束用于大跨度构件，如桁架、桥梁等。刻痕钢丝：光圆高强钢丝用作先张法构件的预应力时， 为了提高钢丝与混凝土的粘结强度，将直径5mm的钢丝 表面刻痕，形成刻痕钢丝。刻痕后抗拉强度有所降低。钢绞线 ：是由多股高强钢丝用绞盘拧成螺旋状， 再经低温回火制成的。采用钢绞线省去了制作钢丝束的工 序，由于直径加大，且具有一定的柔性，更便于施工， 多用于后张法
13、的大型构件。,第五节 预应力砼的材料及构件截面形状和尺寸,热处理钢筋 ：是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610mm。冷拔低碳钢丝：是用I级钢筋经多次冷拔而 成的，直径为3、4及5mm。其物理力学性能发生较大变 化，无明显屈服点、强度提高、塑性降低。冷拔低合金钢丝：是用直径6.5mm的低合金盘 条经二次冷拔成直径5mm的钢丝，其力学性能显著改善。光圆冷拔钢丝：由于与混凝土的粘结锚固性能较差，故不宜用于承受动荷载作用的构件。,第五节 预应力砼的材料及构件截面形状和尺寸,1.2 混凝土 预应力混凝土结构对混凝土性能的要求： 1）高强度预应力混凝土需要采用较高强度的混凝土，
14、才能建立起较高的预压应力，并可减少构件截面尺寸，减轻结构自重。先张法构件采用较高强度的混凝土，可提高粘结强度。 2）收缩、徐变小混凝土的收缩、徐变产生的应力损失，占总应力损失中的很大比例。采用收缩、徐变小的混凝土，可减少应力损失。,第五节 预应力砼的材料及构件截面形状和尺寸,3）快硬、早强为了提高台座、模具、夹具等设备的周转率， 尽早施加预应力，加快施工进度，降低间接费用， 预应力混凝土需要采用早期强度高的混凝土。规范规定预应力混凝土构件的混凝土强度不 宜低于C30级，当采用碳素钢丝、钢绞线、热处理钢 筋作为预应力筋时，混凝土强度不应低于C40级。,第五节 预应力砼的材料及构件截面形状和尺寸,2. 截面形状要求梁高：hl /15l/25梁腹高：bh/8h/15翼缘板宽：bfh/2h/3翼缘板厚：hfh/6h/10,小结,预应力的概念 与普通混凝土结构相比，预应力混凝土结构的优点。 先张法、后张法的操作工艺及各自的优缺点； 预应力损失的概念； 先张法、后张法中各自包含哪些预应力损失。,
