《项目四混凝土结构的适用性和耐久性.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《项目四混凝土结构的适用性和耐久性.docx（43页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、项目四 混凝土结构的适用性和耐久性任务1：挠度和裂缝宽度验算结构或构件应满足两种极限状态要求，一是承载能力极限状态，一是正常使用极限状态。这是因为构件过大的挠度和裂缝会影响结构的正常使用。例如，楼盖构件挠度过大，将造成楼层地面不平，或使用中发生有感觉的震颤；屋面构件挠度过大会妨碍屋面排水；吊车梁挠度过大会影响吊车的正常运行，等等。而构件裂缝过大时，会使钢筋锈蚀，从而降低结构的耐久性，并且裂缝的出现和扩展还会降低构件的刚度，从而使变形增大，甚至影响正常使用。因此，受弯构件除应满足承载力要求外，必要时还需进行变形和裂逢宽度验算，以保证其不超过正常使用极限状态，确保结构构件的耐久性能及正常使用。【知
2、识链接】1.1 概述1、混凝土结构构件应根据其使用功能及外观要求，按下列规定进行正常使用极限状态验算：1）对需要控制变形的构件，应进行变形验算；2）对不允许出现裂缝的构件，应进行混凝土拉应力验算；3）对允许出现裂缝的构件，应进行受力裂缝宽度验算；4）对舒适度有要求的楼盖结构，应进行竖向自振频率验算。2、对于正常使用极限状态，钢筋混凝土构件、预应力混凝土构件应分别按荷载的准永久组合并考虑长期作用的影响或标准组合并考虑长期作用的影响，采用下列极限状态设计表达式进行验算：SCS正常使用极限状态荷载组合的效应设计值；C结构构件达到正常使用要求所规定的变形、应力、裂缝宽度和自振频率等的限值。在本任务中，
3、我们主要来学习裂缝宽度和变形的验算。3、变形验算对于钢筋混凝土受弯构件，按荷载的准永久组合，并考虑长期作用的影响计算。计算出的最大挠度f不应超过规定的挠度限值，即混凝土结构设计规范规定的最大受弯构件挠度限值按表1.4.1确定。表1.4.1 受弯构件的挠度限值构件类型 挠度限值 吊车梁 手动吊车 l0/500电动吊车 l0/600屋盖、楼盖及楼梯构件 l07ml0/200（l0/250） 7ml09ml0/250（l0/300） l09ml0/300（l0/400） 注：表中l0为构件的计算跨度。计算悬臂构件时，l0按实际悬臂长度的2倍取用；表中括号内的数值适用于使用对挠度有较高要求的构件；如果
4、构件制作时预先起拱，且使用上也允许，则在验算挠度时，可将计算所得的挠度值减去起拱值；构件制作时的起拱值不宜超过构件在相应的荷载组合作用下的计算挠度值。 4、裂缝控制结构构件正截面的受力裂缝控制等级分为三级，等级划分及要求应符合下列规定：一级严格要求不出现裂缝的构件，按荷载标准组合计算时，构件受拉边缘混凝土不应产生拉应力。即其中，荷载标准组合下抗裂验算边缘的混凝土拉应力；抗裂验算边缘混凝土的有效预压应力。二级一般要求不出现裂缝的构件，按荷载标准组合计算时，构件受拉边缘混凝土拉应力不应大于混凝土抗拉强度的标准值。即三级允许出现裂缝的构件，按荷载的准永久组合，并考虑长期作用影响的计算。计算出的最大裂
5、缝宽度Wmax不应超过规定的裂缝宽度限值Wlim，即 混凝土结构设计规范规定的最大裂缝宽度值按表1.4.2确定。表1.4.2 钢筋混凝土结构构件的裂缝控制等级及最大裂缝宽度限值wlim环境类别 一 二a二b三a、三b 裂缝控制等级 三级 三级 三级 三级最大裂缝宽度限值wlim（mm） 0.3（0.4） 0.20.20.2注：对处于年平均相对湿度小于60%地区的一类环境下的受弯构件，其最大裂缝宽度限值可采用括号内的数值；在一类环境下，对钢筋混凝土屋架、托架及需作疲劳验算的吊车梁，其最大裂缝宽度限值应取为0.2mm；对钢筋混凝土屋面梁和托架，其最大裂缝宽度限值应取为0.30mm；对于烟囱、筒仓和
6、处于液体压力下的结构构件，其裂缝控制要求应符合专门标准的有关规定；对处于四、五类环境下的结构构件，其裂缝控制要求应符合专门标准的有关规定；表中的最大裂缝宽度限值用于验算荷载作用引起的最大裂缝宽度。1.2钢筋混凝土受弯构件变形验算一、钢筋混凝土受弯构件的截面刚度1、钢筋混凝土受弯构件截面刚度的特点钢筋混凝土受弯构件变形计算的实质是刚度验算。在材料力学中，我们学习了受弯构件挠度（变形）计算的方法。例如：简支梁受均布荷载作用下梁的跨中最大挠度为：；简支梁跨中一个集中荷载下的跨中最大挠度为：；悬臂梁受均布荷载作用下的自由端最大挠度为：；悬臂梁自由端受集中荷载作用下的自由端最大挠度为：。其中EI为截面弯
7、曲刚度，它是一常量。材料力学公式不能直接用来计算钢筋混凝土受弯构件的挠度。原因是，材料力学公式是在假想梁为理想的匀质弹性体的基础上建立起来的，而钢筋混凝土既非匀质材料，又非弹性材料（仅在混凝土开裂前呈弹性性质），并且由于钢筋混凝土受弯构件在使用阶段一般已开裂，这些裂缝把构件的受拉区混凝土沿梁纵轴线分成许多短段，使受拉区混凝土成为非连续体。可见，钢筋混凝土受弯构件不符合材料力学的假定，因此挠度计算公式不能直接应用。研究表明，钢筋混凝土构件的截面刚度为一变量，其特点可归纳为：随弯矩的增大而减小。这意味着，某一根梁的某一截面，当荷载变化而导致弯矩不同时，其弯曲刚度会随之变化。并且，即使在同一荷载作用
8、下的等截面梁中，由于各个截面的弯矩不同，其弯曲刚度也会不同；随纵向受拉钢筋配筋率的减小而减小；荷载长期作用下，由于混凝土徐变的影响，梁的某个截面的刚度将随时间增长而降低。影响受弯构件刚度的因素有弯矩、纵筋配筋率与弹性模量、截面形状和尺寸、混凝土强度等级等，在长期荷载作用下刚度还随时间而降低。在上述因素中，梁的截面高度h影响最大。 2、刚度计算公式刚度分为短期刚度和长期刚度，计算挠度所用的刚度为长期刚度，长期刚度是以短期刚度为基础计算而来的。1）短期刚度Bs钢筋混凝土受弯构件出现裂缝后，在荷载效应的准永久组合作用下的截面弯曲刚度称为短期刚度，用Bs表示。根据理论分析和试验研究的结果，一般钢筋混凝
9、土受弯构件的短期刚度表达式为：（1.4.1）式中Es纵向受拉钢筋的弹性模量；按表1.1.2采用；As纵向受拉钢筋的截面面积；h0受弯构件截面有效高度； 裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数， （1.4.2）当计算出的0.2时，取0.2；当1.0时，取=1.0；混凝土轴心抗拉强度标准值； 按截面的“有效受拉混凝土截面面积” Ate计算的纵向受拉钢筋配筋率：As/Ate （1.4.3）对于受弯构件，Ate按下式计算（图1.4.1）： （1.4.4）当计算出的0.01时，取=0.01。按荷载准永久组合计算的钢筋混凝土构件纵向受拉钢筋的应力： （1.4.5）Mq按荷载准永久组合计算的弯矩值； 钢筋弹性模量
10、Es与混凝土弹性模量Ec的比值，即E=Es/Ec；纵向受拉钢筋配筋率； 受压翼缘截面面积与腹板有效截面面积的比值： （1.4.6） 当hf0.2h0时，取hf=0.2h0 。当截面受压区为矩形时，f=0。图1.4.1 有效受拉混凝土面积Ate 计算图2）长期刚度B前面已述及，在荷载长期作用下，构件截面弯曲刚度将随时间增长而降低。而实际工程中，总是有部份荷载长期作用在构件上，因此，计算挠度时必须采用考虑荷载效应的长期作用影响的刚度，即长期刚度，以B表示。 a）采用荷载标准组合时 （1.4.7-1）b）采用荷载准永久组合时 （1.4.7-2）式中 Mq 按荷载的准永久组合计算的弯矩，取计算区段内的
11、最大弯矩值；Mk 按荷载的标准组合计算的弯矩，取计算区段内的最大弯矩值； 考虑荷载长期作用对挠度增大的影响系数，对钢筋混凝土受弯构件：当=0时，取2.0；当=时，取1.6；为中间数值时，按线性内插法取用。此处为纵向受拉钢筋的配筋率，；为纵向受压钢筋的配筋率，。对于翼缘位于受拉区的倒T形截面，值应增大20%。长期刚度实质上是考虑荷载长期作用部份使刚度降低的因素后，对短期刚度Bs进行的修正。二、钢筋混凝土受弯构件的挠度计算 1、最小刚度原则如前所述，钢筋混凝土受弯构件开裂后，其截面弯曲刚度是随弯矩增大而降低的，因此，较准确的计算方法似乎应该将构件按弯曲刚度大小分段计算挠度，但这样计算无疑会显得十分
12、繁琐。为简化计算，可取同号弯矩区段内弯矩最大截面的弯曲刚度作为该区段的弯曲刚度，即：1） 在简支梁中取最大正弯矩截面的刚度为全梁的弯曲刚度，见图1.4.2；2） 在外伸梁、连续梁或框架梁中，则分别取最大正弯矩截面和最大负弯矩截面的刚度作为相应正、负弯矩区段的弯曲刚度；当计算跨度内的支座截面刚度不大于跨中截面刚度的2倍或不小于跨中截面刚度的1/2时，该跨也可按等刚度构件进行计算，其构件刚度可取跨中最大弯矩截面的刚度。很明显，按这种处理方法所算出的弯曲刚度值最小，所以我们称这种处理原则为“最小刚度原则”。图1.4.2梁刚度分布图2、挠度计算梁的弯曲刚度确定后，就可以根据材料力学公式计算其挠度。但需
13、注意，公式中的弯曲刚度EI应以长期刚度B代替，公式中的荷载应按荷载效应标准组合取值，即 （1.4.8）式中f按“最小刚度原则”并采用长期刚度计算的挠度；与荷载形式和支承条件有关的系数。例如：简支梁承受均布荷载作用时=5/48；简支梁承受跨中集中荷载作用时=1/12；悬臂梁承受均布荷截作用时=1/4；悬臂梁受杆端集中荷截作用时=1/3。挠度验算是在承载力计算完成后进行的。此时，构件的截面尺寸、跨度、荷载、材料强度以及钢筋配置情况都是已知的，计算出的最大挠度f，应满足： ff （1.4.9） 式中f 钢筋混凝土受弯构件的挠度限值，按表1.4.1采用。当不能满足式（1.4.9）时，说明受弯构件的弯曲
14、刚度不足，应采取措施后重新验算。理论上讲，提高混凝土强度等级，增加纵向钢筋的数量，选用合理的截面形状（如形、形等）都能提高梁的弯曲刚度，但其效果并不明显，最有效的措施是增加梁的截面高度。所以，我们优先采用增加梁截面高度的办法来提高梁的弯曲刚度，当设计上构件截面尺寸不能加大时，才考虑增加纵向受拉钢筋截面面积或提高混凝土强度等级；对某些构件还可以充分利用纵向受压钢筋对长期刚度的有利影响，在构件受压区配置一定数量的受压钢筋。此外，采用预应力混凝土构件也是提高受弯构件刚度的有效措施。1.3裂缝宽度验算一、裂缝的产生和开展1、裂缝产生的原因钢筋混凝土结构裂缝根据其产生的原因不同可分为荷载裂缝、温度裂缝、
15、干缩裂缝、腐蚀裂缝、沉降裂缝等。1） 荷载裂缝结构在荷载作用下变形过大而产生的裂缝。一般多出现在构件的受拉区域、受剪区域或振动严重等部位。产生的主要原因是结构设计、施工错误、承载能力不足、地基不均匀沉降等等。钢筋混凝土结构是由混凝土和钢筋共同承担极限状态的承载力，结构设计师需根据地基情况，静、动荷载，环境因素、结构耐久性等控制荷载裂缝。2）温度裂缝由大气温度变化、周围环境高温的影响和大体积混凝土施工时产生的水化热等因素造成，当冷缩值大于混凝土极限拉伸值时混凝土就开裂。3）干缩裂缝这类裂缝一是由于材料缺陷引起的，研究表明，水泥加水后变成水泥硬化体，其绝对体积减小，毛细孔缝中水逸出产生毛细压力，使
16、混凝土产生毛细收缩，由此引起混凝土干缩，其值大于混凝土极限拉伸值时引起干缩裂缝。4）沉降裂缝现浇构件因地基或砌体过大不均匀沉降，模板刚度不足、支撑间距大、支撑松动、过早拆模等，均可导致产生沉降裂缝。5）腐蚀裂缝由于有害离子Cl- ,SO42- ,Mg2+ 等侵入混凝土内部，导致钢筋锈蚀而使混凝土产生的后期膨胀裂缝。后四种裂缝，主要是采取相关构造措施来解决，不需进行裂缝宽度计算。以下所指的裂缝均指由荷载引起的裂缝。2、荷载裂缝的开展我们知道，混凝土的抗拉强度很低。当构件受拉区外边缘混凝土的拉应力达到其抗拉强度时，由于混凝土的塑性变形，尚不会马上开裂，但当受拉区外边缘混凝土在构件抗弯最薄弱的截面达
17、到其极限拉应变时，就会在垂直于拉应力方向形成第一批（一条或若干条）裂缝。由于混凝土具有离散性，因而裂缝发生的部位是随机的。在裂缝出现瞬间，裂缝截面处混凝土退出工作，应力降低为零，原来的拉应力全部由钢筋承担，使钢筋应力突然增大。裂缝出现后，原来处于拉伸状态的混凝土便向裂缝两侧回缩，混凝土与受拉纵向钢筋之间产生相对滑移而使裂缝不断开展。见图1.4.3图1.4.3裂缝的开展沿裂缝深度，裂缝的宽度是不相同的。钢筋表面处的裂缝宽度大约只有构件混凝土表面裂缝宽度的1/51/3。我们所要验算的裂缝宽度是指受拉钢筋重心水平处构件侧表面上混凝土的裂缝宽度。二、裂缝宽度计算的方法我们先来分析一下主要有哪些因素影响
18、裂缝宽度，然后根据主要影响因素导出裂缝宽度的计算公式。1、影响裂缝宽度的主要因素纵向钢筋的应力。裂缝宽度与钢筋应力近似成线性关系；纵筋的直径。当构件内受拉纵筋截面相同时，采用细而密的钢筋，则会增大钢筋表面积，因而使粘结力增大，裂缝宽度变小；纵筋表面形状。带肋钢筋的粘结强度较光面钢筋大得多，可减小裂度宽度；纵筋配筋率。构件受拉区混凝土截面的纵筋配筋率越大，裂缝宽度越小；保护层厚度。保护层越厚，裂缝宽度越大。 2、裂缝宽度计算公式钢筋混凝土受弯构件按荷载标准组合或准永久组合并考虑长期作用影响的最大裂缝宽度计算公式为： （1.4.10） （1.4.11）式中Cs最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区底边的
19、距离，当Cs20mm时，取Cs=20mm；当Cs65mm时，取Cs=65mm； 受拉区纵向钢筋的等效直径，当受拉区纵向钢筋为一种直径时，；受拉区第i种纵向钢筋的相对粘结特性系数带肋钢筋，取=1.0；光面钢筋，取 =0.7； 受拉区第 i 种纵向钢筋的根数； 受拉区第i种纵向钢筋的公称直径。对于直接承受吊车荷载但不需做疲劳验算的吊车梁，因吊车满载的可能性很小，计算出的最大裂缝宽度可乘以系数0.85。裂缝宽度验算是在承载力计算完成后进行的。此时，构件的截面尺寸、跨度、荷载、材料强度以及钢筋配置情况都是已知的，计算出的最大裂缝宽度，应满足： （1.4.12）式中钢筋混凝土受弯构件的最大裂缝宽度限值，
20、按表1.4.2采用。如果裂缝宽度不满足规范要求，那么我们需要采取减小裂缝宽度的措施。3、减小裂缝宽度的措施增大钢筋截面积；在钢筋截面面积不变的情况下，采用较小直径的钢筋；采用变形钢筋；提高混凝土强度等级；增大构件截面尺寸；减小混凝土保护层厚度。其中，采用较小直径的变形钢筋是减小裂缝宽度最有效的措施。需要注意的是，混凝土保护层厚度应同时考虑耐久性和减小裂缝宽度的要求。除结构对耐久性没有要求，而对表面裂缝造成的观瞻有严格要求外，不得为满足裂缝控制要求而减小混凝土保护层厚度。采取了相应措施后再重新验算最大裂缝宽度，直到满足规范要求。【任务实施】工作任务1：简支矩形截面梁的截面尺寸bh250mmX60
21、0mm，混凝土强度等级为C30，配置418纵向钢筋（HRB400），8200的箍筋（HPB300），混凝土保护层c25mm，承受均布荷载，按荷载的标准组合计算的跨中弯矩值Mk120kNm，按荷载的准永久组合计算的跨中弯矩值Mq80kNm，梁的计算跨度l06.5m，挠度限值为l0/250。试验算挠度是否符合要求。解： ftk 2.01Nmm2 ，Es 2.0X105Nmm2 ，Ec3.0X104Nmm2， EsEc 2.0X1053.0X1046.67，h0600(25十18/28)二558mmAs1017mm2 As/bh01017/250 X5580.007290.0136（因为截面为矩形）
22、5.89 X1013Nmm2采用荷载标准组合时：（=0时，2.0）3.534X1013Nmm2采用荷载准永久组合时：X1013Nmm2取小值，所以，梁的挠度值满足规范要求。工作任务2：某办公楼矩形截面简支楼面梁，计算跨度l0=6.0m，截面尺寸b h =200 450 mm，承受恒载标准值gk=16.55kN/m（含自重），活荷载标准值qk=2.7kN/m，纵向受拉钢筋为325（HRB400），8200的箍筋（HPB300），混凝土强度等级为C25，c=20mm。已知：=0.033，=162.9N/mm2，=0.885，裂缝宽度限值为0.3mm，试验算裂缝宽度。解：Es=2105N/mm2，=
23、1.0（1）计算受力钢筋为变形钢筋，且为同一种直径，故=25/1.0=25mm（2）计算Cs、Cs20828mm任务中已给出：=0.033，=162.9N/mm2，=0.885（3）计算，并判断裂缝是否符合要求 =0.16mm=0.3mm所以，裂缝宽度满足要求。工作任务3：某教学楼简支矩形截面梁的截面尺寸bh250mmX500mm，混凝土强度等级为C35，配置420纵向钢筋（HRB400），10200的箍筋（HPB300），混凝土保护层c20mm，承受跨中集中荷载，按荷载的标准组合计算的跨中弯矩值Mk150kNm，按荷载的准永久组合计算的跨中弯矩值Mq110kNm，梁的计算跨度l06.0m，挠
24、度限值为l0/250。试验算挠度是否符合要求。工作任务4：已知条件同工作任务3。裂缝宽度限值为0.3mm，试验算裂缝宽度是否满足要求。任务2：预应力混凝土一、钢筋混凝土存在的问题钢筋混凝土是由混凝土和钢筋两种物理力学性能不同的材料所组成的弹塑性材料。混凝土抗拉强度及极限拉应变值都很低，其抗拉强度只有抗压强度的1/91/16。混凝土的极限拉应变仅为0.110-30.1510-3，即每米只能拉长0.10.15mm，超过后就会出现裂缝。而钢筋的极限拉应变却要大得多，约为0.01，即每米能拉长10mm，是混凝土的近100倍。由于混凝土的抗拉性能很差，使钢筋混凝土存在两个无法解决的问题：一是裂缝使构件刚
25、度降低。但在使用荷载作用下，钢筋混凝土的受拉、受弯等构件通常都是带裂缝工作的。二是裂缝使构件耐久性降低。从保证结构耐久性出发，必须限制裂缝宽度，而且有的构件因为环境或使用要求是不允许开裂的。为了要满足变形和裂缝控制的要求，则需增大构件的截面尺寸和用钢量，这将导致自重过大，使钢筋混凝土结构用于大跨度或承受动力荷载的结构成为不可能或很不经济。从理论上讲，提高材料强度可以提高构件的承载力，从而达到节省材料和减轻构件自重的目的。但在普通钢筋混凝土构件中，提高钢筋强度却难以收到预期的效果。这是因为，对配置高强度钢筋的钢筋混凝土构件而言，承载力可能已不是控制条件，起控制作用的因素可能是裂缝宽度或构件的挠度
26、。对使用上不允许开裂的构件，受拉钢筋的应力只能用到2030N/mm2，不能充分利用其强度。对使用上允许开裂的构件，当受拉钢筋应力达到250N/mm2时，裂缝宽度已达0.20.3mm，而目前纵向钢筋普遍使用的是HRB400和HRB500级钢筋，即屈服强度标准值达400 N/mm2和500 N/mm2。因此，要么裂缝过宽，要么钢筋不能充分利用。而提高混凝土强度等级对提高构件的抗裂性能和控制裂缝宽度的作用是非常有限的。二、预应力混凝土的发展早在19世纪80年代，西欧和北美的学者就开始预应力混凝土的实验活动，并取得了一定成果。预应力混凝土进入实用阶段应归功于法国著名工程师艾弗瑞斯尼特。从50年代起，美
27、国、加拿大、日本、澳大利亚等国也都引进西欧技术，开始推广预应力结构。我国预应力混凝土是随着第一个五年计划的开展,于50年代中期开始起步的。从80年代起，随着高强钢丝和高强钢绞线生产的好转，我国开始发展采用高强钢材的预应力混凝土，在工艺上采用有粘结、无粘结。在房屋建筑中，目前我国层数最多的预应力工程是广东国际大厦主楼，总计63层，采用无粘结预应力平板结构体系。面积最大的单体工程是首都国际机场新航站楼，每层面积8.8万平方米。除了大跨度建筑结构，现代预应力混凝土技术还广泛应用于公路路面及桥梁、铁路、海洋、水利、机场、核电站等工程之中。【知识链接】2.1预应力混凝土的基本原理1、预应力混凝土的基本原
28、理为了避免钢筋混凝土结构的裂缝过早出现，充分利用高强度钢筋及高强度混凝土，可以设法在结构构件承受使用荷载前，预先对受拉区的混凝土施加压力，使它产生预压应力来减小或抵消荷载所引起的混凝土拉应力，从而将结构构件的拉应力控制在较小范围，甚至处于受压状态。也就是借助混凝土较高的抗压能力来弥补其抗拉能力的不足，以推迟混凝土裂缝的出现和开展，从而提高构件的抗裂性能和刚度。预应力的概念在生产和生活中应用颇广。盛水的木桶在使用前要用铁箍把木板箍紧，就是为了使木块受到环向预压力，装水后，只要由水产生的环向拉力不超过预压力，就不会漏水。2、预应力混凝土构件的受力过程分析现以预应力混凝土简支梁的受力情况为例来分析，
29、如图1.4.4所示。1)在荷载作用之前，预先在梁的受拉区施加一对大小相等，方向相反的偏心预压力F，使梁截面下边缘混凝土产生预压应力 (图1.4.4（a ）)；2)当外荷载作用时，截面下边缘将产生拉应力 (图1.4.4（b）)；3)最后的应力分布为上述两种情况的叠加，梁的下边缘应力可能是数值很小的拉应力（图1.4.4（c）)，也可能是压应力。也就是说，由于预压应力的作用，可部分抵消或全部抵消外荷载所引起的拉应力，因而延缓了混凝土构件的开裂或者构件不开裂。图1.4.4预应力梁的受力情况(a)压力作用下；（b)荷载作用下；(c)预压力与荷载共同作用下图1.4.5 梁的荷载-挠度曲线对比图图1.4.5
30、为两根具有相同材料强度、跨度、截面尺寸和配筋量的梁的(荷载挠度) 曲线对比图。其中一根为普通钢筋混凝土梁，另一根为预应力混凝土梁。可以看出，预应力梁的开裂荷载地Fpcr，大于钢筋混凝土梁的开裂荷载Fcr；同时在相同的使用荷载作用下，前者并未开裂而后者已开裂，且前者的挠度小于后者的挠度；但两者最终的破坏荷载基本相同。2.2 预应力的分类1、根据预加应力值大小对构件截面裂缝控制程度的不同，预应力混凝土构件分为全预应力混凝土和部份预应力混凝土两类。1) 全预应力混凝土：在使用荷载作用下，不允许截面上混凝土出现拉应力的构件，属严格要求不出现裂缝的构件；2) 部分预应力混凝土：允许出现裂缝，但最大裂缝宽
31、度不超过允许值的构件，属允许出现裂缝的构件。此外，还有一种所谓限值预应力混凝土或有限预应力混凝土，一般也认为属于部分预应力混凝土，即在使用荷载作用下，根据荷载效应组合情况，不同程度地保证混凝土构件不开裂的构件，也就是说，按荷载长期组合作用时构件受拉边缘不允许出现拉应力，但按荷载短期组合作用时构件受拉边缘允许出现不超过规定值的拉应力，这种构件属一般要求不出现裂缝的构件。可见，部分预应力混凝土介于全预应力混凝土和钢筋混凝土两者之间。2、按照粘结方式，预应力混凝土分为有粘结预应力混凝土和无粘结预应力混凝土。1）有粘结预应力混凝土：指全部或部分通过钢筋与混凝土之间的粘结力将钢筋所受到的拉力转为混凝土的
32、压力，达到施加预加压应力目的的预应力混凝土，如图1.4.6。施工方法主要有先张法和后张法。2）无粘结预应力混凝土：指配置无粘结预应力钢筋的后张法预应力混凝土。无粘结预应力钢筋是将预应力钢筋的外表面涂以沥清、油脂或其他润滑防锈材料，以减小摩擦力并防锈蚀，并用塑料套管或以纸带、塑料带包裹，以防止施工中碰坏涂层，并使之与周围混凝土隔离，而在张拉时可沿纵向发生相对滑移的后张预应力钢筋。无粘结预应力钢筋在施工时，像普通钢筋一样，可直接按配置的位置放入模板中，并浇灌混凝土，待混凝土达到规定强度后即可进行张拉，如图1.4.7。无粘结预应力混凝土不需要预留孔道，也不必灌浆，因此施工简便、快速，造价较低，易于推
33、广应用。目前已在建筑工程中广泛应用此项技术。图1.4.6 预应力钢筋混凝土梁钢筋骨架图1.4.7 无粘结预应力平板铺筋2.3预应力混凝土的特点与钢筋混凝土相比，预应力混凝土具有以下特点：1、优点1）抗裂性能较好。由于对构件施加预应力，大大推迟了裂缝的出现，在使用荷载作用下，构件可不出现裂缝，或使裂缝推迟出现。2）刚度较大。由于预应力混凝土能延迟裂缝的出现和开展，并且受弯构件要产生反拱，因而可以减小受弯构件在荷载作用下的挠度。3）耐久性较好。由于预应力混凝土能使构件不出现裂缝或减小裂缝宽度，因而可以减少大气或侵蚀性介质对钢筋的侵蚀，从而延长构件的使用期限。4）节省材料，减小自重。其结构由于必须采
34、用高强度材料，因此可减少钢筋用量和构件截面尺寸，节省钢材和混凝土，降低结构自重。既可以达到经济的目的，又可以扩大钢筋混凝土结构的使用范围，例如可以用于大跨度结构，代替某些钢结构。5）提高受压构件的稳定性。当受压构件长细比较大时，在受到一定的压力后便容易被压弯，以致丧失稳定而破坏。如果对钢筋混凝土柱施加预应力，使纵向受力钢筋张拉得很紧，不但预应力钢筋本身不容易压弯，而且可以帮助周围的混凝土提高抵抗压弯的能力。另外，还可提高构件的抗剪能力。试验表明，纵向预应力钢筋起着锚栓的作用，阻碍着构件斜裂缝的出现与开展，又由于预应力混凝土梁的曲线钢筋（束）合力的竖向分力将部分地抵消剪力。亦可提高构件的耐疲劳性
35、能。因为具有强大预应力的钢筋，在使用阶段因加荷或卸荷所引起的应力变化幅度相对较小，故此可提高抗疲劳强度，这对承受动荷载的结构来说是很有利的。由于预应力混凝土具有以上优点，因而在工程结构中得到了广泛的应用。在工业与民用建筑中，屋面板、楼板、檩条、吊车梁、柱、墙板、基础等构配件，都可采用预应力混凝土。2、缺点1）工艺较复杂，对质量要求高，因而需要配备一支技术较熟练的专业队伍。 2）需要有一定的专门设备，如张拉机具、灌浆设备等。 3）预应力混凝土结构的开工费用较大，对构件数量少的工程成本较高。需要指出，预应力混凝土不能提高构件的极限承载能力。也就是说，当截面和材料相同时，预应力混凝土与普通钢筋混凝土
36、受弯构件的承载能力基本相同，与受拉区是否施加预应力无关。2.4施加预应力的方法按照张拉钢筋与浇筑混凝土的先后关系，施加预应力的方法可分为先张法和后张法两类。1.先张法先张拉预应力钢筋，然后浇筑混凝土的施工方法，称为先张法。先张法的张拉台座设备，如图1.4.8所示。 （a）设备组成（b）实例（c）图解图1.4.8 先张法先张法的主要工艺过程是：穿钢筋张拉钢筋浇筑混凝土并进行养护切断钢筋。预应力钢筋回缩时挤压缩凝土，从而使构件产生预压应力。由于预应力的传递主要靠钢筋和混凝土间的粘结力，因此，必须待混凝土强度达到规定值时（达到强度设计值的75以上），方可切断预应力钢筋。先张法的主要优点是：生产工艺简
37、单，工序少，效率高，质量易于保证，同时由于省去了锚具和减少了预埋件，构件成本较低。先张法主要适用于工厂化大量生产，尤其适宜用于长线法生产中、小型构件。2.后张法先浇筑混凝土，待混凝土硬化后，在构件上直接张拉预应力钢筋，这种施工方法称为后张法，如图1.4.9。后张法的主要工艺过程是：浇筑混凝土构件（在构件中预留孔道，如图1.4.9（a）并进行养护穿预应力钢筋张拉钢筋并用锚具锚固往孔道内压力灌浆。钢筋的回弹力通过锚具作用到构件，从而使混凝土产生预压应力。后张法的预压应力主要通过工作锚传递。张拉钢筋时，混凝土的强度必须达到设计值的75以上。 （a）实例（b）金属波纹管（c）图解图1.4.9 后张法后
38、张法的优点是：预应力钢筋直接在构件上张拉，不需要张拉台座，因此后张法构件既可以在预制厂生产，也可在施工现场生产。大型构件在现场生产可以避免长途搬运，故我国大型预应力混凝土构件主要采用后张法。后张法的主要缺点是：生产周期较长；需要利用工作锚锚固钢筋，钢材消耗较多，成本较高；工序多，操作较复杂，造价一般高于先张法。2.5张拉控制应力1、概念：张拉控制应力是指预应力钢筋在进行张拉时所控制达到的最大应力值。其值为张拉设备（如千斤顶油压表、系统主机，见图1.4.10）所指示的总张拉力除以预应力钢筋截面面积而得的应力值，用表示。（a）张拉应力控制现场（b）张拉应力控制系统图解图1.4.10张拉应力控制系统
39、2、张拉控制应力的确定由预应力混凝土的原理可知，把张拉控制应力取得高些，减去预应力钢筋的各种预应力损失后，还会有较好的预压效果。这不但可以提高构件的抗裂性能和减小挠度，而且可以节约钢材。因此，值适当取高一些是有利的。但必须注意，值并不是取得越高越好。（1）在施工阶段会使构件的某些部位受到拉力（称为预拉力）甚至开裂，对后张法构件可能造成端部混凝土局压破坏。 （2）构件出现裂缝时的荷载值接近极限承载力，使构件在破坏前无明显的预兆，构件的延性较差。（3）为了减少预应力损失，有时需进行超张拉，有可能在超张拉过程中使个别钢筋的应力超过它的实际屈服强度，使钢筋产生较大塑性变形或脆断。由此可见，确定适当的值
40、，对预应力混凝土结构是至关重要的。规范根据多年来国内外设计与施工经验，规定预应力钢筋的张拉控制应力取值范围如表1.4.3所规定，其中为预应力钢筋极限强度标准值，预应力螺纹钢筋屈服强度标准值。表1.4.3张拉控制应力限值钢筋种类 张拉控制应力限值消除应力钢丝、钢绞线0.4/0.75中强度预应力钢丝0.4/0.70预应力螺纹钢筋 0.5/0.85注：下列情况，表中数值可提高0.05或0.05： 要求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； 要求部分抵消由于应力松驰、摩擦、钢筋分批张拉以及预应力钢筋与张拉台座之间的温差因素产生的预应力损失。2.6预应力损失1、什么是预应力损失
41、。由于张拉工艺和材料特性等原因，从张拉钢筋开始直到构件使用的整个过程中，经张拉所建立起来的钢筋预应力因为各种原因导致预应力逐渐降低，这种现象称为预应力损失。预应力损失会影响预应力混凝土结构构件的预压效果，甚至造成预应力混凝土结构的失效，因此，不仅设计时应正确计算预应力损失值，施工中也应采取有效措施减少预应力损失值。有效预应力等于张拉控制应力减去预应力总损失值。预应力总损失值按各种损失分别计算并经叠加而得，但不得小于：先张法构件为100N/mm2，后张法构件为80N/mm2。2、预应力损失1）张拉端锚具变形和预应力筋内缩引起的预应力损失该项损失是由于经过张拉的预应力钢筋被锚固在台座或构件上以后，
42、锚具、垫板与构件之间的缝隙被压紧，以及预应力钢筋在锚具中的滑动，造成预应力钢筋回缩而产生的预应力损失，用表示。它既发生于先张法构件，也发生于后张法构件中。减小该项损失的措施有：1）选择变形小或预应力筋滑动小的锚具、夹具，并尽量减少垫板的数量；2）对于先张法张拉工艺，选择长的台座。台座长度超过100m时，可忽略不计。2）预应力筋的摩擦引起的预应力损失预应力筋的摩擦包括与孔道的摩擦、与张拉端的摩擦、在转向装置处的摩擦三种。与孔道的摩擦引起的摩擦损失，使预应力随距张拉端的距离的增加而减小，即离张拉端越远损失越大。当孔道为曲线时，摩擦损失会更大。只发生在后张法构件中。减少摩擦损失的措施有：1）采用两端
43、张拉；2）采用“超张拉”工艺。开始张拉并使张拉应力达到1.05，并保持约2分钟，然后再将张拉应力减小到。3）混凝土加热养护时，预应力筋与承受拉力的设备之间的温差引起的预应力损失当先张法构件进行蒸汽养护时，随着钢筋温度升高，其长度也增加（由于新浇混凝土尚未结硬，不能约束钢筋长度的增长），而台座长度固定不变，因此张拉后的钢筋变松，预应力钢筋的应力降低。降温时混凝土和钢筋已粘结成整体，二者一起回缩，钢筋的应力不能恢复到原来的张拉应力值。这种预应力损失只发生在采用蒸汽养护的先张法构件中。减少温差损失的措施有：1)蒸汽养护时采用两次升温养护，即第一次升温至20，恒温养护至混凝土强度达到710N/mm2
44、时，再第二次升温至规定养护温度。2)在钢模上张拉，将构件和钢模一起养护。此时，由于预应力钢筋和台座间不存在温差，故0。4）预应力筋的应力松驰引起的预应力损失预应力钢筋应力松驰引起的预应力损失实际上是钢筋的应力松驰和徐变引起的预应力损失的统称。所谓应力松弛，是指钢筋在高应力作用下，当长度保持不变时，应力随时间增长而逐渐减小的现象。而徐变则是指钢筋在长期不变应力作用下，应变随时间增长而逐渐增大的现象。一般说来，预应力混凝土构件最初几天松驰是主要的。在最初的小时内大约完成总松驰值的50，24小时内可以完成80，以后逐渐减小。到后一阶段，当大部分预应力损失出现后，则以钢筋的徐变为主。既发生在先张法构件
45、中，也发生在后张法构件中。减少的措施有：1)采用应力松驰损失较小的钢筋作预应力钢筋；2)采用“超张拉”工艺。5）混凝土收缩和徐变引起的预应力损失收缩徐变损失是由于混凝土的收缩和徐变使构件长度缩短，被张紧的钢筋将会产生回缩而导致的预应力损失。此项预应力损失是各项损失中最大的一项，在直线预应力配筋构件中约占总损失的50，在曲线预应力配筋构件中约占30左右。收缩徐变损失既发生在先张法构件中，也发生在后张法构件中。减少此项损失的措施有：1)设计时尽量使混凝土压应力不要过高；2)采用高强度等级水泥，以减少水泥用量，同时严格控制水灰比；3)采用级配良好的骨料，增加骨料用量，同时加强振捣，提高混凝土密实性；4)加强养护，使水泥水化作用充分，减少混凝土的收缩。有条件时宜采用蒸汽养护。6）用螺旋式预应力筋作配筋的环形构件
