預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的基本知識(shí)_第1頁
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文檔簡介

第六章

預(yù)應(yīng)力砼結(jié)構(gòu)的基本知識(shí)第一節(jié)預(yù)應(yīng)力砼的概念1一.鋼筋混凝土的缺欠——混凝土材料力學(xué)性能中的一個(gè)基本矛盾是:抗壓強(qiáng)度高、抗拉強(qiáng)度很低(ft=fc/10),砼的極限拉應(yīng)變僅為極限壓應(yīng)變的(1/20~1/30);即每m只能拉長0.1~0.15mm。2因此:

混凝土受拉區(qū)開裂較早,此時(shí)的鋼筋應(yīng)力只有(20~40)N/mm2左右,大概只發(fā)揮了其強(qiáng)度的十分之一左右。因而在使用階段鋼筋砼構(gòu)件一般是帶裂縫工作的!3見表分析:4因此——引起矛盾!構(gòu)件中若采用高強(qiáng)度鋼筋,將使——使用荷載下鋼筋的工作應(yīng)力提高很多,撓度和裂縫寬度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過允許值!——若拉區(qū)最大裂縫控制在0.3mm以內(nèi)的話,鋼筋的拉力僅達(dá)到150~250N/mm2,只占高強(qiáng)鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(1000~1300N/mm2)的15%~20%——

不能充分利用高強(qiáng)鋼筋的強(qiáng)度!5實(shí)際上高強(qiáng)度鋼筋在鋼筋混凝土構(gòu)件中將很難得到合理的使用——因而不能采用高強(qiáng)度鋼筋!而采用高強(qiáng)度混凝土也是沒有意義的——因?yàn)楦邚?qiáng)度混凝土對提高抗裂度、剛度和減小裂縫寬度的作用很小。6總之——鋼筋混凝土構(gòu)件過早開裂的問題不解決——就不能有效的利用高強(qiáng)材料!結(jié)果——阻礙了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)自身的發(fā)展。7另一方面:鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用,也受到過早開裂導(dǎo)致的剛度降低、裂縫開展的制約:如用于大跨結(jié)構(gòu)時(shí),為滿足撓度控制的要求,需要加大截面尺寸來增大剛度,以致使構(gòu)件的承載力中有較大一部分用于負(fù)擔(dān)結(jié)構(gòu)的自重??缍仍酱?,自重在承載力中所占比例就越大,很不經(jīng)濟(jì)、不合理、甚至是不可能的——因此,限制了應(yīng)用范圍。8二.預(yù)應(yīng)力混凝土的基本概念那么,如何解決這個(gè)矛盾呢?

可否設(shè)想——借助于混凝土的抗壓強(qiáng)度來補(bǔ)償其抗拉強(qiáng)度的不足,以推遲受拉區(qū)混凝土的開裂?即:在構(gòu)件受外荷以前,使它先存在著一種應(yīng)力狀態(tài)(預(yù)加應(yīng)力),用以減小或抵消外荷作用時(shí)產(chǎn)生的拉應(yīng)力?9實(shí)際上預(yù)加應(yīng)力的概念在日常生活和生產(chǎn)實(shí)踐中早有所應(yīng)用。如:1011在鋼筋混凝土土結(jié)構(gòu)中情況況如何呢?12施加預(yù)應(yīng)力的的概念雖然早早已存在,但但預(yù)應(yīng)力混凝凝土結(jié)構(gòu)的推推廣和應(yīng)用,,還只是近50年來有了高強(qiáng)鋼筋筋才變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)?。槭裁??因?yàn)椤蓄A(yù)應(yīng)力損失!13施加預(yù)應(yīng)力后后,應(yīng)用范圍擴(kuò)大大:如:非預(yù)應(yīng)力吊車車梁跨度為6m,預(yù)應(yīng)力吊車車梁跨度可達(dá)達(dá)12m;非預(yù)應(yīng)力屋架架18~21m,預(yù)應(yīng)力屋架架30~36m或更大!14目前:世界上最大的的預(yù)應(yīng)力砼貯罐罐直徑達(dá)82m,高達(dá)36m;預(yù)應(yīng)力輕骨料料砼建造的飛機(jī)庫屋蓋結(jié)結(jié)構(gòu)跨度達(dá)90m;預(yù)應(yīng)力箱形截面橋梁梁跨度達(dá)240m以上;預(yù)應(yīng)力電視塔高達(dá)549m;我國設(shè)計(jì)制造造的大跨度預(yù)應(yīng)力砼屋架架跨度達(dá)60m。15預(yù)應(yīng)力混凝土土與普通砼相相比有如下特特點(diǎn):1.提高構(gòu)件的的抗裂能力只有當(dāng)混凝土土的預(yù)壓應(yīng)力力全部抵消轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)而受拉且受受拉應(yīng)變超過過混凝土的極極限拉應(yīng)變時(shí)時(shí),構(gòu)件才會(huì)會(huì)開裂。2.增大了構(gòu)件件的剛度——使混凝土轉(zhuǎn)變變成彈性材料預(yù)應(yīng)力混凝土土構(gòu)件正常使使用時(shí),可能能不開裂或只只有很小的裂裂縫,混凝土土基本上處于于彈性階段工工作。163.充分利用高高強(qiáng)度材料前已分析4.?dāng)U大了構(gòu)件件的應(yīng)用范圍圍因改善了抗裂裂性能,可用用于防水、抗抗?jié)B性及抗腐腐蝕要求的環(huán)環(huán)境。采用高強(qiáng)度材材料,結(jié)構(gòu)輕輕巧,剛度大大、變形小,,可用于大跨跨度、重荷載載及承受反復(fù)復(fù)荷載的結(jié)構(gòu)構(gòu)。17預(yù)應(yīng)力混凝土土結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)點(diǎn)施工麻煩,工工藝復(fù)雜,需需要錨具,精精度要求較高高,施工周期期較長,造價(jià)價(jià)高,且不能能提高構(gòu)件的的承載力?!??18第二節(jié)施施加預(yù)應(yīng)應(yīng)力的方法——先張法與后張張法先張法:先張拉鋼筋后澆筑混凝土;;后張法:先澆筑混凝土后張拉鋼筋。具體施工順序序與特點(diǎn)——19先張法——20一.先張法在先張法中,,預(yù)應(yīng)力是靠鋼鋼筋與砼之間間的粘結(jié)力來來傳遞的。施加預(yù)應(yīng)力是是靠張拉鋼筋筋來實(shí)現(xiàn)的——即張拉高強(qiáng)度度的鋼筋,并并將其錨固在在砼構(gòu)件內(nèi),,由于鋼筋彈性回縮縮,就使砼受受壓。21后張法——22二.后張法后張法是靠錨具來保持持預(yù)應(yīng)力的,錨具將永永遠(yuǎn)附在構(gòu)件件上。2324錨具:25上述后張法的的缺點(diǎn)是:工序多,預(yù)留留孔道占截面面面積大,施施工復(fù)雜。26夾具與錨具是是預(yù)應(yīng)力混凝凝土構(gòu)件的重重要工具——夾具——構(gòu)件制作完畢畢能取下來重重復(fù)使用的稱稱為夾具;錨具——留在構(gòu)件上不不能再取下的的稱為錨具。。統(tǒng)稱為錨具——有時(shí),為簡便便起見。27三.后張無粘結(jié)預(yù)預(yù)應(yīng)力另一種后張法——后張無粘結(jié)預(yù)預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)。特點(diǎn):不需要預(yù)留孔孔道,無粘結(jié)結(jié)預(yù)應(yīng)力筋可可與非預(yù)應(yīng)力力筋同時(shí)鋪設(shè)設(shè),并可采用用曲線配筋,,布置靈活。。有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力指沿預(yù)預(yù)應(yīng)力筋全長長其周圍均與與混凝土粘結(jié)結(jié)握裹在一起起的~;無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力指預(yù)應(yīng)應(yīng)力筋伸縮、、滑動(dòng)自由,,不與周圍混混凝土粘結(jié)的的~。28其主要工序?yàn)闉椋?.制作無粘結(jié)結(jié)預(yù)應(yīng)力筋((加涂層、套管)2.綁扎鋼筋((圖a)3.澆筑混凝土土(圖b)4.張拉預(yù)應(yīng)力力筋29四.先張法和后張法的的比較:先張法:工藝簡單,靠粘結(jié)力錨固預(yù)應(yīng)應(yīng)力筋不需要永久性的工工作錨具,但需要要臺(tái)座或鋼模等設(shè)設(shè)施。適于:在預(yù)制廠制制造標(biāo)準(zhǔn)預(yù)應(yīng)力構(gòu)構(gòu)件,如樓板或過過梁等。后張法:通過錨具傳遞預(yù)預(yù)壓應(yīng)力工藝較復(fù)雜,慢,,需要在構(gòu)件上安安裝永久性的工作作錨具,成本高。。適于:現(xiàn)場澆筑、、就地張拉、吊裝裝的大型建筑中的的特大構(gòu)件。30第三節(jié)預(yù)應(yīng)力砼的材料一.預(yù)應(yīng)力鋼筋筋(一)對鋼筋性能要求:⑴.強(qiáng)度高——使混凝土獲得較高高的預(yù)壓應(yīng)力;⑵.良好的塑性——以保證在較高應(yīng)力力下不會(huì)發(fā)生拉斷斷破壞;⑶.良好的可焊性——以保證必要的加工工;⑷.與砼有較好的粘接接強(qiáng)度原因:預(yù)應(yīng)力鋼筋——高應(yīng)力狀態(tài)31(二)預(yù)應(yīng)力鋼筋分類國內(nèi)常用的預(yù)應(yīng)力力鋼筋有鋼筋、鋼絲、鋼絞線;分為兩大類:1.無物理屈服點(diǎn)鋼筋筋(絲)(1)鋼鉸線——由多股(3或7股)高強(qiáng)鋼絲鉸合合而成,再經(jīng)低溫溫回火制成。特點(diǎn):鋼鉸線比單根鋼絲直徑大大,但具有一定的的柔性,施工方便便且不降低強(qiáng)度。。32(2)消除應(yīng)力鋼絲——經(jīng)過低溫回火處理的鋼絲稱為~。解釋:高碳鋼經(jīng)過多次次冷拔,存在較大的內(nèi)應(yīng)應(yīng)力,需采用低溫回火來消除內(nèi)應(yīng)力。在外形上分為:光面、刻痕及螺旋肋三種,用φp、φI、φH表示。33(3)熱處理鋼筋——用熱軋中碳鋼經(jīng)過過調(diào)質(zhì)熱處理后制制成的高強(qiáng)度鋼筋筋。特點(diǎn):具有強(qiáng)度高高、松弛小等特點(diǎn)點(diǎn),以圓盤形式供供應(yīng),省掉對焊和和整直等工序,施施工方便。342.有物理屈服點(diǎn)鋼鋼筋冷拉低合金鋼——采用熱軋鋼筋經(jīng)冷拉后得到。特點(diǎn):鋼筋經(jīng)冷拉后屈屈服強(qiáng)度提高,塑塑性有所降低。鋼筋冷拉后可以提高抗拉強(qiáng)度,當(dāng)鋼筋用于抗壓壓時(shí),其強(qiáng)度并不不提高。規(guī)范提倡優(yōu)先采用用強(qiáng)度高、性能好的預(yù)應(yīng)力鋼筋(鋼絲絲、鋼鉸線)。注:鋼筋冷拔后則同時(shí)提高抗拉及抗壓強(qiáng)度。3536補(bǔ)充:鋼筋的冷拉拉與冷拔1.鋼筋的冷拉在常溫下將有明顯顯流幅的鋼筋拉伸伸到強(qiáng)化階段k點(diǎn),然后卸載,卸卸載后鋼筋將沿k直線恢復(fù)到0’,鋼筋產(chǎn)生殘余變變形00’。如果再張拉,應(yīng)力力應(yīng)變曲線將沿0’kd變化,轉(zhuǎn)折點(diǎn)高于于冷拉前屈服點(diǎn)b,但流幅不明顯。37時(shí)效硬化——冷拔后,若停留相當(dāng)時(shí)間或或高溫作用后再張張拉,曲線將沿0’kk’變化,轉(zhuǎn)折點(diǎn)提高高到k’點(diǎn)。工程應(yīng)用:一方面提高鋼筋筋的屈服強(qiáng)度,同同時(shí)鋼筋的長度也也延長了,從而達(dá)達(dá)到節(jié)約鋼材的目目的。382.鋼筋的冷拔將直徑為6~8mm的鋼筋在常溫下通通過比自身直徑小小0.5~1mm的鎢金拔絲模冷拔而成。鋼筋在通過拔絲模模后受到很大的側(cè)側(cè)向擠壓而產(chǎn)生塑塑性變形,迫使鋼鋼材內(nèi)部發(fā)生變化化而提高鋼筋的強(qiáng)強(qiáng)度。39二.混凝土預(yù)應(yīng)力砼結(jié)構(gòu)對砼砼性能的要求是::(1)高強(qiáng)度——必須!砼強(qiáng)度等級(jí)愈高,,承受的預(yù)壓應(yīng)力力愈大,能顯著提提高構(gòu)件的抗裂度度;(2)收縮、徐變?。阂詼p少構(gòu)件的預(yù)應(yīng)應(yīng)力損失。(3)快硬、早強(qiáng):可縮短生產(chǎn)周期,,提高了張拉工具具的周轉(zhuǎn)率。40《規(guī)范》規(guī)定:預(yù)應(yīng)力砼結(jié)構(gòu)的砼砼強(qiáng)度等級(jí)不宜低于C30;當(dāng)采用高強(qiáng)鋼絲或或熱處理鋼筋時(shí),,砼強(qiáng)度等級(jí)不宜低于C40。41三.截面形狀和尺尺寸通常是:梁高h(yuǎn)=(1/20—1/14)l0,也可取非預(yù)應(yīng)力梁梁高的70%左右;梁腹寬b=(1/10—1/6)h(宜小些)一般情況,截面的的寬高比宜小,翼翼緣和腹板的厚度度也不宜大。42第四節(jié)預(yù)應(yīng)應(yīng)力砼構(gòu)件計(jì)算基基本原理一.張拉控制應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力損失1.張拉控制應(yīng)力σcon——在制作預(yù)應(yīng)力混凝凝土構(gòu)件時(shí),張拉拉設(shè)備所控制的總總張拉力除以預(yù)應(yīng)應(yīng)力筋截面積得到到的應(yīng)力稱為~。43σcon取值越高,混凝土土的預(yù)壓應(yīng)力越高高,可以節(jié)約鋼筋筋;但張拉控制應(yīng)力應(yīng)應(yīng)有所控制!原因:首先:鋼筋的強(qiáng)度是一一定的,不能無限限制的張拉;其次:如果張拉力過大大,會(huì)使鋼筋應(yīng)力力進(jìn)入屈服階段產(chǎn)產(chǎn)生塑性變形而達(dá)達(dá)不到預(yù)期的預(yù)應(yīng)應(yīng)力效果,甚至還還會(huì)在加荷時(shí)出現(xiàn)現(xiàn)脆性斷裂而突然然破壞。44因此:在充分利用鋼筋筋強(qiáng)度的前提下,,對鋼筋的張拉應(yīng)應(yīng)力必須有所控制制!《結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定:預(yù)應(yīng)力鋼筋筋的張拉控制應(yīng)力力σcon不應(yīng)超過表所列數(shù)數(shù)值。鋼筋種類張拉方法先張法后張法消除應(yīng)力鋼絲、鋼鉸線0.75fptk0.75fptk熱處理鋼筋0.70fptk0.65fptk45那么:一根鋼筋究竟要拉拉多大的力才達(dá)到要求呢?——就是以鋼筋張拉控制應(yīng)應(yīng)力σcon乘以一根鋼筋的截截面面積來決定的的。注:fpyk為用于預(yù)應(yīng)力鋼筋筋的冷拉鋼筋強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值;fptk為用于預(yù)應(yīng)力鋼筋筋的碳素鋼絲等的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。。46因此:在預(yù)應(yīng)力砼構(gòu)件計(jì)計(jì)算時(shí)需解決兩個(gè)問題:鋼筋要張拉多大的的力?預(yù)應(yīng)力損失值有多多少?47因?yàn)椋喉蓬A(yù)壓應(yīng)力的大小小,取決于鋼筋彈彈性回縮的程度;;鋼筋要有足夠回回彈力——這就牽涉到鋼筋要張拉多大的的力?因?yàn)橥ㄟ^張拉鋼筋筋建立的預(yù)應(yīng)力并并不全部有效,實(shí)實(shí)際有效的預(yù)應(yīng)力力受各種因素影響響有所降低——這就牽涉到預(yù)應(yīng)力損失值有多多少?482.預(yù)應(yīng)力損失從張拉開始到構(gòu)件件使用,由于張拉拉工藝和材料的特特性等原因,鋼筋的張拉控制應(yīng)應(yīng)力將不斷的降低,這部分降低值稱稱為預(yù)應(yīng)力損失。在設(shè)計(jì)時(shí)要正確計(jì)算預(yù)應(yīng)力損失值;施工時(shí)要盡量減少預(yù)應(yīng)力損失;——預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的成敗敗關(guān)鍵!49造成預(yù)應(yīng)力損失的的原因主要有以下六種::⑴錨具變形和鋼筋滑動(dòng)引起的預(yù)應(yīng)力損失失δl1(先、后)錨具變形越大,預(yù)預(yù)應(yīng)力損失亦越大大,約占總損失的的5~10%左右。50⑵預(yù)應(yīng)力鋼筋與孔道壁之間間摩擦引起的預(yù)應(yīng)力損失失δ12(后)在后張法張拉鋼筋筋時(shí),由于鋼筋與與孔道壁之間的摩摩擦妨礙了鋼筋伸伸長——因此~,約占總損失的5~15%左右。⑶混凝土加熱養(yǎng)護(hù)護(hù)時(shí),預(yù)應(yīng)力筋與與臺(tái)座之間溫度差引起預(yù)應(yīng)力損失δ13(先)約占20%左右。51⑷鋼筋應(yīng)力松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失失δ14(先、后)占占總總損失的15%左右。⑸砼收縮、徐變引起的應(yīng)力損失δ15(先、后)占總損失的50~60%。這是一項(xiàng)數(shù)值較大大、并占很大比重重的預(yù)應(yīng)力損失,,必須認(rèn)真對待!52⑹環(huán)形配筋對砼局部擠壓引起的預(yù)應(yīng)力損失失δ16(后)直徑不大于3m的圓筒形結(jié)構(gòu)(如如水管等)采用環(huán)環(huán)形配筋時(shí),因鋼鋼筋在圓筒上作螺螺旋式張拉時(shí),砼砼受到局部擠壓而而產(chǎn)生壓陷,引起起預(yù)應(yīng)力損失,約約占總損失的15%左右。減少各項(xiàng)預(yù)應(yīng)力損損失的措施有很多多,有興趣同學(xué)可可看書。53注意:一般情況下,預(yù)應(yīng)應(yīng)力損失總值大約可達(dá)200~250N/mm2之多,故在設(shè)計(jì)及制作作時(shí)要對此有足夠的重視和估估計(jì)。上述各種原因引引起的應(yīng)力損失失,是分批出現(xiàn)現(xiàn)的。54二.預(yù)應(yīng)力砼結(jié)結(jié)構(gòu)計(jì)算原理計(jì)算內(nèi)容——除承載力計(jì)算外,一般還應(yīng)包包括:裂縫和變形驗(yàn)算:承載力是任何構(gòu)件都必必須保證的,對對預(yù)應(yīng)力構(gòu)件也也不例外,所以以承載力計(jì)算是是預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)必必不可少的計(jì)算算內(nèi)容;裂縫和變形驗(yàn)算是為了滿足預(yù)應(yīng)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的正常常使用和耐久性性要求。此外,還應(yīng)進(jìn)行行施工階段的應(yīng)力校核。551.承載力計(jì)算計(jì)算時(shí),截面承承載力達(dá)到極限限狀態(tài),以受彎彎構(gòu)件來說,梁梁破壞時(shí)鋼筋達(dá)到抗拉設(shè)設(shè)計(jì)強(qiáng)度fy,砼達(dá)到抗壓設(shè)計(jì)計(jì)強(qiáng)度fc,這與普通鋼筋砼砼截面承載力極極限的應(yīng)力狀態(tài)態(tài)基本相同;那么:預(yù)應(yīng)力梁與非非預(yù)應(yīng)力梁,如果兩者的尺寸寸、形式、材料料等均相同,則則它們破壞時(shí)能承受的的荷載情況如何何呢?56答案:即:施加預(yù)應(yīng)力并不能提高構(gòu)件件的承載力?……!是一樣的!——兩者的承載力計(jì)計(jì)算基本相同。。因?yàn)槠茐臅r(shí),兩兩者的鋼筋達(dá)到抗拉設(shè)設(shè)計(jì)強(qiáng)度fy,砼達(dá)到抗壓設(shè)計(jì)計(jì)強(qiáng)度fc極限狀態(tài)時(shí)情況況一樣!572.抗裂及裂縫寬寬度驗(yàn)算抗裂驗(yàn)算——考慮砼獲得預(yù)壓壓應(yīng)力后,在使使用荷載作用下下受拉區(qū)應(yīng)力是是否超過砼的抗抗拉強(qiáng)度ftk。采用預(yù)應(yīng)力是提提高構(gòu)件抗裂度度的主要手段。。而砼預(yù)壓應(yīng)力的的大小,取決于于鋼筋可能彈性性回縮的程度。。這就需要考慮鋼鋼筋張拉多大的的力?預(yù)應(yīng)力損損失值有多大??剩下的預(yù)應(yīng)力力效果有多少等等問題。58抗裂驗(yàn)算:鋼筋張拉應(yīng)力減去預(yù)應(yīng)力損失,剩剩下的有效預(yù)應(yīng)應(yīng)力如能使構(gòu)件件在荷載作用下下受拉區(qū)應(yīng)力不不超過砼抗拉強(qiáng)強(qiáng)度ftk,構(gòu)件就不會(huì)開開裂——這就是抗裂驗(yàn)算!59按對抗裂要求的的不同,規(guī)范規(guī)規(guī)定,根據(jù)不同同裂縫控制等級(jí)級(jí)進(jìn)行裂縫驗(yàn)算算。⑴第一級(jí)——嚴(yán)格要求不出現(xiàn)現(xiàn)裂縫的構(gòu)件。在荷載的短期效效應(yīng)組合下,構(gòu)構(gòu)件受拉邊緣砼砼不應(yīng)產(chǎn)生拉應(yīng)應(yīng)力。60⑵第二級(jí)——一般要求不出現(xiàn)裂縫的構(gòu)件。計(jì)算時(shí),對構(gòu)件件受拉邊緣砼的的拉應(yīng)力有較嚴(yán)嚴(yán)格的限制,大大部分預(yù)應(yīng)力砼砼屋面梁、托梁梁、屋架以及中中、重級(jí)工作制制吊車梁等對抗抗裂的要求都屬屬于這一級(jí)。61⑶第三級(jí)——允許出現(xiàn)裂縫的構(gòu)件。采用冷拉鋼筋配配筋的預(yù)應(yīng)力砼砼一般構(gòu)件都屬屬于這一級(jí),其其最大裂縫寬度度ωmax的計(jì)算值不應(yīng)超超過允許值(0.2mm)。623.變形驗(yàn)算由于預(yù)應(yīng)

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