钢筋混凝土结构——预应力混凝土结构

钢筋混凝土结构 预应力混凝土结构 一、基本概念 由于砼的抗拉极限强度低，受拉极限应变很小，只约 为（1~1.5）×10-4，此时 钢筋拉应力＝？ a.抗裂性差 钢筋混凝土构件一般都是带裂缝工作的。 1. 普通混凝土的缺点 1.普通混凝土的缺点 b.高强度钢筋和高强混凝土不能充分发挥作用 采用高强混凝土，抗压强度有效增大，但抗拉强度提 高很少。 采用提高混凝土强度等级的方法来改善其抗裂性 收效甚微。 在钢筋砼构件中，采用高强钢筋虽然能提高构件的承 载力，但高强钢筋拉应力变大，致使裂缝宽度。 要满足正常使用极限状态验算要求，高强钢筋就无法 充分作用。 一、基本概念 c.结构自重大，刚度小 又由于钢筋混凝土构件在正常使用时是带裂缝工作， 造成构件的刚度较小，变形较大，使用性能不够理想。 普通混凝土结构：钢筋等级大都为III级或III级以下 混凝土砼等级一般为C30左右 所以构件截面尺寸通常较大，致使构件自重偏大。 一、基本概念 1.普通混凝土的缺点 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 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 值qk=10kN/m，均布恒荷载gk=5kN/m。 跨度增加一倍 跨度增加两倍 采用高强钢筋 L0 5.2m 10.4m 20.8m 5.2m b×h 200×450 400×900 800×1900 200×450 自重gk 5kN 20kN 80kN 5kN M 67.6kN.m 513.96kN.m 5948.8kN.m 67.6kN.m fy Ⅱ级310 Ⅱ级310 Ⅱ级310 冷拉Ⅳ级580 As 603mm2 2106mm2 12650mm2 308mm2 Ms 50.7kN.m 405.6kN.m 4867.2kN.m 50.7kN.m [f]= 16.4= 38.1= 88.8= 32.2= ss 232MPa 453MPa [wmax]=0.3 0.25 0.75 _957532259.unknown _957532314.unknown _957532494.unknown _957532305.unknown _957532176.unknown ★ 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=(0.6~0.8)My，如配筋按正截面承载力计算，Ms下sss=(0.5~0.7)fy。对于Ⅱ级钢筋，fy =300MPa，sss=150~210MPa，裂缝宽度已达(0.15~ 0.25) mm。 如采用高强钢筋，fy=580MPa，则sss= 290 ~406 MPa，裂缝宽度已远远超过容许限值。 预应力混凝土：在构件承受荷载之前预先对受拉区砼 施加压力，使构件产生压缩变形和预 压应力，当荷载作用使构件产生拉应 力时，首先要抵消砼截面的预压应力， 随着荷载增加逐渐使砼受拉并使进而 出现裂缝，这就推迟了裂缝的出现也 相应地减小了裂缝宽度。 2、基本原理 3、实例 上箍——箍受拉，木片和木片之间产生了预压力 盛物（水，沙等）——水压使木桶产生的环向拉力 优点：预应力的施加增大了抗裂度—将同样体积的两个 桶（一个加箍，一个未加箍）都装满水，若在桶 体完好的情况下，一个桶将漏水，而一个不漏。 3、实例 预应力坝 3、实例 二、分类 三、预应力混凝土的特点 1. 优点 a. 提高构件的抗裂性、耐久性，增加构件的刚度 b. 节约材料、减轻自重、降低造价 c. 构件标准化、工厂化生产程度高 2. 缺点 构件制作复杂、施工工序多，对材料的质量和制 作技术水平要求高，需要有复杂的张拉和锚固设 备，构件制作周期长，计算复杂等。 四、预应力的施加方法 1. 先张法 先在台座上或钢模内张拉钢筋 然后浇筑混凝土 待混凝土结硬（达75%的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 强度）放松 锚具只是临时固定，可重复使用 混凝土的预应力是回缩钢筋通过粘结力逐步 传递给混凝土，通过一个传递长度lc 施加预应力的方法 先张法 2.后张法 先浇混凝土，留钢筋孔道 混凝土到达设计强度时张拉钢筋 张拉过程即是施加预应力的过程 再灌浆 锚具一次性使用，工作锚具有端部局部承压问题 四、预应力的施加方法 后张法 后张法 3.区别 先张法 1. 需要台座 2. 张拉完，砼才受压缩 3. 靠粘结力传递预应力 后张法 1. 不需要台座 2. 钢筋和砼同时受压缩 3. 靠锚固保持预应力 五、夹具和锚具 锚具——锚具作用 与构件连成一体，不能取下重复使用（一次性） 夹具——夹的作用 能够取下重复使用（多次重复） 螺丝端杆锚具 夹片式锚具 六、预应力混凝土的材料 1、混凝土 要求：a. 强度高 b. 收缩，徐变小 c. 快硬，早强 材料：强度等级≥C30 若采用碳素钢筋钢丝≥C40 2、钢筋 要求：强度高具有一定塑性、良好的加工性能、 较好的粘 结强度 材料：冷拉低合金钢筋 热处理钢筋 高强钢丝 (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。 1、冷拉低合金钢筋 ◆ 通常将热轧钢筋经冷拉后作为预应力筋，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 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9.5~15.2 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6~10mm，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。 预应力钢筋强度标准值和设计值（N/mm2） 种 类 fptk fpy 消除应力钢丝 螺旋肋钢丝 4~ 9 1470 1570 1670 1770 1250 1180 1110 1040 400 刻痕钢丝 5、 7 1470 1570 1110 1040 360 钢绞线 二股 d=10.0 d=12.0 1720 1220 360 三股 d=10.8 d=12.9 1720 1220 360 七股 d=9.5 d=11.1 d=12.7 d=15.2 1860 1860 1860 1860 1820 1720 1320 1320 1320 1320 1290 1220 360 热处理钢筋 40Si2Mn(d=6) 48Si2Mn(d=8.2) 45Si2Cr(d=10) 1470 1040 400 _975688365.doc _975690344.unknown 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； ★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。 七、张拉控制应力 1. 定义 指预应力钢筋在进行张拉时所控制达到的最大应力值。 总张拉力=σcon×预应力筋截面积。 张拉设备（如千斤顶油压表）所指示的总张拉力。 2. 张拉控制应力大小的确定 张拉控制应力大小直接影响预应力砼构件优越性的发挥。 a.张拉控制应力过小 如果控制应力取值过低，则预应力钢筋在经历各种损失值 对砼产生的预应力过小，不能有效提高预应力砼构件的抗 裂度和刚度。 b.张拉控制应力过大 1) 在施工阶段：会使构件的某些部位受到拉力，甚至 开裂，对后张法构件则可能造成端部混凝土局部受 压破坏； 2) 延性差：构件出现裂缝时的荷载与极限荷载很接近， 使构件在破坏前无明显的预兆，延性较差； ∴就要确定好张拉控制应力 3.影响控制应力的因素 a.与钢种有关 冷拉热轧钢筋，塑性较好。到达屈服后有明显的屈服强 度，可高碳钢丝和热处理钢筋的塑性较差，没有明显屈服台阶 b.与施加预应力的方法有关 对于相同的钢种 先张法 > 后张法 先张法的张拉力由台座承受，当放张钢筋时，由于钢筋与 混凝土之间存在粘结力，两者同时受到压缩，从而使预应力钢 筋中的应力有所降低。 后张法是以构件为台座，一边张拉钢筋，构件一边缩短， 指数已扣除混凝土弹性压缩后的钢筋应力。 4. 张拉控制应力的范围 根据长期积累的设计和施工经验《 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 》规定一般情况下的最大值（标准值）： fptk——极限抗拉强度 （没有明显的流幅，条件屈服点） fpyk——屈服强度 （有明显的流幅） 张拉控制应力限值[con] 钢筋种类 张拉方法 先张法 后张法 预应力钢丝、钢绞线 热处理钢筋 0.75 fptk 0.70 fptk 0.75 fptk 0.65 fptk 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： ⑴ 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的预应力筋； ⑵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。 ◆ 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。 八、预应力损失 1. 锚固损失σl1 a. 损失的原因 1) 张拉时，锚具，垫板与构件之间是有缝隙的，一旦放松， 缝隙挤紧则产生损失。 2) 钢筋和楔块在锚具内的滑移，使得拉紧的钢筋回缩，这样 张拉程度降低，应力减少，引起预应力损失。 b. 计算方法 预应力损失的种类 c.减少此项损失的 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 有 1)选择锚具变形小或使预应力钢筋内缩小的锚（夹）具， 尽量少用垫板 2)增加台座长度，σl1与l成反比。当台座长度为100m以 上，σl1可忽略不计 锚具变形和钢筋内缩值a（mm） 锚 具 类 别 a 支承式锚具（钢丝束镦头锚具等）： 螺帽缝隙 每块后加垫板的缝隙 1 1 锥塞式锚具（钢丝束的钢质锥形锚具等） 5 夹片式锚具 有顶压时 5 无顶压时 6~8 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。 直线预应力筋 曲线预应力筋 一端张拉 两端张拉 超张拉 减少摩擦损失的措施 “超张拉”的工艺是以超过控制应力之值张拉，再适当放松，最后再次张拉到控制应力值。这样可使预应力钢筋的应力沿构件分布得比较均匀，同时预应力损失也能明显降低。 3.热养护损失σl3 a. 损失的原因 为缩短先张法构件的生产周期，浇灌砼后常用蒸汽养护的办法 加速砼的硬结。 升温时，新浇的砼尚未结硬，钢筋受热后可以自由膨胀，但两端台座固定不动。因而张拉后的钢筋就松了，使预应力钢筋产生应力损失σl3； 降温时，砼已结硬，且和钢筋之间具有粘结作用，由于两者的温度膨胀系数相同（相近）温度降低产生相同收缩，所损失的σl3 无法恢复。 b. 计算方法 温差Δt 线膨胀系数α=0.0001/℃ 1) 采用两次升温养护 第一次升温至20℃,然后保持恒温。当砼强度达到一定强度时， 预应力与砼已粘结到一起，此时再第二次升温至规定温度，这 时预应力钢筋与砼同时伸长，故不再产生预应力损失。 2) 采用钢模 因钢筋锚固在钢模上，蒸汽养护时二者温度相同，无温差损失。 c.减少损失的措施： 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 a. 损失的原因 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。 b.计算方法 先张法 后张法 5.收缩徐变损失σl5 An=Ac +asAs A0=Ac+apAp+asAs 1)采用高标号水泥，减少水泥用量，降低水灰比，采用干硬砼 2)采用级配较好的骨料，加强震捣，提高砼的密实性 3)加强养护，以减少砼的收缩 6. 用螺旋式预应力钢筋作配筋的环形构件，由于砼的 局部挤压引起的预应力损失σl6 a.损失的原因 电杆，水池，油罐等环形构件，可配置环形或螺旋式预应力钢筋进行张拉，则对砼有挤压作用，使环行构件的直径有所减小，则预拉钢筋中的拉应力就会降低，从而引起预应力损失 b.计算方法 σl6 的大小与环行构件的直径d成反比 当d≥3m时 σl6=0 当d≤3m时 σl6=30N/mm2 c.减少损失的措施 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lI ⑵混凝土预压后完成的损失lII 九、预应力损失的组合 预应力损失的组合 预应力损失的组合 先张法构件 后张法构件 混凝土预压前 （第一批）损失(lI (l1 +(l3+(l4 (l1 +(l2 混凝土预压后 （第二批）损失(lII (l5 (l4+(l5＋(l6 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 九、预应力损失的组合 例 题 某简支预应力混凝土梁，截面尺寸b×h=200mm×400mm，梁的计算跨度了l=6m，承受均布线荷载，荷载设计值15KN/m（包括梁的自重），在图位置上的两束直线预应力钢筋（fptk＝915N/mm2,热处理钢筋），As＝1130mm2，采用后张法张拉，总预应力损失为200N/mm2。试计算该梁截面底部和顶部纤维的最大应力。