任務(wù)一預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的認(rèn)知與計(jì)算一、預(yù)應(yīng)力混凝土的基本原理鋼筋混凝土構(gòu)件,由于混凝土的極限拉應(yīng)變值為(０.１~０.１５)×１０－２,在使用階段通常帶裂縫工作且變形過(guò)大,其適用范圍受到限制.對(duì)于使用上不允許開(kāi)裂的構(gòu)件,受拉鋼筋應(yīng)力只能達(dá)到２０~３０N/mm２;對(duì)允許開(kāi)裂的構(gòu)件,受拉鋼筋應(yīng)力達(dá)到２５０N/mm２時(shí),裂縫寬度已經(jīng)達(dá)到０.２~０.３mm.由前述內(nèi)容,我們可以通過(guò)加大截面、增加鋼筋、提高材料強(qiáng)度等級(jí)等措施對(duì)截面剛度有一定提高,但會(huì)影響結(jié)構(gòu)使用性能,同時(shí)也不經(jīng)濟(jì),高強(qiáng)度鋼筋不能充分發(fā)揮.下一頁(yè)返回任務(wù)一預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的認(rèn)知與計(jì)算為了充分發(fā)揮高強(qiáng)度鋼筋和混凝土的作用,可以在構(gòu)件受荷以前,預(yù)先人為對(duì)受拉區(qū)的混凝土施加壓力,使其產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力,以抵消或減小使用荷載作用下產(chǎn)生的拉應(yīng)力.因此,可延緩裂縫的出現(xiàn)、減小裂縫寬度以滿足要求.這種在構(gòu)件受荷以前預(yù)先對(duì)受拉區(qū)施加壓應(yīng)力的構(gòu)件,稱為預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件.現(xiàn)以預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁為例,說(shuō)明預(yù)應(yīng)力混凝土的基本原理.如圖９-１所示,在構(gòu)件受荷前,通過(guò)張拉鋼筋固定在構(gòu)件端部,反作用于梁的受拉區(qū)一對(duì)平衡預(yù)壓力N,使梁截面下邊緣混凝土產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力σc,上邊緣產(chǎn)生預(yù)拉應(yīng)力σct,如圖９-１(a)所示.上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的認(rèn)知與計(jì)算當(dāng)荷載作用時(shí),使梁截面下邊緣產(chǎn)生拉應(yīng)力σct,梁上邊緣產(chǎn)生壓應(yīng)力σc,如圖９-１(b)所示,最后的截面應(yīng)力為上述兩種情況的疊加,如圖９-１(c)所示.因此,不難看出預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件可延緩構(gòu)件的開(kāi)裂,提高構(gòu)件的抗裂性能及剛度,減小變形,擴(kuò)大了混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍,使高強(qiáng)度混凝土和鋼筋得以在工程中使用.但預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的正截面承載力無(wú)明顯影響,具有結(jié)構(gòu)計(jì)算與施工都比較繁雜,施工中需要專門(mén)的張拉及錨固設(shè)備,施工的周期長(zhǎng)、費(fèi)用高等缺點(diǎn).二、施加預(yù)應(yīng)力的方法及錨具目前,工程中常用的施加預(yù)應(yīng)力的方法,是通過(guò)張拉結(jié)構(gòu)構(gòu)件中的縱向受力鋼筋,利用鋼筋的彈性回縮,使受拉區(qū)混凝土獲得預(yù)壓應(yīng)力.上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的認(rèn)知與計(jì)算按照張拉鋼筋與澆筑混凝土的先后次序,施加預(yù)應(yīng)力的方法分為先張法和后張法兩種.１.先張法先張法是先張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋,然后澆筑混凝土的方法.其主要工序:首先,在臺(tái)座上(或鋼模內(nèi))將預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉到控制應(yīng)力并臨時(shí)錨固;然后,澆筑混凝土,待混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的７５％以上時(shí)剪斷或放松鋼筋,如圖９-２所示.鋼筋剛性回彈受鋼筋與混凝土的粘結(jié)力阻止,混凝土即獲得預(yù)加壓力.２.后張法上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的認(rèn)知與計(jì)算后張法是先澆筑混凝土,待混凝土結(jié)硬后,在構(gòu)件上直接張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋的方法.這種方法具體分為有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土和無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土兩種.(１)有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土.其主要工序:先澆筑混凝土構(gòu)件并在構(gòu)件中預(yù)留預(yù)應(yīng)力鋼筋的孔道(直線或曲線),待混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定強(qiáng)度后,在孔道內(nèi)穿入預(yù)應(yīng)力鋼筋,依托構(gòu)件張拉鋼筋,用錨具在構(gòu)件端部將其錨固,在孔道內(nèi)壓力灌漿,使鋼筋與混凝土粘結(jié)為整體,同時(shí)可防止鋼筋銹蝕,如圖９-３所示.上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的認(rèn)知與計(jì)算后張法與先張法不同在于,后張法不需要臺(tái)座,但需要永久性的錨具,既可在預(yù)制廠生產(chǎn)也可在施工現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)大中型構(gòu)件,鋼材消耗及成本一般高于先張法,而且工序復(fù)雜、生產(chǎn)周期長(zhǎng).為此,可以采用集先張法和后張法優(yōu)點(diǎn)于一身的無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土,克服了工序繁雜的不足.(２)無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土.其主要工序:預(yù)應(yīng)力鋼筋表面涂刷潤(rùn)滑防腐層(防腐瀝青、防腐油脂),包上塑料布(管),與構(gòu)件中的非預(yù)應(yīng)力鋼筋同時(shí)鋪設(shè)并澆筑混凝土,待混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定強(qiáng)度后張拉鋼筋并錨固.其中,涂層作用是使預(yù)應(yīng)力筋與混凝土隔離無(wú)粘結(jié)力,能夠保證預(yù)應(yīng)力鋼筋在套管內(nèi)自由拉伸,減少預(yù)應(yīng)力損失并防止鋼筋銹蝕.施工工藝與普通混凝土相同,無(wú)須預(yù)留孔道、穿筋、灌漿等.上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的認(rèn)知與計(jì)算張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋除采用機(jī)械張拉方法外,還有電熱張拉法及膨脹水泥自張法.電熱張拉法是利用低電壓強(qiáng)電流使預(yù)應(yīng)力鋼筋受熱伸長(zhǎng),達(dá)到規(guī)定要求后切斷電源錨固,鋼筋冷卻回縮,使混凝土獲得預(yù)壓應(yīng)力.膨脹水泥自張法是利用膨脹水泥制作鋼筋混凝土構(gòu)件,使鋼筋伸長(zhǎng)混凝土自由膨脹受阻而獲得預(yù)壓應(yīng)力.３.錨具錨具是制作預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件,夾持錨固預(yù)應(yīng)力鋼筋的專用工具,分為夾具和錨具兩種.通常將預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件制作完畢后能夠取下重復(fù)使用的稱為夾具;錨固在構(gòu)件端部不能取下重復(fù)使用的稱為錨具.有時(shí)為簡(jiǎn)便計(jì),將夾具和錨具統(tǒng)稱為錨具.上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的認(rèn)知與計(jì)算錨具種類較多,目前,建筑工程施工中常用的錨具有螺絲端桿錨具、JM１２錨具、套筒式夾具、鐓頭錨具等,如圖９-４所示.三、張拉控制應(yīng)力與預(yù)應(yīng)力損失１.張拉控制應(yīng)力σcon張拉控制應(yīng)力是指在張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋時(shí)所控制達(dá)到的最大應(yīng)力值.其值為張拉設(shè)備上的測(cè)力計(jì)所指示的總拉力除以預(yù)應(yīng)力鋼筋截面面積而得出的應(yīng)力值,用σcon表示.張拉控制應(yīng)力的取值,直接影響預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的使用效果.上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的認(rèn)知與計(jì)算取值越高,混凝土獲得的預(yù)壓應(yīng)力越大,構(gòu)件的抗裂性能越好,變形越小,但不能過(guò)高,采用超張拉施工工藝時(shí),張拉鋼筋過(guò)程中可能發(fā)生鋼筋被拉斷的現(xiàn)象.因此,?規(guī)范?規(guī)定張拉控制應(yīng)力應(yīng)符合表９-１的要求.２.預(yù)應(yīng)力損失由于張拉工藝和材料特性等原因,從張拉鋼筋開(kāi)始直至構(gòu)件使用階段的過(guò)程中,鋼筋的應(yīng)力不斷降低,其降低部分稱為預(yù)應(yīng)力損失.同時(shí),混凝土預(yù)壓應(yīng)力隨之降低,產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力損失的因素很多,對(duì)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的設(shè)計(jì)、施工及使用會(huì)產(chǎn)生直接影響.為此,我們必須認(rèn)識(shí)損失產(chǎn)生的原因,并從中找出減小損失的措施.上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的認(rèn)知與計(jì)算(１)張拉端錨具的變形和鋼筋內(nèi)縮引起的預(yù)應(yīng)力損失σl１.產(chǎn)生原因:在預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉端達(dá)到控制應(yīng)力后,將其錨固在臺(tái)座或構(gòu)件端部,由于錨具變形、墊板與墊板及墊板與構(gòu)件間的縫隙被壓緊;鋼筋在錨具內(nèi)的滑動(dòng)都會(huì)造成鋼筋回縮而產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力損失σl１.減小σl１可采取的措施:從減小a值、增大l值入手.１)選擇變形小和使鋼筋內(nèi)縮小的錨具,盡量減小墊板的數(shù)量;２)采用先張法生產(chǎn)的構(gòu)件,增大臺(tái)座長(zhǎng)度l值,對(duì)σl１的減小效果更明顯.如臺(tái)座長(zhǎng)度為１００m以上時(shí),可達(dá)到忽略的程度.上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的認(rèn)知與計(jì)算(２)預(yù)應(yīng)力鋼筋與孔道壁之間的摩擦引起的預(yù)應(yīng)力損失σl２.產(chǎn)生原因:采用后張法張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋時(shí),由于預(yù)應(yīng)力鋼筋與孔道壁接觸而產(chǎn)生摩擦阻力,以致預(yù)應(yīng)力截面隨距張拉端的距離增加而增大,即預(yù)應(yīng)力損失σl２增大.減小σl２可采取的措施如下:１)對(duì)于較長(zhǎng)的構(gòu)件可采用兩端張拉,x值減小一半,σl２也減小一半;２)采用超張拉的施工方法:上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的認(rèn)知與計(jì)算此法比一次張拉到σcon的預(yù)應(yīng)力均勻,且距張拉端最遠(yuǎn)截面預(yù)應(yīng)力值是由超張拉獲得的應(yīng)力,從而減少了σcon損失.(３)混凝土加熱養(yǎng)護(hù)時(shí)受張拉鋼筋與承受拉力設(shè)備之間的溫差引起的預(yù)應(yīng)力損失σl３.產(chǎn)生原因:對(duì)于先張法構(gòu)件,為縮短周期,提高設(shè)備周轉(zhuǎn)率通常采用蒸汽養(yǎng)護(hù)方法以加快混凝土的結(jié)硬.升溫時(shí),鋼筋受熱膨脹相對(duì)伸長(zhǎng),產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力損失.降溫時(shí),鋼筋與混凝土粘結(jié)作用,兩者同步回縮,故損失不可恢復(fù).減小σl３可采取的措施如下:上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的認(rèn)知與計(jì)算１)采用兩次升溫養(yǎng)護(hù),即先升溫２０℃養(yǎng)護(hù)至混凝土強(qiáng)度達(dá)７~１０N/mm２時(shí),再次升溫到規(guī)定的養(yǎng)護(hù)溫度,鋼筋與混凝土同步脹縮而不再產(chǎn)生應(yīng)力損失,故此時(shí)σl３＝２Δt＝４０N/mm２.２)在鋼模上張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋,無(wú)溫度差而言,故σl３＝０,消除了σl３.(４)預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失σl４.產(chǎn)生原因:鋼筋在高應(yīng)力作用下,其塑性變形隨時(shí)間而增長(zhǎng),長(zhǎng)度保持不變,鋼筋應(yīng)力也隨之降低的現(xiàn)象,稱為鋼筋的應(yīng)力松弛.由此引起應(yīng)力損失σl４,與預(yù)應(yīng)力鋼筋種類及張拉工藝等因素有關(guān),按表９-２規(guī)定計(jì)算.上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的認(rèn)知與計(jì)算減少σl４可采取的措施:１)采用低松弛的高強(qiáng)度鋼筋;２)采用超張拉的施工方法,松弛在短時(shí)間內(nèi)完成,從而減少預(yù)應(yīng)力損失.(５)混凝土收縮與徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失σl５.產(chǎn)生原因:由于混凝土的收縮與徐變,使構(gòu)件長(zhǎng)度縮短,預(yù)應(yīng)力鋼筋也隨之回縮造成預(yù)應(yīng)力損失σl５、σ′l５(受壓區(qū)縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋的預(yù)應(yīng)力損失).先張法構(gòu)件:上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的認(rèn)知與計(jì)算后張法構(gòu)件:先張法構(gòu)件:上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的認(rèn)知與計(jì)算后張法構(gòu)件:減少σl５可采取的措施:１)采用高強(qiáng)度水泥,減少水泥用量,降低水膠比,采用干硬性混凝土;２)采用級(jí)配較好的集料,加強(qiáng)振搗,提高混凝土的密實(shí)性;３)加強(qiáng)養(yǎng)護(hù),以減少混凝土的收縮;４)控制預(yù)應(yīng)力鋼筋放張時(shí)混凝土的立方體強(qiáng)度及預(yù)壓應(yīng)力σpc、σ′pc值,均不能大于０.５f′cu.上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的認(rèn)知與計(jì)算(６)用螺旋式預(yù)應(yīng)力鋼筋作配筋的環(huán)形構(gòu)件,由于混凝土的局部擠壓引起的預(yù)應(yīng)力損失σl６.產(chǎn)生原因:由于預(yù)應(yīng)力鋼筋對(duì)環(huán)形構(gòu)件的外壁徑向壓力作用,使混凝土產(chǎn)生局部擠壓,使構(gòu)件直徑減小,預(yù)應(yīng)力鋼筋回縮而引起的σl６.當(dāng)構(gòu)件的外徑d≤３m時(shí),σl６＝３０N/mm２;當(dāng)d＞３m時(shí),σl６＝０.３.預(yù)應(yīng)力損失值的組合上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)一預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的認(rèn)知與計(jì)算上述各項(xiàng)預(yù)應(yīng)力損失σl１~σl６中,對(duì)先張法構(gòu)件和后張法構(gòu)件的發(fā)生各不相同,發(fā)生的先后時(shí)間也不盡相同.為了計(jì)算方便,將預(yù)應(yīng)力損失劃分成兩批:發(fā)生在混凝土預(yù)壓前的預(yù)應(yīng)力損失,稱為第一批預(yù)應(yīng)力損失,用σlⅠ表示;發(fā)生在混凝土預(yù)壓后的預(yù)應(yīng)力損失,稱為第二批預(yù)應(yīng)力損失.用σlⅡ表示.其組合情況,見(jiàn)表９-３.上一頁(yè)返回任務(wù)二預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的構(gòu)造應(yīng)用一、預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件對(duì)材料的要求１.鋼筋預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件對(duì)所選用的鋼筋應(yīng)具有強(qiáng)度高、塑性及可焊性好、低松弛及良好的粘結(jié)性能.因此,宜采用預(yù)應(yīng)力鋼絲、鋼絞線、預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋,其抗拉強(qiáng)度可達(dá)到１０００N/mm２以上.對(duì)于中小型預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件,還可采用冷軋帶肋鋼筋、冷軋扭鋼筋等,其強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為６５０~９７０N/mm２.２.混凝土預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的混凝土應(yīng)滿足強(qiáng)度高、快硬早強(qiáng)、收縮與徐變小的性能要求.下一頁(yè)返回任務(wù)二預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的構(gòu)造應(yīng)用因此,混凝土強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于C３０,而且不宜低于C４０.二、截面形式與尺寸預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件截面形式同普通的鋼筋混凝土受彎構(gòu)件,常見(jiàn)截面有矩形、T形、I形和箱形等.由于截面抗彎剛度大、抗裂度高、材料強(qiáng)度高,因此,構(gòu)件截面尺寸比普通的鋼筋混凝土構(gòu)件小,適用大跨度結(jié)構(gòu).一般截面高度h取其跨度l的１/２０~１/１４,腹板寬度b取其截面高度h的１/１５~１/８.三、先張法構(gòu)件的構(gòu)造措施上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)二預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的構(gòu)造應(yīng)用(１)先張法預(yù)應(yīng)力鋼筋之間的凈距,不宜小于其公稱直徑的２.５倍和混凝土粗集料粒徑的１.２５倍,且應(yīng)符合下列規(guī)定:預(yù)應(yīng)力鋼絲,不應(yīng)小于１５mm;３股鋼絞線,不宜小于２０mm;７股鋼絞線,不應(yīng)小于２５mm.(２)先張法構(gòu)件端部宜采取下列加強(qiáng)措施:１)對(duì)單根配置的預(yù)應(yīng)力鋼筋,其端部設(shè)置長(zhǎng)度不小于１５０mm,且不少于４圈螺旋筋,如圖９-５(a)所示.也可以利用支座墊板上的插筋代替,根數(shù)不應(yīng)少于４根,如圖９-５(b)所示.上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)二預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的構(gòu)造應(yīng)用２)對(duì)于分散布置的多根預(yù)應(yīng)力筋,在構(gòu)件端部１０d且不小于１００mm范圍內(nèi),設(shè)置３~５片與預(yù)應(yīng)力鋼筋垂直的鋼筋網(wǎng)片,如圖９-５(c)所示.３)對(duì)于采用預(yù)應(yīng)力鋼絲配筋的薄板,在板端１００mm范圍內(nèi)適當(dāng)加密橫向鋼筋,如圖９-５(d)所示.４)對(duì)于槽形板類構(gòu)件,應(yīng)在構(gòu)件端部１００mm范圍內(nèi),沿板面設(shè)置附加橫向鋼筋,其數(shù)量不少于２根.預(yù)制槽形板,宜設(shè)置加強(qiáng)其整體性和橫向剛度的橫肋,端橫肋的受力鋼筋應(yīng)彎入縱肋內(nèi).上一頁(yè)下一頁(yè)返回任務(wù)二預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的構(gòu)造應(yīng)用當(dāng)采用先張長(zhǎng)線法生產(chǎn)有端橫肋的預(yù)應(yīng)力混凝土肋形板時(shí),應(yīng)在設(shè)計(jì)和制作上采取防止放張預(yù)應(yīng)力時(shí),端橫肋產(chǎn)生裂縫的有效措施.５)在預(yù)應(yīng)力混凝土屋面梁、吊車(chē)梁等構(gòu)件靠近支座的斜向主拉應(yīng)力較大部位,宜將一部分預(yù)應(yīng)力鋼筋彎起配置.６)預(yù)應(yīng)力鋼筋在構(gòu)件端部全部彎起的受彎構(gòu)件或直線配筋的先張法構(gòu)件,當(dāng)構(gòu)件端部與下部支承