叶见曙结构设计原理第四版第12章.ppt

Principle of Structure Design叶见曙 结构设计原理（第4版）教学课件第12章 预应力混凝土结构的概念 及其材料张娟秀 雷 笑 马 莹 编制 叶见曙 主审本章目录2 212.1 概述12.2 预加应力的方法与设备12.3 预应力混凝土结构的材料12.4 预应力混凝土结构的三种概念教学要求v 深刻理解预应力混凝土结构的基本原理。v 了解预应力混凝土结构的分类。v 熟练掌握预加应力的先张法和后张法。v 了解预应力混凝土结构对材料的要求，理解混凝土 收缩和徐变、预应力钢筋的应力松弛概念。v 了解锚具类型、作用机理和预加应力的其他设备。3 312.1 概述 钢筋混凝土结构在使用中存在如下两个问题：1)由于裂缝的存在，不仅使构件刚度下降，而且使得钢筋混凝土构件不能应用于不允许开裂的场合；2)无法充分利用高强材料。靠增加钢筋混凝土构件的截面尺寸或增加钢筋用量的方法来控制构件的裂缝和变形是不经济的，因为这必然使构件自重（恒载）增加，特别是对于桥梁结构，随着跨度的增大，自重作用所占的比例也增大。钢筋混凝土结构在桥梁工程中的使用范围受到很大限制。4 4由配置预应力钢筋再通过张拉或其他方法建立预应力的结构，就称为预应力混凝土结构。5 5图12-1 预应力混凝土结构基本原理图v预应力混凝土结构的基本原理预压力Np必须针对外荷载作用下可能产生的应力状态有计划地施加。要有效地抵消外荷载作用所产生的拉应力，不仅与Np的大小有关，而且也与Np所施加的位置(即偏心距e的大小)有关。6 6v预应力混凝土结构的基本原理v 配筋混凝土结构的分类国内通常把全预应力混凝土、部分预应力混凝土和钢筋混凝土结构总称为配筋混凝土结构系列。1）国外配筋混凝土结构的分类I级：全预应力在全部荷载最不利组合作用下，正截面上混凝土不出现拉应力；II级：有限预应力在全部荷载最不利组合作用下，正截面上混凝土允许出现拉应力，但不超过其抗拉强度（即不出现裂缝）；在长期持续荷载作用下，混凝土不出现拉应力；III级：部分预应力在全部荷载最不利组合作用下，构件正截面上混凝土允许出现裂缝，但裂缝宽度不超过规定容许值；IV级：钢筋混凝土结构。7 78 82）国内配筋混凝土结构的分类根据国内工程习惯，我国对以钢材为配筋的配筋混凝土结构系列，采用按其预应力度分成全预应力混凝土、部分预应力混凝土和钢筋混凝土等三种结构的分类方法。（1）预应力度的定义公路桥规将受弯构件的预应力度（）定义为由预加应力大小确定的消压弯矩M0与外荷载产生的弯矩Ms的比值，即预应力混凝土构件的预应力度消压弯矩，也就是构件抗裂边缘预压应力抵消到零时的弯矩按作用（或荷载）短期效应组合计算的弯矩值（2）配筋混凝土构件的分类全预应力混凝土构件在作用（荷载）短期效应组合下控制的正截面受拉边缘不允许出现拉应力（不得消压），即 1；部分预应力混凝土构件在作用（荷载）短期效应组合下控制的正截面受拉边缘出现拉应力或出现不超过规定宽度的裂缝，即1 0；钢筋混凝土构件不预加应力的混凝土构件，=0。9 9（3）部分预应力混凝土构件的分类部分预应力混凝土构件就是指其预应力度介于以全预应力混凝土构件和钢筋混凝土构件为两个界限的中间广阔领域内的预应力混凝土构件。为了设计的方便，公路桥规又将在作用（荷载）短期效应组合下控制的正截面受拉边缘允许出现拉应力的部分预应力混凝土构件分为以下两类：A类：当对构件控制截面受拉边缘的拉应力加以限制时，为A类预应力混凝土构件；B类：当构件控制截面受拉边缘拉应力超过限值，直到出现不超过限值宽度的裂缝时，为B类预应力混凝土构件。1010v预应力混凝土结构的优缺点 （1）提高了构件的抗裂度和刚度。（2）可以节省材料，减少自重。（3）可以减小混凝土梁的竖向剪力和主拉应力。（4）预应力可做为结构构件连接的手段，促进了桥梁结构新体系与施工方法的发展。预应力还可以提高结构的耐疲劳性能,这对承受动荷载的桥梁结构来说是很有利的。1111 预应力混凝土结构施工工艺较复杂，对施工质量要求甚高，同时需要有专门设备，如张拉机具、孔道压浆设备等，先张法需要有张拉台座，因而需要配备技术较熟练的专业队伍。预应力混凝土结构主要缺点有：（1）预应力上拱度不易控制。预制梁存梁时间过久再进行安装，就可能因预应力作用使上拱度很大，造成桥面不平顺。（2）预应力混凝土结构的开工费用较大，对于跨径小、构件数量少的工程，成本较高。121212.2 预加应力的方法与设备v预加应力的主要方法1）先张法 先张拉钢筋，后浇筑构件混凝土的方法。1313图12-2 先张法工艺流程示意图a)预应力钢筋就位，准备张拉 b)张拉并锚固，浇筑构件混凝土c)松锚，预应力钢筋回缩，制成预应力混凝土构件 放张（将临时锚固松开，缓慢放松张拉力），让预应力钢筋的回缩，通过预应力钢筋与混凝土间的粘结作用，传递给混凝土，使混凝土获得预压应力。在台座上张拉预应力筋后浇筑混凝土并通过粘结力传递而建立预加应力的混凝土构件就是先张法预应力混凝土构件。141415152）后张法先浇筑构件混凝土，待混凝土结硬后，再张拉预应力钢筋并锚固的方法。图12-3 后张法工艺流程示意图a)浇筑构件混凝土，预留孔道，穿入预应力钢筋 b)千斤顶支于混凝土构件上，张拉预应力钢筋 c)用锚具将预应力钢筋锚固后进行孔道压浆 在混凝土结硬后通过张拉预应力筋并锚固而建立预加应力的构件称为后张法预应力混凝土构件。施工工艺不同，建立预应力的方法也不同，后张法是靠工作锚具来传递和保持预加应力的；先张法则是靠粘结力来传递并保持预加应力的。1616v锚具 1）对锚具的要求 临时夹具在制作先张法或后张法预应力混凝土构件时，为保持预应力筋拉力的临时性锚固装置。锚具在后张法预应力混凝土构件中，为保持预应力的拉力并将其传递到混凝土上所用的永久性锚固装置。在设计、制造或选择锚具时应满足下列要求：受力安全可靠；预应力损失要小；构造简单、紧凑，制作方便，用钢量少；张拉锚固方便迅速，设备简单。17172）锚具的分类锚具的形式繁多，按其传力锚固的受力原理，可分为：（1）依靠摩阻力锚固的锚具。（2）依靠承压锚固的锚具。（3）依靠粘结力锚固的锚具。对于不同形式的锚具，往往需要配套使用专门的张拉设备。因此，在设计施工中，锚具与张拉设备的选择，应同时考虑。18183）目前桥梁结构中几种常用的锚具（1）锥形锚锥形锚（又称为弗式锚），主要用于钢丝束的锚固。它由锚圈和锚塞（又称锥销）两部分组成。1919图12-4 锥形锚具a）锥形锚具工作示意图 b）锥形锚具剖面图（2）镦头锚镦头锚主要用于锚固钢丝束，也可锚固直径在14mm以下的预应力粗钢筋。钢丝的根数和锚具的尺寸依设计张拉力的大小选定。2020图12-5 镦头锚锚具工作示意图（3）钢筋螺纹锚具当采用高强粗钢筋（精轧螺纹钢筋）作为预应力钢筋时，可采用螺纹锚具固定。2121图12-6 钢筋螺纹锚具a）轧丝锚具 b）迪维达格锚具（4）夹片锚具夹片锚具体系主要作为锚固钢绞线之用。钢绞线夹片锚2222图12-7 夹片锚具配套示意图 扁型夹片锚具扁型夹片锚具是为适应扁薄截面构件（如桥面板等）预应力钢筋锚固的需要而研制的，简称扁锚。（5）固定端锚具采用一端张拉时，其固定端锚具，除可采用与张拉端相同的夹片锚具外，还可采用挤压锚具和压花锚具。2323图12-9 压花锚具（6）连接器钢绞线束N1锚固后，用来再连接钢绞线束N2 的，称为锚头连接器（图12-10a）；当两段未张拉的钢绞线束N1、N2需直 接 接 长 时，则 可 采 用 接 长 连 接 器（图12-10b）。2424图12-10 连接器构造a）锚头连接器 b）接长连接器12.2.4 预加应力的其他设备1）制孔器（1）抽拔橡胶管。在钢丝网胶管内事先穿入钢筋（称芯棒），再将胶管（连同芯棒一起）放入模板内，待浇筑混凝土达到一定强度后，抽去芯棒，再拔出胶管，则预留孔道形成。（2）螺旋金属波纹管（简称波纹管）。在浇筑混凝土之前，将波纹管按预应力钢筋设计位置，绑扎于与箍筋焊连的钢筋托架上，再浇筑混凝土，结硬后即可形成穿束的孔道。由聚丙烯或高密度聚乙烯制成的塑料波纹管制孔器。252526262）孔道压浆用水泥浆及压浆机在后张法预应力混凝土构件中，预应力钢筋张拉锚固后宜采用专用压浆料或专用压浆剂配制的水泥浆进行孔道压浆，以免钢筋锈蚀并使预应力钢筋与梁体混凝土结合为一整体。普通压力压浆方法，采用压浆泵将水泥浆在一定的压力下压入孔道中。真空压浆方法，采取对孔道进行抽真空处理后再注入水泥浆，是把真空吸浆技术与压浆方法相结合的方法，故又称真空辅助压浆法。（1）水泥浆为保证后张预应力孔道压浆的质量和耐久性，所用水泥浆的性能应具有以下特征：具有高流动性；不泌水，不离析，无沉降；适宜的凝结时间；在塑性阶段具有良好地补偿收缩能力，且硬化后产生微膨胀；具有足够的强度。2727压浆用水泥浆的水胶比以0.260.28为宜；拌合后24h自由泌水率都为0。可在水泥浆中掺入适量膨胀剂，使水泥浆在硬化过程中膨胀，但其自由膨胀率应小于3%。所用的水泥应采用性能稳定、强度等级不低于42.5级的低碱普通硅酸盐水泥。拌和用的水不应含有对预应力筋或水泥有害成分，每升水不得含350mg以上的氯化物离子或任何一种有机物，宜采用符合国家卫生标准的清洁饮用水。2828水泥浆制备应采用高速搅拌机，不得采用普通的砂浆搅拌机。行业标准公路桥涵施工技术规范（JTG/T F50）规定采用转速应不低于1000r/min的搅拌机，搅拌叶的形状应与转速相匹配，其叶片的线速度不宜低于10m/s，最高线速度宜限值在20m/s以内，且应能满足在规定的时间内搅拌均匀的要求。2929（2）压浆机 是孔道灌浆的主要设备，它主要由水泥浆、储浆桶和压送浆液的压浆泵以及供水系统组成。压浆机应采用活塞式可连续作业的压浆泵，其压力表的最小分度值应不大于0.1MPa，最大量程应使实际工作压力在其25%75%的量程范围内。压浆泵需要的压力，以能将水泥浆压入并充满孔道孔隙为原则，一般在出浆口应先后排出空气、水、稀浆及浓浆。用于临时储存水泥浆的储料罐亦应具有搅拌功能，且应设置网络尺寸应不大于3mm的过滤网。真空辅助压浆工艺中采用的真空泵应能达到0.10MPa的负压力。303012.3 预应力混凝土结构的材料v混凝土 1）强度要求 预应力混凝土构件的混凝土强度等级不应低于C40。高强混凝土，一般系指采用水泥、砂石原料和常规工艺配制，依靠添加高效减水剂或掺加粉煤灰、磨细矿渣、F矿粉或硅粉等活性矿物材料，使新拌混凝土具有良好的工作性能，并在硬化后具有高强度、高密实性的强度等级为C50及以上的混凝土。31312）收缩、徐变的影响及其计算（1）混凝土徐变变形当混凝土所承受的持续应力c0.5fck 时，其徐变应变值c 与混凝土应力c之间，存在着线性关系，在此范围内的徐变变形则称为线性徐变，即 c=e，则3232（12-1）徐变应变与弹性应变的比例系数，一般称为徐变系数（亦称徐变特征值）徐变应变值加载（c 作用）时的弹性应变（即急变）值公路桥规建议的徐变系数计算式为 式中的 j(t,t0)称为加载龄期为t0，计算考虑龄期为 t 时的混凝土徐变系数；为混凝土名义徐变系数，按式（12-3）计算，即3333（12-2）计算考虑时刻的混凝土龄期（d）加载时的混凝土龄期（d）强强度等度等级级C20C50混凝土在混凝土在28d龄龄期期时时的平均立的平均立方体抗方体抗压压强强度（度（MPa），），fcm=0.8fcu,k+8MPa环境年平均相对湿度（）构件理论厚度（mm），h=2A/（mm），A为构件截面面积，为构件与大气接触的周边长度（12-3）式中取RH0 100,h0 100mm,t11d,fcm0=10MPa,c(t-t0)为加载后徐变随时间发展的系数。3434（12-7）（12-8）在实际桥梁设计中需考虑徐变影响或计算阶段预应力损失时，强度等级C20C50混凝土的名义徐变系数 可按表12-1值采用。3535混凝土的徐变系数值可按下列步骤计算：按式（12-8）计算，计算时公式中的年平均相对湿度RH，当在40%RH70%时，取RH=55%；当在70%RH90%时，取RH=80%；3636 根据计算徐变所考虑的龄期t、加载龄期t0及已算得的H，按式（12-7）计算徐变发展系数c (t-t0)；根据 c(t-t0)和表12-1所列名义徐变系数（必要时用内插求得），按式（12-2）计算徐变系数(t,t0)。当实际的加载龄期超过表12-1给出的90d时，其混凝土名义徐变系数可按 =0 求得。式中0 为表12-1所列名义徐变系数，和(t0)按式（12-6）计算，其中t0为表列加载龄期，为90d以外计算所需的加载龄期。3737 对于用硅酸盐水泥配制的中等稠度的普通混凝土，在要求不十分精确时，其徐变系数终极值(tu,t0)可按表12-3取用。3838混凝土徐变系数终极值混凝土徐变系数终极值(tu,t0)表表12-3（2）混凝土的收缩变形混凝土收缩应变计算式为3939收缩开始时的龄期为ts，计算考虑的龄期为t 时的收缩应变计算考虑时刻的混凝土龄期（d）收缩随时间发展的系数名义收缩系数收缩开始时的混凝土龄期（d），可假定为(37)d与年平均相对湿度相关 的 系 数；当40%RH99%时依水泥种类而定的系数，对一般的硅酸盐类水泥或快硬水泥，sc=5.0（12-10）（12-9）（12-11）（12-12）（12-13）在桥梁设计中，当需要考虑收缩影响或计算阶段预应力损失时，混凝土收缩应变值可按下列步骤计算：按式（12-13）计算从ts 到t、ts到t0 的收缩应变发展系数s(t-ts)和s(t0-ts)。当计算s(t0-ts)时，式(12-13)中的t 均改用t0 来计算。t为计算收缩应变考虑时刻的混凝土龄期（d）;t0 为桥梁结构开始受收缩影响时刻或预应力钢筋传力锚固时刻的混凝土龄期（d）;ts为收缩开始时（养护期结束时）的混凝土龄期，设计时可取37d，ts t0 t。4040按式(12-14)计算自 t0至t时的收缩应变值cs(tu,t0)，即对于强度等级C20C50混凝土，式中的名义收缩系数cs0可按表12-2所列数值采用。4141（12-14）4242 对于用硅酸盐水泥配制的中等稠度的普通混凝土，在要求不十分精确时，其收缩应变终极值cs(tu,t0)可按表12-3取用。混凝土收缩应变终极值混凝土收缩应变终极值cs(tu,t0)表表12-3 3）混凝土的配制要求与措施（1）严格控制水灰比。高强混凝土的水灰比一般宜在0.250.35范围之间。（2）注意选用高强度级别水泥并宜控制水泥用量不大于500kg/m3。（3）注意选用优质活性掺合料，如硅粉、F矿粉等，尤其是硅粉混凝土不仅可使收缩减小，特别可使徐变显著减小。（4）加强混凝土振捣与养护。混凝土在材料选择、拌制以及养护过程中还应考虑混凝土耐久性的要求。4343v预应力钢材 预应力混凝土构件中设置有预应力钢筋和非预应力钢筋（即普通钢筋）。1）对预应力钢筋的要求（1）强度要高；（2）有较好的塑性；（3）要具有与混凝土良好的粘结性能；（4）应力松弛损失要小。在一定拉应力值和恒定温度下，钢筋长度固定不变，则钢筋中的应力将随时间延长而降低，一般称这种现象为钢筋的松弛或应力松弛。44442）预应力钢筋的种类（1）高强度钢丝4545优质碳素钢优质碳素钢（含碳量约为（含碳量约为0.7%1.4%）轧制轧制盘圆条盘圆条通过拔线模或通过拔线模或轧辊经冷加工轧辊经冷加工高强度钢丝高强度钢丝（又称冷拉钢（又称冷拉钢丝，以盘卷丝，以盘卷供货）供货）一次性消除一次性消除应力处理应力处理消除应力消除应力钢丝钢丝消除应力消除应力钢丝钢丝低低松松弛弛钢钢丝丝：国国家家标标准准预预应应力力混混凝凝土土用用纲纲丝丝（GB/T5223）规规定定，冷冷拉拉钢钢丝丝在在塑塑性性变变形形下下（轴轴应应变变）进进行行的的短短时时热热处处理理的的钢钢丝丝，是是低低松松弛弛钢钢丝丝（初初始始应应力力相相当当于于70%公公称称抗抗拉拉强强度度时时，1000小小时时后后应应力力松松弛弛率率不大于不大于2%）普普通通松松弛弛钢钢丝丝：冷冷拉拉钢钢丝丝通通过过矫矫直直工工序序后后在在适适当当温温度度下下进进行行短短时时热热处处理理的的钢钢丝丝，是是普普通通松松弛弛钢钢丝丝（初初始始应应力力相相当当于于70%公公称称抗抗拉拉强强度度时时，1000小小时时后后应应力力松弛率不大于松弛率不大于8%）高强钢丝按其外形分为有光面钢丝、螺旋肋钢丝和刻痕钢丝。4646图12-12 几种常见的预应力高强钢丝 我国生产的冷拉钢丝公称直径为4mm8mm，消除应力光圆及螺旋肋钢筋公称直径为4mm12mm。（2）钢绞线钢绞线是由2、3、7根或19根高强钢丝扭结而成并经消除内应力后的盘卷状钢丝束。4747图12-13 几种常见的预应力钢绞线a）三股钢绞线 b）七股钢绞线 c）七股拔模钢绞线 d）钢绞线名义直径D最常用的是由6根钢丝围绕一根芯丝顺一个方向扭结而成的七股钢绞线。芯丝直径常比外围钢丝直径大5%7%，以使各根钢丝紧密接触，钢丝扭距一般为钢绞线公称直径的1216倍。根据国家标准GB/T 5224生产的钢绞线有两根钢丝、三根钢丝和七根钢丝捻制的钢绞线三种规格，其代号分别为12、13、1x7和 119，其 抗 拉 强 度 标 准 值 为（14701960）MPa，并依松弛性能不同分成普通钢绞线和低松弛钢绞线两种。4848 预应力钢绞线的产品标记由预应力钢绞线、结构代号、公称直径、强度级别和标准号组成。预应力钢绞线1x7-15.20-1860-GB/T5224，表示公称直径为15.20mm，强度级别为1860MPa的七根钢丝捻制的标准型钢绞线，其中公称直径为钢绞线外接圆直径的名义尺寸Dn。49495050（3）预应力螺纹钢筋是一种热轧成沿钢筋纵向带有不连续的外螺纹的直条钢筋。钢筋在任意截面处均可用带有匹配形状的内螺纹的连接器或锚具进行连接或锚固，因此不需要再加工螺丝，也不需要焊接。目前，这种高强钢筋仅用于中、小型预应力混凝土构件或做为箱梁的竖向、横向预应力钢筋。5151按照我国国家标准预应力混凝土用螺纹钢筋（GB/T20065），预 应 力 螺 纹 钢 筋 产 品 的 公 称 直 径 为18mm50mm，该标准推荐使用的钢筋公称直径为25mm和32mm。预应力螺纹钢筋的公称直径是不含螺纹高度的基圆直径。我国公路桥梁预应力混凝土构件采用的预应力钢筋种类有的钢绞线、光圆和螺旋肋钢丝、预应力螺纹钢筋。3）预应力钢筋的强度和变形（1）高强度钢丝和钢绞线 高强度钢丝和钢绞线试件单向拉伸试验的典型应变-应变曲线如图12-14。在试件拉应力达到其比例极限（大约为其极限抗拉强度b的0.65倍）a点之前，拉应力-应变关系呈直线变化，钢筋具有理想的弹性性质。5252图12-14 高强度钢丝和钢绞线应力-应变曲线 超过曲线上的a点之后，钢筋的应力和应变持续增长，但应力-应变关系已经偏离了a点之前的直线关系，且应力-应变曲线上没有明显屈服流幅。到达极限拉强度b（图2-14中曲线的b点）后，出现钢筋的颈缩现象，应力-应变曲线出现下降段至c点，钢筋试件被拉断。5353图12-14 高强度钢丝和钢绞线应力-应变曲线对单向拉伸试验的应力-应变曲线上无明显（屈服）流幅的高强度钢丝和钢绞线，其力学性能的强度指标只有图2-14所示曲线b点所对应的抗拉强度b。在工程设计计算中，抗拉强度不能做为钢筋强度取值的依据，一般取残余应变为0.2%（图12-14中虚线所示）所对应的应力0.2 做为强度限值，称为条件屈服强度。5454（2）预应力螺纹钢筋 预应力螺纹钢筋是采用热轧、轧后余热处理或热处理等工艺生产的预应力混凝土用螺纹钢筋。与普通热轧钢筋相近，预应力螺纹钢筋试件单向拉伸试验的应力-应变曲线具有明显的屈服点和流幅。5555为了全面理解预应力混凝土的基本概念，可以引用林同炎提出的下述3种不同的概念来分析预应力混凝土结构。1）预加应力的目的是将混凝土变成弹性材料如果预压应力大于荷载产生的拉应力，则混凝土就不承受拉应力。这种概念要求将无应力或零应力作为预应力混凝土设计准则。可采用叠加原理。12.4 预应力混凝土结构的三种概念图12-15偏心预应力混凝土截面的应力分布5656 这种概念是将预应力混凝土看作是高强钢筋与混凝土两种材料组成的一种特殊的钢筋混凝土。预先将预应力钢筋张拉到一定的应力状态，在使用阶段预应力钢筋的应力（应变）增加的幅度较小，混凝土不开裂或裂缝较细，这样高强钢材就可以与混凝土一起正常工作。2)预加应力的目的是使高强度钢筋和混凝土能够共同工作。575758583）预加应力的目的是实现荷载平衡 预加应力可认为是对混凝土构件预先施加与使用荷载相反的荷载，以抵消部分或全部工作荷载，使受弯构件（如板、梁及主梁）在给定的荷载条件下不受挠曲应力。5959上述三种概念表达了理解预应力混凝土结构的三种观点，它们在分析和设计预应力混凝土时都是有用的。第一种概念是全预应力混凝土构件弹性分析的依据，指出了预应力混凝土构件的主要工作状态。第二种概念反映了预应力对发挥高强度钢筋作用的必要性，指出了预应力混凝土也不能超越其本身材料强度的界限。第三种概念揭示了预加力和使用荷载作用效应相等的关系，有助于预应力混凝土超静定结构选择合理的预应力钢筋布置和预加力大小，理解使用荷载作用下梁挠度计算分析的方法。60606161Thank you!