预应力混凝土结 构 、预应力混凝土结构的原理 二、预应力结构的构造
预应力混凝土结 构 一、预应力混凝土结构的原理 二、预应力结构的构造
851预应力混凝土结构的原理 基本概念 因为混凝土的抗拉强度太低,导致受拉区 1.钢筋混凝土的缺欠 混凝土过早开裂,截面抗弯刚度显著降低 裂缝宽度与钢筋应力基本成正比,一般 M=(0.6-0.8)M、,如配筋按正截面承载力 9k=10kN/m 计算,M下a=(0.50.7。对于Ⅱ级钢筋 ∫=300MPa,a=150-210MPa,裂缝宽 度已达(0.15~0.25)mm。如采用Ⅵ级高强 钢筋, 裂缝宽度已远远超过容许限值。 钢筋混凝土梁应用于大跨度结构时,如为 跨度为的简支梁,截 增加刚度而加大截面尺寸,会导致自重进 面尺寸为 步增大,形成恶性循环。 作用均布活荷载标准值 如增加钢筋来提高刚度,则钢材的强度得 q1=10kN/m,均布恒荷载 不到充分利用,造成浪费。 g1k=5kNm。挠度达到 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 0.25mm 比例降低,故挠度变形控制难以满足
§5.1 预应力混凝土结构的原理 一、基本概念 qk =10kN/m L0 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值 qk=10kN/m，均布恒荷载 gk=5kN/m。挠度达到 0.25mm 1. 钢筋混凝土的缺欠 ★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。 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Ⅵ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。 ★ 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
2.预应力混凝土 在构件受荷载以前,预先施加压力使之产生预压应力,称为预应 力混凝土构件。 预应力混凝土受弯构件在受力过程中 预应力筋一直承受较大的拉力N,而 截面混凝土则一直主要承受压力C。 >构件开裂后,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。 优点 充分利用了钢筋抗拉强度和混凝土抗 压强度高特性,减少用钢量,截面小, 自重轻,适用于大跨结构 ˇ在正常使用条件下,裂缝小,耐久性 好 √预拱,使构件挠度减小,刚度大
2. 预应力混凝土 在构件受荷载以前，预先施加压力使之产生预压应力，称为预应 力混凝土构件。 ➢预应力混凝土受弯构件在受力过程中 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。 ➢构件开裂后，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。 优点： ✓ 充分利用了钢筋抗拉强度和混凝土抗 压强度高特性，减少用钢量，截面小， 自重轻，适用于大跨结构 ✓ 在正常使用条件下，裂缝小，耐久性 好。 ✓ 预拱，使构件挠度减小，刚度大
预加应力方法 先张法 张拉钢筋■→浇筑混凝土■◆切断钢筋,混凝土预压 预应力由混凝土与钢筋间的粘结力来传递 2.后张法 浇筑混凝土构件口穿预应力钢筋口→锚固钢筋,孔道灌浆 预应力由构件两端锚具实现
二、预加应力方法 1. 先张法 张拉钢筋 浇筑混凝土 切断钢筋，混凝土预压 ➢ 预应力由混凝土与钢筋间的粘结力来传递 2. 后张法 ➢ 预应力由构件两端锚具实现 浇筑混凝土构件 穿预应力钢筋 锚固钢筋，孔道灌浆
先张法构件采用工厂化的生产方式,,工序少,工艺简单,质量 容易保证,但它只适用于生产中小型构件。如楼板,屋面板。 后张法施工程序和工艺复杂,需专用张拉设备,和特制锚具,用 钢量大;但由于它不需要固定的张拉台座,可现场施工,应用灵 活。适用于不便于运输的大型构件 目前最常见的预应力结构有无粘结预应力混凝土结构,属后张法 种。钢筋表面涂膜防腐蚀油脂,与混凝土一同浇筑。避免预留 孔洞,穿筋,灌浆繁杂过程。适用于跨度大于6m的楼板及大跨 度梁 无粘结预应力束
➢ 先张法构件采用工厂化的生产方式，，工序少，工艺简单，质量 容易保证，但它只适用于生产中小型构件。如楼板，屋面板。 ➢ 后张法施工程序和工艺复杂，需专用张拉设备，和特制锚具，用 钢量大；但由于它不需要固定的张拉台座，可现场施工，应用灵 活。适用于不便于运输的大型构件。 ➢ 目前最常见的预应力结构有无粘结预应力混凝土结构，属后张法 一种。钢筋表面涂膜防腐蚀油脂，与混凝土一同浇筑。避免预留 孔洞 ，穿筋，灌浆繁杂过程。适用于跨度大于6 m的楼板及大跨 度梁。 无粘结预应力束
三、预应力混凝土结构的材料 1.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。 优先使用预应力钢绞线、钢丝和热处理钢筋 刻痕钢丝 钢绞线 螺旋肋钢丝
三、预应力混凝土结构的材料 1. 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。 ➢ 优先使用预应力钢绞线、钢丝和热处理钢筋 刻痕钢丝 钢绞线 螺旋肋钢丝
2.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 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
➢ 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。 2. 混凝土
四、张拉控制应力与预应力损失 1.张拉控制应力 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Nc除以预应力筋面积4得到的应力称为张拉控 制应力oono P, con con 张拉控制应力o取值越高,预应 力筋对混凝土的预压作用越大,可 张拉控制应力限值[] 以使预应力筋充分发挥作用。 张拉方法 钢筋种类 先张法 后张法 但a。取值过高,可能会在张拉时 应力钢丝、钢绞线075 0.75 引起破断事故,产生过大应力松弛。 热处理钢筋 0.70f 0.65fc 因此,《规范》规定了张拉控制应 力限值Icol 为避免σ灬的取值过低,影响预应力筋充分发挥作用,《规范》规 定on不应小于0.4fpk
四、张拉控制应力与预应力损失 1. 张拉控制应力 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得到的应力称为张拉控 制应力scon。 ➢ 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]。 ➢ 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。 张拉控制应力限值[scon] 张拉方法 钢筋种类 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 p p con con A N , s =
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, 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,都将引起预应力损失,主要有: 锚固损失σ1:锚具变形引起预应力筋的回缩、滑移 摩擦损失σ12: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。 温差损失σ13:先张法中的热养护引起的温差损失 应力松弛损失σ14: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。 预应力损失的组合 >混凝土的收缩和徐变引起的损失。15预应力的组合先张法杨件后张法构件 环形配筋损失σ16 混凝土预压前 (第一批)损失 on +on+on+o4 混凝土预压后 (第二批)损失σn Ruto
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，都将引起预应力损失，主要有： ➢ 锚固损失s11：锚具变形引起预应力筋的回缩、滑移 ➢ 摩擦损失s12：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。 ➢ 温差损失s13：先张法中的热养护引起的温差损失 ➢ 应力松弛损失s14：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。 ➢ 混凝土的收缩和徐变引起的损失s15 ➢ 环形配筋损失s16 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slI sl1 +sl2+sl3+sl4 sl1 +sl2 混凝土预压后 （第二批）损失slII sl5 sl4+sl5
852预应力混凝土结构的构造 般要求 应有较大抗裂度和刚度,对受弯构件,宽高比宜小,翼缘和腹扳 的厚度不宜过大。梁高取普通钢筋混凝土构件的70%; 受弯构件的预拉区设非预应力钢筋;为控制裂缝宽度,计算确定 受拉区预应力钢筋的配筋; 预应力屋面梁和吊车梁等构件,为防止由于施加预应力而产生预 拉区裂缝,以及减少支座附近的主拉应力,支座处预应力钢筋弯 起 端部非对称布置的预应力钢筋应在端部0.2h范围用附加钢筋加强; 对槽形板,为防止产生纵向裂缝,应在端部100mm范围附加不少 于2根横向钢筋; 构件端部凹进,加构造钢筋;端部全部弯起的受弯构件,或只直 线配筋的先张法构件,当端部焊接下部支撑,考虑收缩徐变等不 利应吸纳,在端部设非预应力纵向构造钢筋
§5.2 预应力混凝土结构的构造 一般要求 ➢ 应有较大抗裂度和刚度，对受弯构件，宽高比宜小，翼缘和腹扳 的厚度不宜过大。梁高取普通钢筋混凝土构件的70%； ➢ 受弯构件的预拉区设非预应力钢筋；为控制裂缝宽度，计算确定 受拉区预应力钢筋的配筋； ➢ 预应力屋面梁和吊车梁等构件，为防止由于施加预应力而产生预 拉区裂缝，以及减少支座附近的主拉应力，支座处预应力钢筋弯 起； ➢ 端部非对称布置的预应力钢筋应在端部0.2h范围用附加钢筋加强； 对槽形板，为防止产生纵向裂缝，应在端部100mm范围附加不少 于2根横向钢筋； ➢ 构件端部凹进，加构造钢筋；端部全部弯起的受弯构件，或只直 线配筋的先张法构件，当端部焊接下部支撑，考虑收缩徐变等不 利应吸纳，在端部设非预应力纵向构造钢筋